Células solares e sensores de filme fino de silício depositados sobre substratos flexíveis

Abstract

Células solares flexíveis de filmes finos de silício são geralmente fabricadas a baixa temperatura sobre substratos de plástico ou a mais elevadas temperaturas sobre folhas de aço. Esta tese reporta o estudo da deposição de filmes finos sobre diferentes substratos de plástico, transparentes e coloridos, para células solares do tipo sobrestrato e substrato, respectivamente. Como objetivo co-lateral, os filmes dopados depositados sobre plástico foram usados como sensores de deformação, utilizando as suas propriedades piezo-resistivas. Elevadas taxas de deposição dos filmes de silício depositados sobre plástico foram obtidas a baixa temperatura do substrato (150ºC) por rf-PECVD. A influência de diferentes parâmetros de deposição sobre as propriedades e taxa de deposição dos filmes resultantes foram estudados e correlacionados. Células solares de filmes finos de silício amorfo e microcristalino foram desenvolvidas a baixas temperaturas sobre plásticos. Eficiências de 5 – 6.5% foram alcançadas para as células amorfas e 7.5% para as células microcristalinas. Efeitos de aprisionamento da luz foram estudados através da texturização por ablação laser de substratos de plástico e corrosão úmida de TCO sobre plástico. Filmes finos de silício microcristalino, depositados por HW-CVD, com fator piezoresistivo de -32.2, foram usados para fabricar sensores de deformação em uma membrana plástica muito fina (15 μm). Estruturas de teste em têxtil e a miniaturização dos sensores piezoresistivos depositados sobre substratos flexíveis de poliimida foram abordados.

Flexible thin film silicon photovoltaics are usually done on low temperature plastic substrates or on stainless steel foil. This thesis reports on the study of thin film deposition on different plastic substrates, both transparent and colored, for superstrate and substrate solar cells, respectively. Some of the optimized doped layers deposited on plastics were used as strain gauges based on their piezo-resistive properties. High-rate deposited silicon films on plastic were achieved at low substrate temperature (150oC) by standard Radio-frequency (13.56 MHz) Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (rf-PECVD). The influence of different deposition parameters on the resulting film properties and deposition rate were studied and correlated. Thin film silicon solar cells were developed at low temperatures on plastics. Efficiencies of 5 – 6.5% were achieved for amorphous cells deposited by rf-PECVD, and 7.5% for microcrystalline cells deposited at Very High Frequency (81.36 MHz) Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (VHF-PECVD). Light trapping effects were studied by laser texturing of plastic substrates and wet etching of Transparent Conductive Oxide (TCO) on plastic. Microcrystalline silicon thin films, prepared by hot-wire chemical vapor deposition, with a piezoresistive gauge factor of -32.2, were used to manufacture a thin skin-like piezo-resistor strain-sensing membrane. Test structures on textile and the miniaturization of the piezoresistive sensors deposited on flexible polyimide substrates were addressed.