The cost reductions and the environmental benefits aligned with global concerns about climate change have made solar photovoltaic technology the most installed source of energy in the power sector worldwide. Brazil has the largest know reserves of silicon in the world. Therefore, there is a huge potential for developing a national technology for purifying and manufacturing silicon wafers within an increasingly competitive and efficient photovoltaic industry. The IPEN initiative of investigating the production of metallic silicon and metallurgical route purification required a characterization of samples in different stages of production from quartz to wafer and understanding the characterization methods for silicon wafers taking into account the main defect mechanisms such as light-induced degradation. Metalic silicon is produced in IPEN via magnesiothermal reduction through acid leaching to form a metallurgical grade silicon with relatively low impurities. One more acid leaching step resulted in a specific ultra-metallurgical grade silicon. The same acid leaching was processed in a commercially available Brazilian-made metallurgical grade silicon produced via carbothermal reduction. All samples impurities was measured by ICP-OES. The result is a material with ultra-metallurgical grade silicon content with excess of B and P. While wafer characterization was studied, an extensive investigation was taken on LeTID, which causes remain unknown, at Institute for Energy Technology, Norway. Neighboring high performance mc-Si p-type wafers were tested in different firing process conditions. The effects was investigated in terms of defects activation and a corresponding lifetime degradation and recovery at illuminated annealing. A sample with almost fully suppressed LeTID is shown. A new method have been proposed to separate Boron Oxygen-Light Induced Degradation effects of LeTID, enabling to measure even where it was thought to be fully suppressed. New models for LeTID defect formation and suppression are proposed. Both silicon purification and light-induced degradation characterization in mc-Si studies shows a wide range of research on new production routes that may require tailored processes of crystallization and solar cell manufacturing such as gettering and firing. / As reduções de custos e benefícios ambientais alinhadas às preocupações globais com as mudanças climáticas tornaram a tecnologia solar fotovoltaica a fonte de energia mais instalada no setor de energia do mundo. O Brasil possui as maiores reservas conhecidas de silício. Portanto, existe um enorme potencial para o desenvolvimento de uma tecnologia nacional para purificação e fabricação de wafers de silício dentre a indústria fotovoltaica cada vez mais competitiva e eficiente. A iniciativa do IPEN de investigar a produção de silício metálico e a purificação de rotas metalúrgicas exigiu a caracterização de amostras em diferentes estágios de produção, do quartzo ao wafer e a compreensão dos métodos de caracterização dos wafers de silício, levando em consideração os principais mecanismos de defeitos, como a degradação induzida pela luz. O silício metálico é produzido no IPEN através da redução magnesiotérmica através da lixiviação ácida para formar um silício de grau metalúrgico com impurezas relativamente baixas. Mais uma etapa de lixiviação ácida resultou em um silício de grau ultra-metalúrgico específico. A mesma lixiviação foi feita em um silício de grau metalúrgico fabricado no Brasil, disponível comercialmente, produzido por redução carbotérmica. Todas as amostras foram medidas por ICP-OES. O resultado é um material com teores de silício de grau ultra-metalúrgico e excesso de B e P. Enquanto a caracterização do wafer foi estudada, uma extensa investigação foi realizada sobre o LeTID, que tem causas desconhecidas, no Institute for Energy Technology, Noruega. Os wafers vizinhos de mc-Si do tipo-p de alto desempenho foram testados em diferentes condições do processo de firing. Os efeitos foram investigados em termos de ativação de defeitos e uma correspondente degradação e recuperação no lifetime sob recozimento iluminado. Uma amostra com LeTID quase totalmente suprimido é mostrada. Um novo método foi proposto para separar os efeitos de Degradação Induzida por Luz relacionados ao Oxigênio e Boro do LeTID, permitindo até medir onde se pensava que estivesse totalmente suprimido. Novos modelos para formação e supressão de defeitos LeTID são propostos. Tanto a purificação de silício quanto a caracterização de degradação induzida pela luz nos estudos de mc-Si mostram uma ampla gama de pesquisas sobre novas rotas de produção que podem exigir processos personalizados de cristalização e fabricação de células solares, como gettering e firing.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-19092019-141733 |
| Date | 24 July 2019 |
| Creators | Knob, Daniel |
| Contributors | Riella, Humberto Gracher |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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