Uma equipe liderada pela Universidade Nacional da Austrália investigou o silício cultivado pelo método Czochralski dopado com antimônio (Sb) como um substrato alternativo do tipo n para aplicações fotovoltaicas solares, em um estudo que incluiu a caracterização da distribuição da resistividade axial, propriedades doadoras e resistência mecânica.
“Este estudo elucidou por que lingotes de silício tipo n dopados com antimônio podem atingir uma distribuição uniforme de resistividade, apesar do baixíssimo coeficiente de segregação do antimônio. Demonstramos que o fator chave é a taxa de evaporação controlada do Sb durante o crescimento pelo método Czochralski, e não a codopagem com fósforo, como frequentemente se especula”, disse o autor correspondente, Rabin Basnet, à pv magazine .
A importância dessas descobertas para os fabricantes reside no fato de que a distribuição uniforme da resistividade aumenta o rendimento de lingotes utilizáveis, melhorando a eficiência da produção de wafers e reduzindo os custos de materiais, de acordo com Basnet, que acrescentou que um benefício da resistência mecânica dos wafers dopados com Sb é a redução da quebra durante o processamento das células, aumentando a produtividade e o rendimento.
A pesquisa, que aparece em “ Distribuição de resistividade e propriedades doadoras de lingotes de silício tipo n dopados com antimônio, obtidos pelo método Czochralski ”, publicada na revista Solar Energy Materials and Solar Cells, ajuda a “explicar como a indústria conseguiu produzir lingotes uniformes dopados com antimônio e fornece uma base científica para otimizar a uniformidade da dopagem em wafers de próxima geração”, de acordo com Basnet.
Embora o uso de Sb para dopagem de wafers em aplicações fotovoltaicas seja uma novidade, o Sb é um “dopante tipo n bem estabelecido” na fabricação de dispositivos semicondutores, segundo os pesquisadores.
Em um trabalho anterior sobre o tema, intitulado “ Wafers de silício tipo n dopados com antimônio de alta qualidade para aplicações em células solares ”, publicado na Solar RLL, o grupo mostrou que “a troca do dopante doador de fósforo para antimônio não compromete a vida útil do volume” dos wafers Czochralski (Cz) tipo n, de acordo com Basent.
“Com base nisso, o presente artigo demonstra que a dopagem com antimônio também possibilita uma resistividade altamente uniforme ao longo da direção axial do lingote de silício Cz. Em conjunto, essas descobertas indicam que os wafers de silício Cz tipo n dopados com antimônio são considerados fortes candidatos a se tornarem o padrão da indústria para a próxima geração de wafers tipo n”, afirmou Basent.
Os pesquisadores utilizaram wafers de silício dopados com antimônio (Sb) e fósforo (P) cultivados pelo processo de crescimento de lingote Cz recarregado e fornecidos pelo fabricante chinês Longi Green Energy Technology . Para os testes, utilizaram espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (RPE) para avaliar as características relacionadas ao doador e ao dopante, bem como a resistividade elétrica. O teste padrão de resistência à flexão foi realizado com um dispositivo de flexão de três pontos.
Quanto à modelagem, a equipe observou que, para avaliar a viabilidade do Sb para essa aplicação, o modelo convencional baseado na equação de Scheil teve que ser modificado para levar em conta tanto os efeitos de segregação quanto os de evaporação como mecanismos de incorporação.
“Inicialmente, foi surpreendente que Longi tenha conseguido uma distribuição de resistividade tão uniforme usando apenas dopagem com antimônio. Dado que o antimônio tem um coeficiente de segregação quase uma ordem de magnitude menor que o do fósforo, seria de se esperar uma variação axial significativa. Nossa análise, no entanto, revelou que o controle preciso da evaporação de antimônio durante o crescimento do cristal, em vez da codopagem (como revelado pela análise de EPR), explica a uniformidade observada, uma solução inesperada e tecnicamente elegante”, explicou Basnet.
A equipe de pesquisa pretende continuar investigando a dopagem com Sb, incluindo seu impacto na vida útil dos portadores de carga, na formação de defeitos e no comportamento de recombinação dos portadores minoritários. Os planos incluem estudos comparativos da estabilidade térmica entre wafers dopados com Sb e wafers dopados com P durante o processamento, juntamente com a avaliação em nível de dispositivo de wafers dopados com Sb em células solares de alta eficiência para avaliar o desempenho elétrico e a confiabilidade, de acordo com Basnet.
A equipe de pesquisa incluiu participantes da Longi Green Energy Technology, da Colorado School of Mines e do Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA.
No ano passado, uma equipe de pesquisa da ANU e da Longi divulgou os resultados de uma investigação sobre o uso de getters para aprimorar a qualidade de wafers do tipo n, conforme relatado pela pv magazine .
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