Sandra Bermejo Broto, e-mail

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RESUM DE LA TESI DOCTORAL
Identificació de la tesi :
1. TÍTOL I SUBTÍTOL: “Aplicación de tecnologías MEMS a la fabricación de arrays fotovoltaicos
monolíticos de silicio monocristalino”
2. NOM DE L’AUTOR DE LA TESI: Sandra Bermejo Broto
3. NOM DEL DIRECTOR DE LA TESI: Luis Castañer Muñoz
4. NOM DEL DIRECTOR DE DEPARTAMENT/INSTITUT UNIVERSITARI QUE AVALA LA
QUALITAT DE LA TESI: Joan Cabestany Moncusí
Data i signatura de l’autor de la tesi :
Barcelona,
“Aplicación de tecnologías MEMS a la fabricación de arrays
fotovoltaicos monolíticos de silicio monocristalino”
Sandra Bermejo Broto, e-mail: [email protected]
Cada vez es más creciente la miniaturización de los sistemas electrónicos para aplicaciones
portátiles. Las que demandan autonomía de movimiento, sistemas de telecomunicación
inalámbricos, aplicaciones en harsh enviroments o sistemas bioimplantables entre otros,
son algunos ejemplos. En estas aplicaciones es preciso el uso de una fuente de
alimentación de tamaño reducido que pueda satisfacer los requisitos eléctricos del sistema.
Los sistemas “micro-electromecánicos” (MEMS), cada vez más utilizados en la industria
electrónica, son también uno de los mayores beneficiaros del uso de una fuente de
alimentación pequeña y cercana, lo más integrada posible. Esto aumenta la velocidad de
operación y la eficiencia de potencia, reduciendo al mismo tiempo la complejidad del
control del sistema. Micropalancas, micropuentes, microactuadores, y microsensores son un
ejemplo de MEMS.
En primer lugar la elección de una fuente de energía adecuada para las necesidades
del sistema requiere un estudio detallado del estado del arte de las distintas microfuentes de
alimentación. En la literatura se hallan diversas opciones de mini fuentes de alimentación,
entre ellas destacan las microbatterías, termopilas, células de combustible (fuel cells),
fuentes de energía inerciales, bobinas (inducción) y minimódulos fotovoltaicos. Dentro de
los minimódulos fotovoltaicos se encuentran alternativas en silicio de capa fina, en silicio
monocristalino y configuración monolítica y en silicio monocristalino con estructura MCM
(MultiChip Module).
En el trabajo desarrollado en esta tesis se han diseñado y fabricado dos alternativas
de minimódulo (o miniarray) fotovoltaico de silicio monocristalino en configuración
monolítica. Se han aplicado tecnologías MEMS a la fabricación de los minimódulos, tales
como el micromecanizado en volumen y técnicas de soldadura de obleas. Las tres partes
fundamentales de la fabricación de los minimódulos son, en primer lugar, la unión de una
oblea donde se procesarán las células y una oblea que hará de soporte mecánico. En
segundo lugar, el aislamiento eléctrico de las células mediante un ataque al substrato, la
estructura queda soportada por la oblea soporte. Por último, para formar el minimódulo, se
realiza la interconexión serie entre células individuales.
En uno de los diseños de minimódulo fabricado se utiliza una oblea soporte de
Pyrex. Primero se procesan los diodos y justo antes de realizar el ataque de aislamiento, se
une la oblea de dispositivos y la de soporte usando un polímero (polyimida), realizando lo
que se denomina un adhesive bonding. Una vez unidas las dos obleas, se realiza un ataque
de aislamiento mediante ataque anisotrópico al silicio (TMAH). A continuación, se rellenan
los carriles con polyimida, se abren las ventanas de contacto y posteriormente se metalizan
los dispositivos. La conexión serie se consigue realizando un wire bonding entre células. La
topología utilizada conforma paneles de 4x4 células en serie, teniendo un área total de
1.1cm2. El área activa de célula es de 3.2mm2.
En el otro diseño de minimódulo fabricado, la oblea soporte es de c-Si y se une a la
oblea de dispositivos mediante fusion bonding en el primer paso del proceso de fabricación.
A continuación se realizan las difusiones de contacto y emisor para formar las células. A
continuación se deposita una capa de nitruro de silicio y se graba formando las ventanas de
contacto. Esta capa se utilizará para realizar una oxidación local. Después se realiza un
ataque con TMAH para aislar las células entre sí. A continuación, se pasiva la superficie y
se abren las ventanas de contacto atacando el nitruro. Por último se realiza la conexión serie
mediante metalización a través de una máscara de sombra. Las topologías fabricadas con
este diseño son de 4x1, 4x2 y 3x3 teniendo un área total de 0.21cm2, 0.5cm2 y 1.4cm2
respectivamente. El área activa de célula es de 3.2mm2 en los dos primeros casos y de
10mm2 en la tercera topología.
Los resultados eléctricos obtenidos bajo iluminación con espectro solar estándar
AM1.5, 1 SOL (100mW/cm2), presentan tensiones en circuito abierto de 1.82V, 3.25V,
4.11V y 7.45V para minimódulos con 4, 8, 9 y 16 células en serie. Las corrientes de
cortocircuito son de 2.45mA para las células de 10mm2 y la potencia máxima en este caso
es de 3.8mW.
Los diseños fabricados son una alternativa a los presentes en el estado del arte en
primer lugar por utilizar todo el grosor del substrato, 350µm frente a grosores de 0.5µm a
50µm. Un mayor grosor del substrato permite absorción del espectro en longitudes de onda
infrarrojas, aumentando su versatilidad. Otra novedad importante es la metalización a través
de máscara de sombra que, unida al proceso de oxidación local incluido en el proceso de
fabricación (LOCOS), aseguran la continuidad eléctrica en la conexión serie entre
dispositivos.
Se han explorado tres aplicaciones para los minimódulos fabricados. La primera es
la telealimentación monocromática para alimentar sensores distribuidos. Se ha analizado la
respuesta del minimódulo bajo luz monocromática. Se han utilizado cuatro láseres con
longitudes de onda 661nm, 785nm, 830nm y 980nm, obteniéndose los mejores resultados
para 785nm y 830nm. Otra aplicación analizada es la utilización de los minimódulos para
alimentación transcutánea de sistemas bioimplantables. Para ello se ha hecho un estudio
teniendo en cuenta el consumo de un marcapasos y se ha obtenido el área mínima de panel
necesaria para satisfacer ese consumo bajo unas condiciones de iluminación determinadas,
teniendo en cuenta la pérdida de trasmitancia debido a la piel. Por último se ha analizado la
dinámica de actuación de un actuador electrostático con un minimódulo fotovoltaico,
obteniendo valores de energía consumida y tiempo de conmutación y comparándolo con el
caso típico de actuación mediante fuente de tensión. Los resultados obtenidos muestran que
el consumo energético se reduce en tres órdenes de magnitud en el caso de actuar con
módulo fotovoltaico respecto a actuar con fuente de tensión, que es el caso típico.
La tecnología de fabricación presentada tiene dos limitaciones: una elevada
resistencia serie y un óxido de pasivación de baja calidad. En futuros diseños se incluirá un
BSF para reducir la resistencia de base y se están haciendo esfuerzos en la mejora del óxido
de pasivación, lo que llevará a medio plazo a una mejora en los resultados fotovoltaicos de
los minimódulos.