BRPI0417807B1 - Método para a produção de material de alimentação de silício para produzir lingotes de silício multicristalinos ou zona flutuante, solidificados direcionalmente por Czochralski, material de alimentação de silício,e, lingote de silício, ou lâmina ou fita de silício para produzir pastilhas para células solares - Google Patents
Método para a produção de material de alimentação de silício para produzir lingotes de silício multicristalinos ou zona flutuante, solidificados direcionalmente por Czochralski, material de alimentação de silício,e, lingote de silício, ou lâmina ou fita de silício para produzir pastilhas para células solares Download PDFInfo
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Description
“MÉTODO PARA A PRODUçãO DE MATERIAL DE ALIMENTAçãO
DE SILÍCIO PARA PRODUZIR LINGOTES DE SILÍCIO
MULTICRISTALINOS OU ZONA FLUTUANTE, SOLIDIFICADOS
DIRECIONALMENTE POR CZOCHRALSKI, MATERIAL DE
ALIMENTAçãO DE SILÍCIO, E, LINGOTE DE SILÍCIO, OU LÂMINA
OU FITA DE SILÍCIO PARA PRODUZIR PASTILHAS PARA CÉLULAS SOLARES” Campo Técnico A presente invenção está relacionada a material de alimentação de silício para pastilhas para células solares, a pastilhas para células solares, a células solares e a método para produção de material de alimentação de silício para a produção de pastilhas para células solares.
Fundamentos da Tecnologia Nos anos recentes, as células solares fotovoltaicas (PV) têm sido produzidas de polisilício grau eletrônico virgem puro (EG-Si) suplementado por sucatas apropriadas, recortes e rejeitos da indústria eletrônica de chips. Como resultado da recente queda na produção sofrida pela indústria de eletrônicos, a capacidade de produção ociosa de polisilício foi adaptada para tomar disponíveis graus de custo mais baixo apropriados para fabricação de células solares PV. Isto trouxe um alívio temporário a um mercado, de outra forma tenso, para as qualidades de material de alimentação de silício grau solar (SoG-Si). Com a demanda por dispositivos eletrônicos retomando aos níveis normais, uma fatia maior da capacidade de produção de polisilício é esperada ser alocada de volta para suprir a indústria de eletrônicos, deixando a indústria de PV com falta de suprimento. A falta de uma fonte dedicada, com baixo custo, de SoG-Si e a resultante lacuna de suprimento que se desenvolve, é considerada no momento como uma das mais sérias barreiras para maior crescimento da indústria de PV.
Nos anos recentes também, diversas tentativas têm sido feitas para desenvolver novas fontes de SoG-Si que venham a ser independentes da cadeia valiosa da indústria de eletrônicos. Esses esforços englobam a introdução de novas tecnologias para as rotas correntes de processos para polisilício para, de forma significativa, reduzir custos, bem como para o desenvolvimento de processos metalúrgicos de refino para purificação do silício tipo metalúrgico (MG-Si), disponível de forma abundante, ao grau necessário de pureza. Até o presente nenhum deles tem obtido sucesso em reduzir de forma significativa o custo de produção e, ao mesmo tempo, proporcionar ao material de alimentação de silício a pureza esperada, que seja aquela requerida para igualar ao desempenho de células solares PV produzidas de material de alimentação de silício convencional com as qualidades atuais.
Para a produção de células solares PV, um material de alimentação de SoG-Si é preparado, fundido e direcionalmente solidificado na forma de um lingote quadrado, em um fomo de moldagem especializado.
Antes da fusão, a carga contendo o material de alimentação de SoG-Si é dopada ou com boro, ou com fósforo, para produzir lingotes tipo-p ou tipo-n, respectivamente. Com poucas exceções, as células solares comerciais produzidas hoje em dia são baseadas em material de alimentação de lingote de silício do tipo-p. A adição de um único dopante (e.g., boro ou fósforo) é controlada para a obtenção de uma resistividade elétrica preferida no material de alimentação, como por exemplo, na faixa entre 0,5 - 1,5 ohm cm. Isto corresponde a uma adição de 0,02 - 0,2 ppma de boro quando um lingote do tipo-p é desejado, e uma qualidade intrínseca (silício pratícamente puro com teor desprezível de dopantes) do material de alimentação de SoG-Si é usado. O procedimento de doping assume que o teor do outro dopante (neste caso de exemplo o fósforo) é desprezível (P < 1/10 B).
Caso um material de alimentação S0G-S1 com dopagem única com uma determinada resistividade seja usado em diversos níveis de adição à carga, a adição do dopante é ajustada para levar em consideração a quantidade já contida no material de alimentação previamente dopado.
Qualidades de material de alimentação com dopagem úmca dos tipos n e p podem ser misturadas também com a carga para obter um assim denominado lingote “compensado”. O tipo e a resistividade de cada componente da carga misturada precisam ser conhecidos para obter as propriedades desejadas do lingote.
Após a moldagem, o lingote solidificado é cortado em blocos com a característica das células solares resultantes, como por exemplo, com uma área de superfície de 125 mm x 125 mm. Os blocos são cortados em fatias formando pastilhas desenvolvidas por equipamento de serra de múltiplos fios comercial.
As células solares PV são produzidas das pastilhas por meio de numerosas etapas de processo das quais as mais importantes são ataque químico da superfície, difusão do emissor de POCl3, deposição SiN PECVD, isolamento da borda e formação dos contatos anteriores e posteriores.
Descrição da Invenção Pela presente invenção foi descoberto agora que células solares PV que atendem a objetivos de eficiência comerciais podem ser produzidas de material de alimentação de SoG-Si produzido de silício tipo metalúrgico por meio de processos metalúrgicos de refino projetados especificamente para aplicação em material de alimentação para células solares PV.
Assim sendo, de acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção está relacionada a material de alimentação de silício para produção de lingotes de silício multicristalinos ou zona flutuante solidificados direcionalmente por Czochralski, lâminas ou fitas de silício para produção de pastilhas de silício para células solares PV, onde o material de alimentação de silício é caracterizado pelo fato de que ele contém entre 0,2 e 10 ppma de boro e entre 0,1 e 10 ppma de fósforo, distribuídos no material de alimentação.
De acordo com uma forma de realização preferida o material de alimentação de silício contém entre 0,3 e 5,0 ppma de boro e entre 0,5 e 3,5 ppma de fósforo.
De acordo com outra forma de realização preferida, o material de alimentação de silício (SoG-Si) compreende menos de 150 ppma de elementos metálicos e de preferência menos de 50 ppma de elementos metálicos.
De acordo com ainda outra forma de realização preferida, o material de alimentação de silício contém menos de 150 ppma de carbono, sendo mais preferido menos de 100 ppma de carbono. O material de alimentação de silício da presente invenção difere substancialmente de uma carga misturada composta de diversas qualidades de materiais de alimentação de silício contendo boro ou fósforo descritos acima, pelo fato de que ele contém níveis mais elevados de ambos, boro e fósforo. Foi descoberto de forma surpreendente que o material de alimentação de silício da presente invenção pode ser usado para produzir células solares que possuem uma eficiência tão boa como as células solares comerciais produzidas de silício grau eletrônico. O material de alimentação de silício da presente invenção pode ser usado para produzir lingotes de silício multicristalinos ou zona flutuante solidificados direcionalmente por Czochralski, lâminas ou fitas de silício, para produção de pastilhas para células solares de alta eficiência. Os lingotes, lâminas ou fitas de silício produzidos de material de alimentação de silício deverão conter entre 0,2 ppma e 10 ppma de boro e entre 0,1 ppma e 10 ppma de fósforo, e deverão ter uma mudança de tipo característica de tipo-p para tipo-π ou de tipo-n para tipo-p em uma posição entre 40 e 99 % da altura do lingote ou espessura da folha ou da fita. O perfil de resistividade dos lingotes solidificados direcionalmente produzidos do material de alimentação da presente invenção é descrito por uma curva que possui um valor de partida entre 0,4 e 10 ohm cm, onde o valor da resistivídade aumenta no sentido do ponto de mudança de tipo.
De acordo com um segundo aspecto, a presente invenção está relacionada a um lingote de silício multicristalmos ou zona flutuante solidificados direcionalmente por Czochralski, lâminas ou fitas de silício, para produção de pastilhas para células solares, onde os lingotes, lâminas ou fitas de silício contêm entre 0,2 ppma e 10 ppma de boro e entre 0,1 ppma e 10 ppma de fósforo, o dito lingote de silício possuindo uma mudança de tipo de tipo-p para tipo-n ou de tipo-n para tipo-p em uma posição entre 40 e 99 % da altura do lingote ou espessura da folha ou da fita, e possuindo um perfil de resistivídade descrito por uma curva que possui um valor de partida entre 0,4 e 10 ohm cm, e onde o valor da resistivídade aumenta no sentido do ponto de mudança de tipo.
De acordo com uma forma de realização preferida, o lingote de silício, a lâmina ou a fita, possuem um valor de partida da resistivídade entre 0,7 e 3 ohm cm.
De acordo com um terceiro aspecto, a presente invenção está relacionada a método para produção de material de alimentação de silício para produzir lingotes de silício multicristalinos ou zona flutuante solidificados direcionalmente por Czochralski, lâminas ou fitas de silício, para produção de pastilhas de silício para células solares PV, método esse caracterizado pelo fato de que o silício tipo metalúrgico produzido em um forno de arco elétrico por forno de redução carbotérmica e contendo até 300 ppma de boro e até 100 ppma de fósforo, é submetido às seguintes etapas de refino: a) tratamento do silício tipo metalúrgico com uma escória de cálcio- silicato para reduzir o teor de boro do silício para entre 0,2 ppma e 10 ppma; b) solidificar o silício tratado com a escória da etapa a); c) lixiviar o silício da etapa b) com pelo menos uma etapa de lixiviação por uma solução de lixiviação ácida para remoção de impurezas; d) fundir o silício da etapa c); e) solidificar o silício fundido da etapa d) na forma de um lingote com uma solidificação direcional; f) remover a parte superior do lingote solidificado da etapa e) para proporcionar um lingote de silício contendo de 0,2 a 10 ppma de boro e de 0,1 a 10 ppma de fósforo; g) triturar e/ou dimensionar o silício da etapa f).
Foi descoberto que o material de alimentação de silício produzido de acordo com este método é bem apropriado para a produção de lingotes solidificados direcionalmente, lâminas e fitas, para a produção de pastilhas para células solares que possuem uma eficiência comparável às células solares comerciais.
Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 é um diagrama que mostra a resistividade como uma função da altura do lingote, para um primeiro lingote de silício de acordo com a invenção, e, A Figura 2 é um diagrama que mostra a resistividade como uma função da altura do lingote, para um segundo lingote de silício de acordo com a invenção.
Descrição Detalhada da Invenção Exemplo 1 Produção de material de alimentação de silício Silício tipo metalúrgico comercial, produzido por redução carbotérmica em um forno de arco elétrico, toi tratado com uma escória de silicato de cálcio para remover prmcipalmente boro. O boro toi extraído do silício fundido para a fase de escória. O silício foi solidificado com cristais de silício muito puros, enquanto as impurezas permaneciam no material de alimentação em fusão até que a maior parte do silício tinha solidificado. As impurezas terminaram nos limites de separação dos grãos do silício solidificado. O silício solidificado foi submetido a uma lixiviação ácida, em consequência da qual as fases intergranulares foram atacadas e dissolvidas juntamente com as impurezas. O silício granular não-dissolvido remanescente foi fundido e refinado ainda mais para ajustar a composição antes da trituração e peneiramento para obter um material de alimentação de silício para silício grau solar.
Pelo método acima, duas cargas de material de alimentação de silício foram produzidas. Os teores de boro e de fósforo das duas amostras de material de alimentação de silício estão mostrados na Tabela 1.
Exemplo 2 Produção de lingote de silício direcionalmente solidificado, pastilhas e células solares O material de alimentação de silício produzido de acordo com o método descrito no Exemplo 1 foi usado para produzir dois lingotes de silício solidificados direcionalmente de acordo com a invenção. Pastilhas de Si multicristalmas comerciais foram usadas como referência. Um forno Crystalox DS250 foi usado para produzir o lingote. Um cadinho circular de quartzo com um diâmetro interno de 25,5 cm e 20 cm de altura, capaz de conter cerca de 12 kg de material de alimentação foi usado. Os lingotes crescidos foram transformados e blocos quadrados com 100 cm' e 156 cm2, que foram em seguida feitos em fatias, por uma serra, formando pastilhas.
Desses blocos, um grande numero de pastilhas, com espessuras na faixa de 300 - 330 μτη, foram produzidas para processamento e formação de células.
Os teores de boro e de fósforo a 20 % da altura dos dois lingotes estão mostrados na Tabela 2. A resistividade em massa das pastilhas conforme cortadas foi medida através de todos os blocos por uma sonda de quatro pontos em pelo menos cada quinta pastilha, de baixo para cima. Os perfis da resistividade em massa dos lingotes Nos. 1 e 2 estão mostrados na Figura 1 e na Figura 2, respectivamente. As Figuras 1 e 2 mostram que a resistividade é substancialmente constante da parte inferior do lingote até cerca de 3/4 da altura do lingote, quando o material de alimentação muda de tipo-p para tipo- n.
Claims (7)
1. Mctodo para produção de material de alimentação de silício para produzir lingotes de silício multicristalinos ou zona flutuante, solidificados direcionalmeme por C/ochralski, lâminas ou fitas de silício para produção de pastilhas de silício para células solares fotovoltaicas. caracteriz-üdo pelo fato de que silício tipo metalúrgico produzido em um forno de arco elétrico por fomo de redução carbotérmica e contendo até 300 ppma dc boro c até 100 ppma de fósforo c submetido us seguintes etapas de refino: a) tratamento do silício tipo metalúrgico com uma escória dc cálcio-silicato para reduzir o teor de boro do silício para entre 0,2 ppma e 10 ppma: b) solidificar o silício tratado com a escória da etapa a); c) lixiviar o silício da etapa b) com pelo menos uma etapa de lixiviação por uma solução de lixiviação ácida para remoção de impurezas; d) fundir o silício da etapa c); c) solidificar o silício fundido da etapa d) na forma dc um lingote com uma solidificação direcional; D remover a parte superior do lingote solidificado da etapa c) para proporcionar um lingote de silício contendo dc 0,2 a 10 ppma de boro c de 0,1 a 10 ppma de fósforo e tendo uma mudança de tipo de tipo-p para lipo- n, ou de tipo-n para tipo-p. em uma posição entre 40 e 99% da altura do lingote; g) triturar e/ou dimensionar o silício da etapa f).
2. Material de alimentação de silício, obtido pela etapa a) do processo como definido na reivindicação I, pura produzir lingotes dc silício multicristalinos ou zona flutuante, solidificados dirccionalmcntc por Czochralski, lâminas ou fitas de silício para a produção de pastilhas de silício para células solares fotovoltaicas, caracterizado pelo fato de que o material de alimentação de silício contém entre 0,2 c 10 ppma dc boro. entre 0,1 e 10 ppma de fósforo, menos de 150 ppma de carbono e menos de 150 ppma de elementos metálicos distribuídos no material de alimentação.
3. Material de alimentação de silício de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o material de alimentação de silício contém entre 0,3 e 5,0 ppma de boro e entre 0,5 e 3,5 ppma de fósforo.
4. Material de alimentação de silício de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o material de alimentação de silício compreende menos de 50 ppma de elementos metálicos.
5. Material de alimentação de silício de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o material de alimentação de silício contém menos de 100 ppma de carbono.
6. Lingote de silício multicristalino ou zona flutuante, direcionalmente solidificado por Czochralski, ou lâmina ou fita de silício para produzir pastilhas para células solares, obtido pelo processo como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o lingote de silício, a lâmina ou a fita contêm entre 0,2 ppma e 10 ppma de boro e entre 0,1 ppma e 10 ppma de fósforo, distribuídos no lingote, o dito lingote de silício possuindo uma mudança de tipo de tipo-p para tipo-n, ou de tipo-n para tipo-p, em uma posição entre 40 e 99% da altura do lingote, ou da espessura da folha ou da fita, e possuindo um perfil de resistividade descrito por uma curva que possui um valor de partida entre 0,4 e 10 ohm cm e onde o valor da resistividade aumenta no sentido do ponto de mudança de tipo.
7. Lingote de silício multicristalino direcionalmente solidificado, lâmina ou fita de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o valor de partida da resistividade se acha entre 0,7 e 3 ohm cm.
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