Experiment 1

Geralmente a degradação de um dispositivo dá-se pela ação de defeitos (discordâncias, falhas de empilhamento e precipitados) ou de impurezas. Os metais têm grande mobilidade, e, por exemplo, um átomo de cobre pode se difundir ao longo de 600 µm em um minuto a 900 °C e um átomo de ferro levam 30 minutos a 1000 °C para se deslocar 3000 µm. Essas impurezas têm grande probabilidade de serem capturadas nos defeitos [29].

Entretanto, em alguns casos, onde o espaçamento interatômico é grande, ou seja, onde os átomos não estão tão densamente empacotados, um interstício pode ser ocupado por um átomo da própria rede cristalina. Os exemplos mais comuns de átomos intersticiais encontrados em ligas metálicas são o hidrogênio, boro, carbono, nitrogênio e oxigênio e, como no caso anterior, podem ter sido introduzidos propositalmente ou não.

A presença de defeitos pode prejudicar o funcionamento do dispositivo. Para diminuir a influência das impurezas indesejáveis e dos defeitos pode-se atuar de duas formas [30]:

- Diminuir a nucleação de defeitos. Os procedimentos para isso compreendem o controle das condições dos processos térmicos durante a fabricação da lâmina, de modo a diminuir o excesso de tensões térmicas e, portanto, das discordâncias.

- Remover parcialmente os defeitos existentes. A remoção de defeitos pré-existentes pode ser obtida com tratamentos térmicos a altas temperaturas.

Para melhorar a qualidade do substrato durante o processamento da célula solar ou em etapas específicas pode-se utilizar o gettering, que pode ser extrínseco, intrínseco e químico.

O gettering é extrínseco quando envolve meios externos, tais como tratamento a alta temperatura ou difusão de dopantes. O gettering é intrínseco quando se utilizam defeitos já existentes na própria rede cristalina. O mecanismo de gettering extrínseco é mais utilizado em células solares, pois há captura e desativação das impurezas.

O mecanismo de gettering intrínseco tem como objetivo criar uma tensão na rede cristalina e gerar discordâncias, onde precipitam as impurezas metálicas, ou seja, “armadilhas”. Este tipo de gettering é muito usado na fabricação de circuitos integrados.

Cabe comentar que o gettering intrínseco não é utilizado no processamento de células solares porque estes são dispositivos “de volume”, isto é, toda a extensão da lâmina deve ser mantida com elevados valores do tempo de vida de portadores minoritários para altas eficiências serem alcançadas.

O gettering químico baseia-se na eliminação de impurezas mediante reações físico-químicas e químicas superficiais antes que estas difundam para o interior da lâmina. Por exemplo, o uso de halogênios nos fluxos de gases, nos fornos de difusão e oxidação, os quais reagem com as impurezas metálicas formando compostos voláteis.

O gettering extrínseco é realizado por meio de três etapas:

I. As impurezas a serem capturadas por meio do gettering, devem ser primeiramente liberadas dos locais onde elas estão aprisionadas;

II. Em seguida essas impurezas devem migrar para uma região do substrato onde ficam inativas;

III. Devem ser capturadas nessa região.

O gettering extrínseco pode ser realizado produzindo em uma face da lâmina um dos seguintes mecanismos:

- danos mecânicos (abrasão, desgaste e jato de areia); - difusão de dopantes;

- implantação iônica;

- deposição de silício policristalino.

O dano mecânico gera tensões na parte posterior da lâmina. Durante os tratamentos subsequentes são criadas discordâncias para diminuir as tensões existentes. As discordâncias servem de locais de gettering e aprisionam as impurezas. Os problemas que surgem ao usá-lo são o aumento da fragilidade da

amostra, a dificuldade na sua reprodução e a deposição de pó, tanto de silício como de abrasivo, que ocorre sobre a outra face da lâmina.

Os dois mecanismos mais usados para explicar o gettering extrínseco são [30]:

a) O gettering induzido por precipitação ou relaxação de impurezas contaminantes: este tipo de gettering ocorre quando as impurezas induzidas intencionalmente precipitam em defeitos cristalinos. Esta precipitação ou relaxamento ocorre durante o resfriamento do processo da lâmina, após ser submetida a altas temperaturas.

b) O gettering induzido por segregação: durante o processo de difusão do dopante pode ocorrer uma redistribuição de impurezas contaminantes do volume da amostra em direção à região altamente dopada, devido a maior solubilidade da impureza na região altamente dopada. Não são necessárias condições de supersaturação do dopante, pois a eficiência do gettering depende da relação da solubilidade da impureza entre as duas regiões, isto é, do coeficiente de segregação. A eficiência do gettering está relacionada à fração de impurezas contaminantes que se consegue eliminar. Este tipo de mecanismo não tem a necessidade de criar defeitos. Porém, durante o resfriamento as impurezas podem precipitar. O exemplo típico de gettering induzido por segregação é produzido pela difusão de fósforo e de alumínio [30].

Das diversas técnicas usadas para obter mecanismos de gettering, as difusões de impurezas doadoras e aceitadoras são as mais usadas na fabricação de células solares, com a vantagem de realizar ao mesmo tempo a captura de impurezas e produzir as regiões dopadas.

A difusão de fósforo na parte frontal da lâmina serve para capturar impurezas indesejadas com as quais o fósforo tem afinidade química. Os processos de gettering acontecem, porque a difusão de fósforo é acompanhada da geração de complexos fósforo vacância que capturam os átomos de impurezas, como por exemplo, de ouro, de alta mobilidade no silício. Uma vez capturados, os átomos de impureza têm uma energia de interação eletrostática muito alta, não podendo ser liberados mediante os tratamentos térmicos subsequentes [31]. Uma camada de silício policristalino também serve para fazer gettering porque os contornos de grão em silício multicristalino e o grande grau de desordem do material policristalino

funcionam como impurezas móveis. Porém, este tipo de procedimento não retém as impurezas em tratamentos acima de 1150 °C em ambientes oxidantes. Durante esse tratamento o número de contornos de grãos diminui e a desordem também diminui à medida que os grãos crescem. Uma parte do silício policristalino é consumida na formação de SiO2 na superfície [31].