O trabalho realizado nesta tese esteve apoiado em dois objetivos principais. O primeiro centrado na otimização das etapas e processos de fabricação de células solares de silício de alto rendimento envolvendo redução de custos. O segundo objetivo foi direcionado na implementação de células solares eficientes e não dependentes do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. Para levar a cabo estes objetivos de forma planejada, o trabalho dividiu-se em otimizações teóricas e implementações experimentais. As otimizações teóricas foram realizadas utilizando dois programas: um programa desenvolvido (simulacell.pas) e implementado no próprio LME (versão 2), e o outro adquirido comercialmente, PC1D. De acordo com os resultados obtidos em estruturas completas n+p e n++n+p foi possível concluir que tanto as estruturas formadas através de emissores homogêneos como as obtidas utilizando emissores duplamente difundidos permitem alcançar eficiências elevadas, 25,5% a 26,0%, respectivamente, em um amplo intervalo de espessuras e concentrações superficiais de dopantes. No que tange aos desenvolvimentos experimentais, este trabalho se inicia com o desenvolvimento de um processo simplificado de baixo custo, em células solares de silício Cz de baixa resistividade com estrutura n+pp+, tipo \"mesa\". Este processo simplificado também está baseado na difusão de fósforo e alumínio (P/Al), utilizando gases industriais e reagentes químicos de grau \"para análise\", como uma transposição do processo de fabricação anteriormente desenvolvido no LME-EPUSP em substratos de silício FZ utilizando tecnologia planar. A célula solar mais representativa do processo implementado, A-16-1, permitiu atingir eficiências no entorno de 17%. As implementações experimentais visaram inicialmente o desenvolvimento de um procedimento visando à qualificação de materiais de partida (silício), utilizando a técnica de decaimento fotocondutivo (PCD) através de dois procedimentos de passivação de superfícies; oxidações térmicas e difusões suaves de fósforo. Posteriormente, utilizando o sistema PCD, novas otimizações dos emissores de tipo n+ homogêneos e regiões de tipo p foram realizadas, seguidos por oxidações térmicas passivadoras hidrogenadas, preservando-se o tempo de vida do volume em valores elevados (aproximadamente 1ms, após a realização de todas as etapas térmicas). Estes resultados qualificam o silício e os materiais de consumo utilizados, assim como, o novo processo de fabricação desenvolvido. Esta técnica também permitiu qualificar os emissores com perfil Gaussianos processados, atingindo valores da ordem de 45fA/cm2 para densidades de recombinação em estruturas n+pn+. Desenvolveram-se também estruturas n+p em materiais Cz de baixa resistividade 2-3W.cm de dois diferentes fabricantes, e silício FZ com 0,5W.cm. Pôde ser comprovada a qualidade das etapas que compõem o processo completo otimizado tendo-se obtido tensões de circuito aberto-implícitas de 652,4mV (Si-Cz fabricante 1) e 662,6mV (Si-Cz fabricante 2), e 670,8mV (FZ). De acordo com simulações realizadas utilizando parâmetros habituais de dispositivos do próprio LME, estas tensões, quando associadas a um conjunto óptico frontal típico das células solares de alto rendimento do LME (texturização química aleatória e filme de SiO2), permitirão atingir valores entre 19% - 20%. Entretanto, utilizando texturização e camada dupla torna-se plausível atingir o marco de 21% de rendimento, ultrapassando assim a barreira dos 17% (recorde nacional), e comprovando a potencialidade da infra-estrutura deste laboratório para o desenvolvimento de células solares não dependentes do efeito do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. / The work developed at this thesis has been based on two main objectives. First, it was focused on the optimization of the steps and processes for the fabrication of high efficiency solar cells, reducing production costs. The latter objective was directed to develop solar cells that were efficient and non-dependent on impurities gettering performed through the aluminum diffusion. In order to attend the planned objectives the work was divided into the theoretical objectives and experimental developments. The theoretical optimizations were performed using two different program codes: one was developed at LME (simulacell.pas), being upgraded afterwards (version 2); and the other was acquired commercially, the PC1D. According to the obtained results in complete structures n+p and n++n+p, it was possible to conclude that the homogeneous and double diffused emitter structures can provide high efficiencies, from 25,5% to 26,0%, respectively, for a wide range of thicknesses and surface doping levels. Concerning the experimental developments, this work starts with a low cost simplified process, using Cz silicon solar cells with low base resistivity and the structure n+pp+, \"mesa\" type. This simplified process was also based on the phosphorus/ aluminum diffusion (P/Al), using industrial gases and for analysis grade chemical reagents, as a fabrication process transposition of the process previously developed at LME-EPUSP using silicon substrates with planar technology. The most representative solar cells of the implemented process, A-16-1, provided about a 17% efficiency. The experimental implementations aimed the development of procedure for starting material (silicon) qualification, by using the photoconductive decay technique (PCD) with two surface passivation procedures: thermal oxidation and light phosphorus diffusion. Later, using PCD system, new optimizations of n+ homogeneous emitters and p-type region were performed, followed by passivating thermal oxidations with hydrogenation, maintaining the volume lifetime at high values (approximately 1ms, after each thermal step). These results qualified the used silicon and the consumer materials, as well the new fabrication process developed. This technique has also allowed qualifying the processed Gaussian profile emitters, providing values about 45fA/cm2 for the recombination current density in n+pp+ structures. N+p structures were also developed using Cz silicon with low resistivity 2- 3W.cm of two different manufacturers and FZ with 0.5W.cm. It could be proved the quality of the steps of a complete optimized process resulting implicit open circuit voltages of 652.4mV (Cz silicon - manufacturer type 1), 662.6mV (Cz silicon - manufacturer type 2), and 670.8mV (FZ silicon). According to the theoretical simulations performed using the usual parameters of devices processed at LME (random chemical texturization and SiO2 film), efficiencies between 19%-20% can be reached. However, using a random texturization and a double layer anti-reflection system, a 21% efficiency becomes possible, surpassing the 17% barrier (national record), and proving the potentiality of this laboratory facility for the development of solar cells non-dependent on impurity gettering through the aluminum diffusion.

O trabalho realizado nesta tese esteve apoiado em dois objetivos principais. O primeiro centrado na otimização das etapas e processos de fabricação de células solares de silício de alto rendimento envolvendo redução de custos. O segundo objetivo foi direcionado na implementação de células solares eficientes e não dependentes do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. Para levar a cabo estes objetivos de forma planejada, o trabalho dividiu-se em otimizações teóricas e implementações experimentais. As otimizações teóricas foram realizadas utilizando dois programas: um programa desenvolvido (simulacell.pas) e implementado no próprio LME (versão 2), e o outro adquirido comercialmente, PC1D. De acordo com os resultados obtidos em estruturas completas n+p e n++n+p foi possível concluir que tanto as estruturas formadas através de emissores homogêneos como as obtidas utilizando emissores duplamente difundidos permitem alcançar eficiências elevadas, 25,5% a 26,0%, respectivamente, em um amplo intervalo de espessuras e concentrações superficiais de dopantes. No que tange aos desenvolvimentos experimentais, este trabalho se inicia com o desenvolvimento de um processo simplificado de baixo custo, em células solares de silício Cz de baixa resistividade com estrutura n+pp+, tipo \"mesa\". Este processo simplificado também está baseado na difusão de fósforo e alumínio (P/Al), utilizando gases industriais e reagentes químicos de grau \"para análise\", como uma transposição do processo de fabricação anteriormente desenvolvido no LME-EPUSP em substratos de silício FZ utilizando tecnologia planar. A célula solar mais representativa do processo implementado, A-16-1, permitiu atingir eficiências no entorno de 17%. As implementações experimentais visaram inicialmente o desenvolvimento de um procedimento visando à qualificação de materiais de partida (silício), utilizando a técnica de decaimento fotocondutivo (PCD) através de dois procedimentos de passivação de superfícies; oxidações térmicas e difusões suaves de fósforo. Posteriormente, utilizando o sistema PCD, novas otimizações dos emissores de tipo n+ homogêneos e regiões de tipo p foram realizadas, seguidos por oxidações térmicas passivadoras hidrogenadas, preservando-se o tempo de vida do volume em valores elevados (aproximadamente 1ms, após a realização de todas as etapas térmicas). Estes resultados qualificam o silício e os materiais de consumo utilizados, assim como, o novo processo de fabricação desenvolvido. Esta técnica também permitiu qualificar os emissores com perfil Gaussianos processados, atingindo valores da ordem de 45fA/cm2 para densidades de recombinação em estruturas n+pn+. Desenvolveram-se também estruturas n+p em materiais Cz de baixa resistividade 2-3W.cm de dois diferentes fabricantes, e silício FZ com 0,5W.cm. Pôde ser comprovada a qualidade das etapas que compõem o processo completo otimizado tendo-se obtido tensões de circuito aberto-implícitas de 652,4mV (Si-Cz fabricante 1) e 662,6mV (Si-Cz fabricante 2), e 670,8mV (FZ). De acordo com simulações realizadas utilizando parâmetros habituais de dispositivos do próprio LME, estas tensões, quando associadas a um conjunto óptico frontal típico das células solares de alto rendimento do LME (texturização química aleatória e filme de SiO2), permitirão atingir valores entre 19% - 20%. Entretanto, utilizando texturização e camada dupla torna-se plausível atingir o marco de 21% de rendimento, ultrapassando assim a barreira dos 17% (recorde nacional), e comprovando a potencialidade da infra-estrutura deste laboratório para o desenvolvimento de células solares não dependentes do efeito do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. / The work developed at this thesis has been based on two main objectives. First, it was focused on the optimization of the steps and processes for the fabrication of high efficiency solar cells, reducing production costs. The latter objective was directed to develop solar cells that were efficient and non-dependent on impurities gettering performed through the aluminum diffusion. In order to attend the planned objectives the work was divided into the theoretical objectives and experimental developments. The theoretical optimizations were performed using two different program codes: one was developed at LME (simulacell.pas), being upgraded afterwards (version 2); and the other was acquired commercially, the PC1D. According to the obtained results in complete structures n+p and n++n+p, it was possible to conclude that the homogeneous and double diffused emitter structures can provide high efficiencies, from 25,5% to 26,0%, respectively, for a wide range of thicknesses and surface doping levels. Concerning the experimental developments, this work starts with a low cost simplified process, using Cz silicon solar cells with low base resistivity and the structure n+pp+, \"mesa\" type. This simplified process was also based on the phosphorus/ aluminum diffusion (P/Al), using industrial gases and for analysis grade chemical reagents, as a fabrication process transposition of the process previously developed at LME-EPUSP using silicon substrates with planar technology. The most representative solar cells of the implemented process, A-16-1, provided about a 17% efficiency. The experimental implementations aimed the development of procedure for starting material (silicon) qualification, by using the photoconductive decay technique (PCD) with two surface passivation procedures: thermal oxidation and light phosphorus diffusion. Later, using PCD system, new optimizations of n+ homogeneous emitters and p-type region were performed, followed by passivating thermal oxidations with hydrogenation, maintaining the volume lifetime at high values (approximately 1ms, after each thermal step). These results qualified the used silicon and the consumer materials, as well the new fabrication process developed. This technique has also allowed qualifying the processed Gaussian profile emitters, providing values about 45fA/cm2 for the recombination current density in n+pp+ structures. N+p structures were also developed using Cz silicon with low resistivity 2- 3W.cm of two different manufacturers and FZ with 0.5W.cm. It could be proved the quality of the steps of a complete optimized process resulting implicit open circuit voltages of 652.4mV (Cz silicon - manufacturer type 1), 662.6mV (Cz silicon - manufacturer type 2), and 670.8mV (FZ silicon). According to the theoretical simulations performed using the usual parameters of devices processed at LME (random chemical texturization and SiO2 film), efficiencies between 19%-20% can be reached. However, using a random texturization and a double layer anti-reflection system, a 21% efficiency becomes possible, surpassing the 17% barrier (national record), and proving the potentiality of this laboratory facility for the development of solar cells non-dependent on impurity gettering through the aluminum diffusion.

L'élaboration de composites à matrice céramique denses et à fibres continues multidirectionnelles par de nouveaux procédés hybrides a été étudiée. Les procédés développés reposent sur le dépôt d'interphases autour des fibres par Infiltration Chimique en phase Vapeur (CVI) puis sur l'introduction de poudres céramiques au sein de préformes fibreuses par infusion de suspensions aqueuses colloïdales concentrées et stables, et enfin sur la consolidation des préformes soit par frittage flash, soit par imprégnation réactive de métaux liquides.La consolidation des composites par frittage flash est très rapide (palier de maintien en température inférieure à 5 minutes) et permet d'obtenir des composites denses. Durant le frittage, la dégradation des fibres de carbone a pu être évitée en adaptant le cycle de pression afin de limiter l'évolution des gaz au sein du système.La densification totale des composites par imprégnation de métaux liquides a été obtenue en contrôlant attentivement les paramètres d'imprégnation afin d'éviter de piéger des espèces gazeuses au sein des préformes fibreuses.Les composites à fibres de carbone consolidés par frittage flash ou par imprégnation réactive de métaux liquide possèdent un comportement mécanique de type élastique endommageable ainsi qu'une contrainte à rupture en flexion voisine de 300 MPa. Ces composites ont montré leur capacité à s'autocicatriser dans des conditions oxydantes. Comparés aux composites à matrice céramiques élaborés par CVI, les composites densifiés par imprégnation de métaux liquide sont eux parfaitement denses et ont un comportement mécanique en traction à température ambiante similaire avec notamment une contrainte à rupture en traction de 220 MPa. / The fabrication of multidirectional continuous carbon fibers reinforced dense self healing Ceramic Matrix Composites by new short time hybrid processes was studied. The processes developed are based, first, on the deposition of fiber interphase and coating by chemical vapor infiltration, next, on the introduction of ceramic powders into the fibrous preform by Slurry Impregnation and, finally, on the densification of the composite by liquid-phase Spark Plasma Sintering (SPS) or by Reactive Melt Infiltration of silicon (RMI).The homogeneous introduction of the ceramic particles into the multidirectional fiber preforms was realized by slurry impregnation from highly concentrated (> 32 %vol.) and well dispersed aqueous colloid suspensions. The densification of the composites by spark plasma sintering was possible with a short (< 5 minutes) dwelling period in temperature. The chemical degradation of the carbon fibers during the fabrication was prevented by adapting the sintering pressure cycle to inhibit gas evolution inside the system. The composites elaborated are dense. The fully densification of the composites by RMI was realised by carefully controlling the impregnation parameters to avoid to entrap some gaseous species inside the fiber preforms. Our carbon fiber reinforced ceramic matrix composites processed by Spark Plasma Sintering or Reactive Melt Infiltration have a damageable mechanical behaviour with a room temperature bending stress at failure around 300 MPa and have shown their ability to self-healing in oxidizing conditions. Compared to the CMC processed by CVI, the composites processed with a final consolidation step by RMI are fully dense and have a similar room temperature tensile test behaviour with an ultimate tensile stress around 220 MPa.