Pérdidas eléctricas asociadas a procesos de interconexión con

Asociación Española de
Ingeniería Mecánica
XVIII CONGRESO NACIONAL
DE INGENIERÍA MECÁNICA
Pérdidas eléctricas asociadas a procesos de interconexión con
láser en dispositivos de lámina delgada
J.J. García-Ballesteros, S. Lauzurica, C. Molpeceres, J.L Ocaña
Centro Láser Universidad Politécnica de Madrid
[email protected]
I. Torres, J. Gandía
Energía Solar Fotovoltaica, CIEMAT
Resumen
Se presenta un modelo para la evaluación de pérdidas eléctricas en la fabricación de dispositivos
optoeléctronicos con láseres de estado sólido bombeados por diodos, con ancho temporal de nanosegundos y
longitud de onda en el espectro visible (532 nm). La generación de defectos fotoinducidos (corrientes de fuga,
dislocaciones, resistencias internas, pérdida de ohmicidad de los contactos, etc.) debido a los procesos de
interconexión, han sido analizados. Mediante la sincronización de sistemas de microfabricación con láser y
sistemas electrónicos ultrarrápidos se puede controlar con gran precisión los procesos de interconexionado y
evitar deficiencias producidos por las cargas mecánicas y cinéticas de los sistemas de posicionamiento, los
cuales juegan un papel decisivo en la interconexión y aislamiento de células fotovoltaicas de lámina delgada de
silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) en configuración de superestrato. Este trabajo está enfocado en el segundo
y el tercer proceso láser de interconexión monolítica, los cuales conectan eléctricamente y en serie células
solares individuales dentro de un módulo, son los denominados P2 y P3 respectivamente. La dependencia en las
curvas de medida bajo iluminación (JVI) y oscuridad (JVO) con los parámetros de interconexión fueron
evaluados inicialmente en células individuales. Finalmente, varios módulos fueron diseñados con una notable
mejora en la eficiencia debido a la optimización y combinación de tales procesos.
INTRODUCCIÓN
Actualmente la necesidad energética mundial se cubre con el uso de combustibles fósiles, mayoritariamente
petróleo, carbón y gas natural, condicionados a problemas ambientales y/o económicos, como la emisión de CO2,
efecto invernadero, inversiones en terceros países para la deducción de emisiones (mecanismos de Kioto), etc. Es
posible encontrar otras fuentes energéticas menos contaminantes durante su producción, como la energía nuclear,
pero es bien conocido los efectos de los residuos nucleares para el medio ambiente así como la durabilidad y
coste de su almacenamiento. Existen otras con una muy buena relación energía producida y consumida, como la
hidráulica, pero también presenta un gran impacto biológico-ambiental para el entorno, al igual que sucede con
la energía producida con biomasa. Fue a partir de la crisis energética del 73 cuando se despertó un interés por las
energías renovables, y con ello, de la energía solar fotovoltaica.
La energía solar terrestre ó espacial, teóricamente, presenta una relación coste-producción aceptable. Es cierto
que la terrestre está directamente relacionada con las condiciones atmosféricas, pero aún así, es sólo entre 3-4
veces inferior a la producida en el espacio, debido principalmente al consumo necesario de esta para transmitirla
a la tierra, entre 40-50 % de perdidas [1]. La energía solar puede ser aprovechada principalmente, de 2 formas,
por ejemplo para generar energía térmica si la luz es recogida en colectores (sin y con concentradores, las cuales
constituyen la energía solar térmica de baja y alta temperatura, respectivamente) y para generar energía eléctrica
si es colectada con placas solares.
Debido a las buenas condiciones climáticas y orográficas, España presenta buenos niveles de irradiancia diaria,
por encima de los 5 kWh/m2, según la zona [2]. Entre los años 2005-2008 la energía solar fotovoltaica y
termoeléctrica se multiplico por 4 en la U.E, convirtiendo a España en el primer país en términos de nueva
capacidad, superando incluso Alemania. Aún así, Alemania sigue dominando el mercado europeo en potencia
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instalada, seguido de España [3].
En la actualidad el mercado fotovoltaico sigue dominado por la tecnología de silicio cristalino y multicristalino,
correspondiente a la primera generación de células fotovoltaicas, también conocida como células solares basadas
en obleas. La llamada segunda generación, se basa en el empleo de depósitos epitaxiales delgados de
semiconductores, con la correspondiente reducción del espesor óptimo, unas 20-30 veces menos que el de una
célula cristalina-multicristalina [4], y por tanto menos costosa. Dentro de esta generación, existen un gran
número de tecnologías según el material semiconductor empleado, como el teluro de cadmio, sulfuros, CIGS
(seleniuros de indio), silicio microcristalino, silicio policristalino, etc. y el silicio amorfo, dopado e intrínseco,
que es el que nos compete. Dada la amorficidad o la poca cristalinidad del silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H),
el transporte de cargas fotogeneradas es por arrastre y no por difusión como ocurre con las células basadas en
obleas, por lo que obliga a la presencia de una estructura poco dopada, ya que los materiales con una alta
cantidad de defectos como los dopados, disminuyen el tiempo de vida de los portadores. Por tanto se precisa de
una estructura de 3 capas, una capa intrínseca (zona de deplexión donde se genera el campo eléctrico) entre dos
capas dopadas, es decir, una estructura pin.
En la actualidad las células de tercera y cuarta generación, que no usan la tradicional unión p-n para generar
portadores, lo hacen a través de puntos cuánticos o están basadas en polímeros, nanoparticulas (nanotubos de
carbono), células fotoelectroquímicas, etc. ya conviven con las células de primera y segunda generación,
existiendo ya un gran número de compañías que apuestan por ese tipo de tecnologías.
Frente a la baja eficiencia de las células terrestres basadas en silicio amorfo, 9.5 %, comparadas con otros tipos
de tecnologías, como las células de silicio cristalino, multicristalino, células grupo III-V (GaAs) o las CIGS con
valores que van desde 25%, 20.4%,26.1% y 19.4 % [5], respectivamente, está el bajo coste de producción que
presentan las células de a-Si:H, no sólo por la cantidad de material utilizado, también por el uso de otro tipo de
sustratos rígidos y/o flexibles y las bajas temperaturas de fabricación, entre otros. Es por esa eficiencia que es
absolutamente necesario, la optimización de los procesos de fabricación, entre los que se incluyen los procesos
de interconexión con láser y el depósito estructural de las capas que forman el dispositivo fotoeléctrico. Si los
parámetros láser no están lo suficientemente optimizados, se pueden producir cortocircuitos, defectos, fugas de
corrientes, degradación de la resistencia en paralelo y en serie de las células, y por tanto de los módulos. Es por
tanto necesario, la realización de un estudio paramétrico acorde a las propiedades mecánicas, ópticas y físicas de
los materiales, que componen las células.
Fig. 1. Diagrama esquemático de los procesos láser de interconexión monolítica en serie para módulos
fotovoltaicos de lámina delgada (No escala). ■ Contacto metálico trasero, ■ Estructura P-I-N, ■ Contacto
Frontal (Oxido Conductor transparente).
Los módulos de lámina delgada de silicio amorfo hidrogenado, se depositan típicamente en una configuración de
superestrato, es decir, la luz incide por el lado del sustrato sobre que es depositada la estructura fotovoltaica y
por tanto, ha de ser transparente. Existe la posibilidad de fabricación de células bifaciales [6], que aprovechan la
luz reflejada en su cara posterior, aumentando la eficiencia, mediante el empleo de contactos traseros, también
transparentes. Otra posibilidad es la configuración de sustrato, en la que la radiación penetra por el lado de las
capas, debido al empleo de sustratos opacos, como los metálicos.
La configuración de células en superestrato, parte de un sustrato transparente (vidrio) sobre el que se deposita el
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electrodo frontal, este es un óxido conductor transparente denominado OCT, como el óxido de indio-estaño
(ITO), óxido de estaño SnO2, Asahi U [SnO2:F], etc. depositados por pirolisis, PLD (pulsed laser deposition),
CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD [7]. Este como su propio nombre indica, es transparente a la región visible
del espectro solar, y presentan unas propiedades eléctricas muy buenas, a parte del buen acoplamiento óptico de
la luz en la interfaz OCT/a-Si:H, debido a la diferencia de los índices de refracción. Una vez depositado el
primer contacto, se define el ancho de las células mediante la eliminación del OCT, aislando y separando
eléctricamente cada célula. Este proceso es conocido como P1, se realiza irradiando por el lado de las láminas
con radiación infrarroja (1064 nm) y/o ultravioleta (355 nm). También se puede realizar por el lado del sustrato,
técnica conocida como backscribing, irradiando con una longitud de onda en la que el sustrato sea transparente,
como la radiación IR. A continuación se deposita el absorbente fotovoltaico, en este caso una estructura p-i-n
(capa silicio dopada tipo p, una capa de silicio intrínseco y una capa de silicio dopada tipo n). El segundo
proceso láser de interconexión P2, elimina el absorbente solar con un corte paralelo al P1, iluminando por el lado
del sustrato (backscribing) con radiación visible 532 nm. Este corte conecta eléctricamente las células
individuales, después de la evaporación del contacto trasero. Una vez depositado este, se realiza el último
proceso láser denominado P3, también por backscribing y con radiación 532 nm, el cual conecta en serie las
células. Existiría un 4 proceso láser de aislamiento, para evitar posibles efectos de borde durante la deposición de
las diferentes capas delgadas que componen la estructura fotovoltaica.
SISTEMA EXPERIMENTAL
El trabajo ha sido llevado a cabo con un sistema Nd:YVO4 con frecuencia de repetición de 15-100 kHz, ancho
temporal de 15 ns con un modo de operación TEM00 y un conmutador electro-mecánico (Q-Switch) de Spectra
Physics. La frecuencia fundamental del láser es 1064 nm (IR), pero el sistema incluye un generador de
armónicos, que doble la frecuencia a 532 nm (luz verde). El haz láser es focalizado en la mesa de trabajo a través
de 3 espejos y 2 telescopios, que aumenta/reducen el diámetro del haz. El sistema integra un galvanómetro para
longitud de onda 532 nm, con una longitud focal de 250 mm, distancias de trabajo que van de 383 mm
produciendo un campo de trabajo de 155x155 mm2 y velocidades de 1 mm/s hasta 10 m/s. El sistema de
movimiento consta de 3 ejes XYZ. XY funcionan con motores lineales y precisiones en torno a la micra y
velocidades hasta 3 m/s (teóricos). El área de trabajo es de 300x300 mm. El eje Z es empleado para enfocar el
haz a través de un motor rotatorio. Para el control de la fuente láser, se ha empleado un generador digital de
retardo DG645, que puede desfasar señales de 0 a 2000 segundos con resoluciones de 5 ps y con fluctuaciones
RMS de 12 ps. Con él podemos sincronizar los ciclos de trabajo (0 ó 1) de los procesos/cortes de aislamiento con
el Q-Swicth (salida) del láser.
Los perfiles de ablación de los procesos han sido evaluados con microscopía óptica convencional, microscopios
Olympus PMG3, SZ-CTV y microscopía óptica Confocal (DCM3D e ICM 1000, al cual se le dio trazabilidad a
través de un procedimiento de calibración para uso metrológico [8-9]), con resoluciones verticales que van hasta
los 2 nm (objetivo 150x DCM3D). Los estudios morfológicos han sido llevados a cabo con microscopía
electrónica SEM, EDX, para una mejor comprensión de los procesos de interconexión. Las caracterización
eléctrica, como la resistencia de contacto y curvas JV en oscuridad, fue realizada con el multímetro Keithley
2400 en configuración de 2 y 4 puntas.
Fig. 2. Modelo de circuito equivalente para un diodo real. Componentes no ideales (líneas discontinuas)
generados en la fabricación de módulos-células fotovoltaicas de lámina delgada.
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Las características corriente-voltaje de las células solares han sido realizadas bajo condiciones normales de
irradiancia 100 mW/cm2 AM 1.5G, a través de un sistema desarrollado en el Centro de Investigaciones
Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) [10]. Las características de la curva JV han sido
adaptadas a la ecuación general de un diodo:

J 0  J s e
V  AJRs nVT 

1 
V  AJRs
Rsh
J   J ph  J 0
(1)
(2)
Los principales parámetros fotovoltaicos, como la corriente de cortocircuito JSC, el voltaje en circuito abierto
VOC, el factor de llenado FF y la eficiencia η han sido obtenidos de forma habitual. El primer y segundo término
de la ecuación 1, corresponden respectivamente a la corriente de diodo JD y la corriente de fuga JRsh, J0 es la
corriente en oscuridad, JS es la corriente de saturación, V es el voltaje aplicado, A es el área de la célula, RS la
resistencia en serie, n es el factor de idealidad del diodo, VT=q/KT y Rsh es la resistencia de derivación ó carga
resistiva (shunt resistance), también denominada resistencia en paralelo.
FABRICACIÓN DE DISPOSITIVOS
La capa p-i-n fue depositada sobre la estructura SnO2:F (Asahi tipo U)/sustrato de vidrio en un reactor PECVD
de doble cámara con una frecuencia de depósito de 13.56 MHz a través de dilución de silano (SiH4). Pequeñas
cantidad de gases dopantes que contienen fósforo o boro, como trimetil-boro (B(CH3)3) y fosfina PH3, se
utilizaron para la fabricación de las capas dopadas p y n, respectivamente. El espesor total estimado del
absorbente fotovoltaico es de unos 400 nm, verificado a través de medidas Confocal [8]. Como contacto trasero
se empleo aluminio tras una evaporación térmica a través de máscara, limitando el área de las células, debido al
tamaño del contacto, en 1.1 cm2. La eficiencia total de las células así fabricadas, variaron entre 7-8 %.
Fig. 3. Esquema de una célula solar de lámina delgada en configuración de superestrato. Área de la célula p-i-n
1.1 cm2.
PROCESOS DE INTERCONEXIÓN CON LÁSER Y CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA
Cuando una célula se irradiada con láser, es en la interfaz OCT/p-i-n donde se produce la absorción de energía.
Si el incremento de temperatura alcanzado supera un valor límite conocido como límite de fluencia, la tensión
térmica generada puede abferir (fundir y vaporizar) la estructura fotovoltaica. En el caso del tercer proceso de
interconexión, la eliminación del contacto trasero se produce por un efecto mecánico derivado de la absorción de
energía en esa unión OCT/p-i-n. Un exceso de energía que supere el límite de ablación, genera el calentamiento
de la zona tratada, pudiendo generar defectos en las capas adyacentes, afectación en conductividad de los
contactos, un aumento en la resistencia en serie, cristalización de material [11] etc. Si por el contrario la densidad
de energía está por debajo de ese límite, los niveles de aislamiento son malos, produciendo la incompleta
eliminación de las capas, residuos metálicos, bordes cortocircuitados, etc. Por tanto dos de los parámetros que
necesitan una mayor optimización son el solape de pulsos y la densidad de potencia. El solape está relacionado
con la frecuencia láser utilizada, por tanto, con la potencia y con la velocidad del proceso. En los procesos
evaluados en este trabajo, la no optimización de los pulsos genera residuos de material, interconexión de las
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capas y daños al contacto frontal (OCT), principalmente. La propia distribución de energía, en nuestro caso un
modo gaussiano, puede afectar notablemente la calidad de los mecanizados (afectación de las colas gaussianas),
dando lugar a mecanismos de interacción fototérmicos tanto ablativos como no ablativos, pudiendo empeorar la
ohmicidad de los contactos (Fig.4 imagen B). A través de la homogenización del haz, es posible corregir los
defectos generados por el perfil de distribución energético, mediante el empleo de sistemas difractivos,
microlentes, lentes de Fourier, etc. a distribuciones que facilitan los procesos de interconexión (distribuciones
planas o top hat). En la siguiente figura se pueden ver diferentes ejemplos de la no optimización de procesos,
como solapes y densidades de potencia no optimizadas, afectación de la distribución gaussiana (Imágenes A y B)
y procesos de interconexión optimizados.
Fig. 4. Micrografías SEM de procesos de interconexión P2 y P3. Arriba-izquierda.- Cortes P2 con diferentes
parámetros de fabricación: 1.- Solape no optimizado fluencia optimizada, 2-3.- Solape y fluencia optimizada. 4
y 5.- Solape optimizado, fluencia no optimizada, influencia en la resistencia en serie, se observa el daño en el
contacto frontal. Imágenes A y B: Procesos P3, A: Influencia del perfil gaussiano con solape optimizado y
exceso de potencia, B: Efecto de la distribución de energía en la pérdida de ohmicidad del contacto trasero.
Imagen C.- Solape no optimizado, se observan restos de material que cortocircuitan la célula, afectación a los
parámetros eléctricos.
Ambos procesos de interconexión han sido realizados en modo backscribing irradiando con longitud de onda de
532 nm. La radiación empleada es propicia dada la “sensibilidad” del absorbente a esa longitud de onda y la
transmitancia del conductor frontal (OCT) a ese rango espectral. El coeficiente de absorción del silicio cristalino
para energías de 3.73 eV (λ= 532 nm), es del orden de 103 cm-1 [12], hay que comentar, que este valor varía
según las condiciones de medida (el índice de refracción empleado, temperatura, energía del fotón etc.). Aún así,
como el band gap o banda prohibida del silicio amorfo es mayor que la del silicio cristalino (1.6-1.7 eV frente a
1.1 eV respectivamente [13]-[14]), el coeficiente de absorción del silicio amorfo, también es mayor. Dado que
existe una relación directa entre la densidad de defectos (densidad enlaces sueltos, densidad de estados),
temperatura de fabricación, energía del gap de movilidad, del gap óptico, etc. con el coeficiente de absorción (α),
no es trivial y va más allá del ámbito de este trabajo, establecer un valor de α, ya que como decíamos
anteriormente, existe una fuerte dependencia con las condiciones de fabricación, pero el estudio paramétrico
evidencia el buen comportamiento del a-Si:H con estas longitudes de onda a potencias realmente bajas
(milivatios). Como ejemplo, la eficiencia cuántica máxima (QE) de un diodo p-i-n en función de la temperatura
está en torno a la longitud de onda de 550 nm [15], pero no debemos confundir esta QE, con el coeficiente de
absorción, ya que como comentábamos anteriormente, este depende de los estados localizados del gap, el nivel
de fermi, etc.
El primer estudio realizado, fue la evaluación de los parámetros de ablación del segundo proceso de
interconexión, P2. El análisis en célula de este proceso carece de sentido, ya que este corte conecta
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eléctricamente en serie cada célula que compone el módulo, por tanto se necesita de una estructura real (módulo)
para su evaluación. Si realizamos un P2 previo al depósito del contacto trasero, en nuestro caso aluminio, el
único análisis posible en célula, es la medida de conductividad entre el contacto frontal y el trasero, pero no
podemos evaluar las variaciones producidas por los procesos láser y por la calidad del depósito de aluminio. Al
evaporar el contacto metálico trasero en células tratadas con P2, lo que hacemos es cortocircuitar la célula (ver
Fig. 1), no pudiendo evaluar parámetros eléctricos (Jsc, Rsh, Rs, FF, VOC) que verifiquen la calidad de los
dispositivos fotovoltaicos. Para valorar la influencia del segundo proceso de interconexionado, después del
PECVD de la estructura p-i-n, se evaporaron capas de aluminio con espesores que iban desde los 20 nm, hasta
los 100 nm, para la generación de un contacto eléctrico. Por tanto, el P2 realizado fue realmente un tercer
proceso de interconexión, i.e, un P3, pero debido al escaso espesor de aluminio depositado, los parámetros del
segundo proceso prácticamente no cambiaron. Para ello, previamente se fabricó una máscara de depósito que nos
permitía la evaluación a través de medidas IV de cada célula individualmente, mediante el depósito de contactos
(ánodos) en los bordes de cada módulo. De esta forma podemos evaluar la medida directa ánodo-cátodo de cada
célula y la medida de corriente a través del P2. Una vez realizado el PECVD de la capa fotovoltaica y la
evaporación del contacto metálico, se llevó a cabo un estudió paramétrico y eléctrico en oscuridad, del segundo
proceso de interconexión y de la calidad del absorbente solar.
A
B
Fig. 5. Medida eléctrica en oscuridad. Derecha: Módulo SX célula 6, depósito p-i-n/Al tras hacer el P2 (línea
roja) medida cátodo-ánodo y medida a través del propio corte P2 (● negro). Izquierda: Módulo SU, ejemplos
de medidas no optimizadas, después de realizar el corte P2 (línea continua negra), y después de la evaporación
del contacto trasero (azul), la resistencia en paralelo es baja, la célula está prácticamente cortocircuitada.
Para aumentar la absorción de luz y por tanto, la corriente de cortocircuito, el OCT necesita ser texturizado. Esto
implica que tiene que tener una cierta rugosidad para aumentar las dispersiones y reflexiones internas, evitando
pérdidas de las mismas. El Asahi-U empleado, presenta una rugosidad δrms ≈ 50 nm para un área de medida de
12152.7 µm2. Esta rugosidad es del orden de los espesores de la capas dopadas p y n, aunque sólo entre un 810% del espesor total de la estructura fotovoltaica. Al realizar el P2 bajo unas condiciones no optimizadas,
podemos modificar esta rugosidad, aumentándola, como pudimos comprobar cuando irradiamos con exceso de
energía. Estos cambios en las superficies tratadas, así como el espesor del contacto, tienen consecuencias
eléctricas negativas en la evaporación del depósito de aluminio, como observamos en la gráfica A de la figura 5
(curva azul). A través del análisis en oscuridad de la resistencia en paralelo Rsh, se evaluó el depósito de
diferentes espesores de aluminio, observando un empeoramiento de hasta un orden de magnitud de Rsh para
tamaños mayores de 0.5 µm. El depósito PECVD de la estructura p-i-n/Al a través de máscara, nos permite
evaluar eléctricamente cada célula individualmente, a través de medidas entre contactos, pese a que el
dispositivo no esté aún terminado, vemos en la gráfica A como una mala elección de los parámetros láser,
produce defectos en el dispositivo modificando e incluso cortocircuitando la célula (curva tras realización del
P2). La imagen de la figura 5 B (Dcha.), muestra el comportamiento ideal de la capa absorbente y del proceso de
interconexión P2 de una célula dentro de un módulo, obteniendo curvas eléctricas semejantes a través de
medidas directas cátodo-ánodo, así como a través del P2.
Analizado el segundo proceso de interconexión, se procedió a la evaluación del tercer corte láser en células
individuales. Para ello se realizó un estudio paramétrico de la influencia de la densidad de energía en la calidad
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eléctrica de las células, antes y después de ser tratadas con láser. Después de un profundo análisis de diferentes
parámetros, frecuencias de repetición, velocidad y energía de proceso, utilización de gases de aporte, espesor del
contacto metálico trasero, diámetro del haz, tamaño en punto focal, entre otros, se optimizaron varios cortes P3 y
se aplicaron en células de área 1.1 cm2 (Ver Fig. 3). De esta manera también pudimos evaluar en módulo la
calidad del depósito del contacto metálico trasero dentro del P2, sin la influencia de ningún otro proceso de
depósito ni de interconexión láser, como el P3 (ver página anterior). La optimización de los procesos fue tan
buena (Fig. 5), que la realización de varios P3 no modifican los parámetros eléctricos, respecto de la célula sin
tratar con láser.
Fig. 5. Medida eléctrica en oscuridad, célula PE4. Medida comparativa de la célula sin tratar (○ puntos
discontinuos) y tras hacer un P3 (línea continua). Los parámetros eléctricos no cambiaron.
El problema del análisis de cortes P3 dentro de una misma célula, es que el área de la célula se recorta, ya que
los procesos dividen el contacto tantas veces como scribes sean realizados, por lo que se optó por la evaluación
de procesos P3 que no atravesasen toda el área. Para ello los cortes debían empezar dentro del contacto o por el
contrario, habría que terminar en ellos. Después de muchas pruebas, comprobamos la influencia que tenían los
sistemas de posicionamiento en las características eléctricas durante la realización del interconexionado. Debido
a que algunos procesos son realizados a velocidades muy altas (m/s), las aceleraciones y deceleraciones de los
motores, tanto de la mesa de coordenadas como de los galvanómetros, son grandes, generando defectos en las
células. Para evitar las cargas inerciales, mecánicas y cinéticas de los sistemas de posicionamiento, se empleó un
generador de retardo para evitar frenar y acelerar encima del contacto trasero y así evitar los solapes iniciales y
finales del proceso de interconexión. El delay generator permite un excelente control del haz. Mediante la
realización de un puente entre la tarjeta del scanner, la fuente láser y el generador de retardo, se puede generar un
desfase entre el comienzo ó final de un proceso y el Q-switch (conmutador) del láser.
Fig. 6. Microscopía confocal DCM3D. Izqda. Proceso de interconexión P3 frenando dentro del contacto.
Dcha. Utilizando el generador de retardo. Se aprecia la calidad de acabado del proceso controlado
externamente.
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La figura anterior muestra la generación de defectos debido a la deceleración del corte. En la imagen de la
izquierda se observa como el solape de pulsos al final del corte solapa en exceso los 3 últimos spots, por lo que
la densidad energética en las últimas 50 µm del corte es bastante mayor que en el resto del proceso P3. Esto
reduce la resistencia en paralelo en varios órdenes de magnitud, respecto a la célula sin tratar y frente a procesos
P3 utilizando el delay generator (ver tabla I y Fig.7). La tabla siguiente, presenta una comparativa eléctrica de las
células sin tratar y empleando ambos métodos:
Tipo de proceso
Célula
ejemplo
Longitud total acumulada
con los procesos P3 (cm)
Resistencia en
paralelo Rsh
(Ω·cm2)
Resistencia en
serie Rs (Ω)
Frenando (Sin
controlador externo)
PF3 12 P3
10.15
5.23·103
8.92
Generador retardo
(Con controlador
externo
PE8 24 P3
8.61
2.64·106
15.2
2.60·106
10.82
6
10.97
Células sin tratar
PF3
PE8
-
3.95·10
Tabla 1. Parámetros eléctricos dependiente de la metodología empleada.
Fig. 7. Estudio eléctrico comparativo dependiente del método empleado para los procesos de interconexión
P3. Caracterización eléctrica en oscuridad frente a la longitud total de procesos P3. Arriba: Sin generador de
retardo. Abajo: Con generador de retardo.
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Analizada la influencia exclusiva del último proceso de interconexión P3 controlado externamente en célula, se
realizó una comparativa eléctrica de la resistencia en paralelo Rsh frente a la longitud y el número de procesos en
células individuales. Otros autores [16] observaron el mismo comportamiento eléctrico que nosotros, cuando
evaluaron la influencia de la longitud de los scribes sin control externo del haz. En su trabajo atribuían el
empeoramiento a la generación de defectos debido a la acumulación de la longitud total del número de procesos,
sin embargo, los ejemplos de la figura 7 y 8, no explican tales resultados. Como se demostró en otros trabajos,
los procesos láser inducen recristalización de material [11] y la no optimización de los mismos aumenta la
densidad de defectos, como hemos comprobado, modificando (empeorando) las características eléctricas. Es por
ello, que decidimos evaluar la resistencia en paralelo Rsh a través de medidas en oscuridad de los cortes P3, en
células con diferente número de procesos de interconexión y con diferentes longitudes. Las células PF8 y PF3
(●,●) se analizaron con scribes P3 frenando encima del contacto. Las células PE8, PH1 y PH4 (▲▲▲) se
evaluaron con el generador de retardo. La gráfica B (Rsh vs. Número de procesos P3, figura 8) revela la
influencia del número de frenados, por tanto del número de procesos, en el valor de la resistencia en paralelo de
las células PF8 y PF3 (procesos sucios). Sin embargo los procesos controlados externamente (procesos limpios)
correspondientes a las células PE8, PH1 y PH4, no muestran tal dependencia, como tampoco con la longitud
total de procesos de interconexión realizados (gráfica A). En ella, observamos que para longitudes de hasta 100
mm, la Rsh tiene valores similares que para longitudes totales de 29 mm, por tanto, no existe una dependencia en
la disminución de la resistencia en paralelo con la longitud de los procesos P3. En el caso de los cortes usando el
generador de retardo (▲▲▲), esta dependencia no se observa en ninguna de las células tratadas.
A
B
Fig. 8. Izquierda.- Resistencia en paralelo Rsh frente a la longitud total acumulada en los P3. Derecha.- Rsh
frente al número procesos P3. Los cortes en las células PF3 y PF8 han sido evaluados usando sólo el
galvanómetro, mientras que las células PE8, PH4 y PH1 los procesos se han controlado externamente.
Con el estudio paramétrico realizado, se fabricó un módulo de 8 células con una clara mejoría de las
características eléctricas respecto de otro fabricado con anterioridad, sin esa optimización paramétrica. En este,
los datos eléctricos obtenidos fueron, factor de forma FF = 45.8 %, eficiencia η = 5 %, el voltaje en circuito
abierto de cada célula Voc= 0.55 V, mientras que con la optimización de los procesos descritos en este trabajo,
el módulo fabricado tiene un factor de forma FF = 62.6, eficiencia η = 7.1 %, el voltaje en circuito abierto de
cada célula Voc= 0.85 V.
CONCLUSIONES
Los efectos del segundo y el tercer proceso de interconexión por láser en la fabricación de módulos de lámina
delgada han sido analizados. Para aislar posibles defectos de los procesos láser, previos al P3, se evaluó
individualmente dicho corte en células individuales. Debido a las altas velocidades de mecanizado
(metros/segundo), las inercias de los galvanómetros y de la mesas de posicionamiento son altas. A través de
diferentes métodos de fabricación, se ha confirmado la gran influencia de dichos métodos en la formación de
defectos que empeoran los parámetros eléctricos, existiendo una relación directa entre la disminución de la
resistencia en paralelo Rsh y el número de procesos, pero no encontrando un empeoramiento de los dispositivos
fotovoltaicos con la longitud total acumulada con los cortes P3. Si por el contrario se emplean técnicas de control
de haz mediante generadores de retardo, los procesos de interconexión no modifican las características eléctricas
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de los dispositivos, pese al número de procesos realizados y a la longitud total de los mismos. Los procesos de
interconexión P2 han sido evaluados en módulo, mediante el empleo de máscaras de fabricación que posibilitan
medidas eléctricas en células individuales y a través de los propios cortes P2. Con este método de fabricación de
la estructura que componen los módulos fotovoltaicos, hemos podido optimizar los procesos P2 tanto para la no
generación de defectos con láser, así como la optimización del depósito del contacto trasero. Finalmente y con la
optimización de los procesos de depósito e interconexión monolítica, se ha obtenido una mejora de un 2% en la
eficiencia de un módulo de 8 células, igualando los valores obtenidos en la fabricación de células individuales
sin procesos de interconexión láser.
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