¿Cómo se dopan las células solares?

Supongo que está preguntando sobre el proceso de dopaje físico real, a diferencia de los esquemas de dopaje particulares que generalmente se emplean.

Trasfondo rápido: Dopamos semiconductores, es decir, introducimos impurezas en un cristal puro, para modular sus propiedades eléctricas y, en el caso de las células solares, para crear una unión PN y un campo eléctrico que nos ayude a separar los electrones y los agujeros formados cuando La luz es absorbida.

Supongamos que tenemos una célula solar de silicio que queremos dopar, usando los dopantes típicos boro (para el tipo p) y fósforo (para el tipo n). Para introducir esos átomos de impureza sin dañar la estructura cristalina, podemos tomar varios enfoques diferentes. El más comúnmente utilizado para las células solares es un proceso de dopaje generalizado , en el que una capa de vidrio o pasta que contiene las impurezas deseadas se pone en contacto con el material de la célula solar y luego se calienta. El calentamiento le da a los átomos de impurezas energía térmica adicional, lo que les permite a muchos de ellos romper sus enlaces químicos y difundirse (es decir, viajar al azar) en el material celular, donde algunos logran expulsar átomos intrínsecos (Si) y tomar su lugar como dopantes permanentes.

Pero el dopaje combinado es muy impreciso y no nos permite dopar selectivamente ciertas partes del material. Para obtener un mejor control del proceso de dopaje, así como para simplificar el procesamiento y mejorar la pasivación de la superficie, algunas compañías solares recientemente han pasado al dopaje por implantación de iones . En ese proceso, los átomos de impurezas se aceleran físicamente hacia la superficie del semiconductor y se incrustan en el material, y podemos controlar la profundidad y el perfil de dopaje ajustando la energía del haz de iones como se desee.

Todavía no estoy seguro de cuán extendido está en producción el uso de la implantación de iones, pero además de las técnicas basadas en difusión descritas en otras respuestas, existen herramientas específicas que existen y se venden para la implantación de iones para células solares. Le permiten dopar ligeramente el emisor y las áreas de contacto con mucho dope sin necesidad de un paso de enmascaramiento adicional, lo que debería reducir significativamente el costo si necesita mejorar la eficiencia de la celda. (que realmente es la mejor manera de reducir el costo / vatio ya que los costos de instalación son una proporción tan grande de los costos fotovoltaicos reales en estos días) Consulte el Implantador de iones de Solion® aplicado para obtener más información sobre una herramienta que hace esto. (Divulgación: trabajo para Applied pero no en nada relacionado con el implante).

La mayoría de las células solares de silicio cristalino tienen una base de tipo p (casi todo el grosor de la célula) y un emisor de tipo n muy dopado (el par superior de micras). La región de tipo n tiene una concentración de dopaje de unos pocos órdenes de magnitud más alta que la base de tipo p.

El dopante de tipo p (boro) se agrega durante el proceso de cristalización: se hacen crecer grandes cristales de material de tipo p y se cortan en obleas puramente de tipo p.

Para introducir el dopante de tipo n (fósforo), generalmente se colocan las obleas en un horno de difusión y se hace fluir un gas que contiene fósforo (generalmente POCl3) a alta temperatura. El fósforo difunde un par de micras en la oblea, formando una unión en ambos lados.

Por supuesto, solo desea un cruce en la parte frontal de la oblea. Para eliminar la unión posterior, se imprime un revestimiento de aluminio en la parte posterior. Después de un tratamiento térmico, el aluminio se difunde en la oblea y forma una región de tipo p en la parte posterior mediante contraataque (el aluminio es un dopante de tipo p).