Processo tecnologico e realizzazione 123

Per la realizzazione delle celle fotovotaiche campione da utilizzare per la ricerca e il fine-tuning del processo di formazione di un Emettitore Selettivo + strato Antiriflesso (processo psARC) sono state intraprese due strade:

1. Realizzazione di una cella solare partendo da un substrato di silicio p; 2. Impiego di giunzioni con profili di drogaggio non ottimizzato per Emettitore

Selettivo;

La prima soluzione, che andremo brevemente ad illustrare per completezza, ci avrebbe permesso di riprodurre sia i parametri geometrici che quelli fisici individuati dalla progettazione su TCAD. La presenza però di alcuni passi critici nei processi tecnologici scelti ha impedito l’impiego di queste celle per valutazioni quantitative dell’efficacia del processo psARC.

Fig. 92 – Passi tecnologici impiegati per la produzione di celle solari campioni. In Fig. 69 sono schematizzati i passi tecnologici impiegati:

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 EQE lambda (um) EQE EQE0.5 EQE0.4 EQE0.3 EQE0.2 EQE0.1

-­‐ Substrato di tipo p (1016 cm-3);

-­‐ Deposizione di ossido drogante tramite spinning; -­‐ Diffuzione a 900°C per 30 min (xj=0.6/0.7 µm);

-­‐ Evaporazione Joule di Al per il contatto frontale; -­‐ Definizione dei contatti tramite processo litografico; -­‐ Evaporazione Joule di Al del catodo;

Le problematiche sopra accennate sono state introdotte dal processo di drogaggio da fase solida; la giunzione risultante infatti è risultata in ogni campione disuniforme e con caratteristiche rettificanti inadeguate alle specifiche di concentrazione del drogante impiegato e al processo seguito. Queste disuniformità nella giunzione non solo compromettono le caratteristiche elettriche delle giunzioni ma introducono ulteriori disuniformità ottiche allo strato antiriflesso nel processo di formazione del silicio poroso.

Le verifiche effettuate sul processo sembrano aver evidenziato come causa della diffusa disuniformità della giunzione la qualità e le effettive caratteristiche dello SOD impiegato.

In attesa di condurre nuovi test con nuove forniture di SOD si è scelto di testare il processo psARC su giunzioni commerciali n+p, in silicio policristallino, destinate a

celle solari standard.

L’impiego di questi substrati comporta la presenza di profili di giunzione più corti (xj= 300 nm) sui quali il processo di etch-back si è limitato alla sola realizzazione

dello strato antiriflesso per non compromettere la funzionalità della giunzione np. Il processo per la realizzazione della cella solare segue i passi già riportati in Fig. 69 con l’eccezione della realizzazione del drogaggio; in Fig. 70 la cella solare risultante.

L’anodizzazione dell’emettitore della cella solare prodotta in soluzione acquosa di HF produce uno strato di silicio poroso con caratteristiche ottiche intermedie fra aria e silicio. La concentrazione della soluzione, così come le caratteristiche elettriche dell’attacco elettrochimico determinano diverse morfologie della struttura porosa in funzione del drogaggio del silicio.

Questa varietà di morfologie porose e la possibilità di controllarle, o perlomeno selezionarle, è stata impiegata per realizzare lo strato antiriflesso con le caratteristiche ottiche desiderate. Per arrivare a selezionare le caratteristiche dello strato poroso più opportune si è utilizzata un’approssimazione di mezzo equivalente (Effective Medum Approximation); con questo teoria si descrivono le proprietà macroscopiche di un materiale, di un mezzo, basandole sulle proprietà delle singole componenti del materiale stesso.

L’EMA descrive l’indice di rifrazione effettivo (neff) di un materiale poroso come

funzione dell’indice di rifrazione complesso del materiale ospite (neff= nSi), silicio in

questo caso, e del materiale incluso (nincl=1), aria in questo caso. Oltre a questo

sia la porosità (P) che la morfologia dei pori condizionano neff.

In particolare per particelle con forme irregolari e silicio meso-poroso risulta essere efficace l’approssimazione di Bruggeman [46]:

! !!!!""!

!!!!_!""! + 1 − !

!_!"!!!_!""!

!_!"!!!!_!""! = 0 (23)

Imponendo nella relazione precedente un indice di rifrazione reale pari a 1.96 @ 632.8 nm, come ottenuto nel paragrafo sullo strato antiriflesso, si ricava per il silicio una porosità del 60%.

Per quanto riguarda la soluzione per l’attacco elettrochimico sono stati compiuti diversi test per garantire le seguenti caratteristiche dello strato di silicio poroso cresciuto nell’emettitore:

-­‐ Porosità del 60%;

-­‐ Bassa velocità di attacco per controllare in maniera precisa lo spessore dello strato poroso;

-­‐ Uniformità dello strato poroso realizzato; -­‐ Dimensione dei pori compresa fra 10 e 100 nm;

Con prove su giunzioni senza metallizzazioni è stata ritenuta ottimale per l’ottenimento delle caratteristiche sopra riportate una soluzione acquosa all’1.2% di HF con l’aggiunta di un surfattante non ionico all’1% vol. (Wako N1001). L’impiego di un surfattante si è reso necessario per migliorare l’uniformità dello strato di silicio poroso prodotto e ridurre la dimensione dei pori. La corrente di anodizzazione utilizzata è stata di 2mA per 60s.

Misure ellissometriche sono state impiegate per la determinazione della porosità del film cresciuto; sebbene infatti sia possibile caratterizzare il comportamento elettrochimico di un substrato di silicio per una data soluzione [9], legando corrente di anodizzazione a porosità del materiale, l’impiego di misure ellissometriche è risultato molto più preciso ad una verifica effettuata con metodi gravimetrici.

La porosità dei layer porosi ottenuti è risultata del 57-63% con un errore stimato del 5% sull’neff (632.8nm).

Per maggiori informazioni sulla tecnica di misura ellissometrica impiegata e la routine Matlab sviluppata per l’estrazione della porosità tramite l’EMA di Bruggeman fare riferimento all’Appendice C.

In Fig. 71 sono riportate alcune foto di campioni con film poroso cresciuto sull’emettitore.

Fig. 94 – Foto di giunzioni policristalline con emettitore anodizzato.

Il processo di anodizzazione sulla cella solare campione segue i passi riportati in Fig. 72: è necessario proteggere le metallizzazioni in fase di anodizzazione dell’emettitore per evitarne la dissoluzione nella soluzione acquosa di HF.

La litografia necessaria alla protezione delle metallizzazioni espone le aree di emettitore all’anodizzazione del silicio. I risultati della litografia e dell’anodizzazione sono visibili nelle foto di destra dove è visibile la ridotta area di attacco della cella elettrochimica impiegata: solo l’area circolare di colore più scuro è stata soggetta all’attacco elettrochimico.

Fig. 95 – Passi del processo psARC applicato ad una giunzione policristallina standard.