Desarrollo de un reactor epitaxial de alta capacidad de producción para la fabricación de células solares

Resumen

Esta Tesis Doctoral, basada en una propuesta anterior, se ha centrado en el diseño, construcción, puesta en marcha, y primeras pruebas experimentales de un reactor epitaxial de alta capacidad de producción, entendiendo alta capacidad como número de obleas por proceso, o por unidad de tiempo. La alta capacidad se consigue mediante susceptores verticales, paralelos y densamente apilados, entre los cuales fluye el gas. Estos reactores no existen comercialmente, y son necesarios si se desea que la tecnología de capa delgada de silicio, con un potencial intrínseco enorme de ahorro de costes, sea viable para la industria fotovoltaica. Además de su elevada capacidad, las principales novedades de este diseño con respecto a otros son, por una parte, el calentamiento directo de los susceptores por efecto Joule, y por otra, la recirculación y por tanto reutilización de gran parte de los gases de proceso. Estas dos medidas, y otras adicionales, se han realizado con la voluntad de obtener eficiencia energética y económica. La etapa de diseño ha comprendido todos los aspectos de un proceso de depósito químico a partir de vapor (CVD): el estudio de la química y termodinámica, el estudio de la fluidodinámica, y el estudio de los requerimientos térmicos derivados de un proceso a elevada temperatura. Además, la recirculación de los gases ha exigido un estudio minucioso de las transformaciones que tienen lugar en los gases de proceso cuando se les somete a cambios térmicos grandes. Posteriormente, en su caracterización y en las primeras pruebas experimentales, se ha podido ver la validez de esos diseños. El estudio de la cinética ha consistido exclusivamente en una revisión bibliográfica, dado que se quiere trabajar en limitación por transporte de materia. Este estudio ha permitido ver qué reacciones compiten con el depósito de silicio en un proceso CVD, y por tanto estimar las condiciones para favorecer éste. También se ha visto qué gases fuente existen y cuáles son las ventajas y desventajas de cada uno. El dopaje in situ y las consecuencias que tiene sobre el crecimiento también han sido estudiados. La fluidodinámica de los gases ha sido modelada mediante las ecuaciones de transporte y conservación. Mediante aproximaciones razonables, ha sido posible reducir la complejidad del modelo hasta poder resolverlo por métodos sencillos. Una solución analítica muy aproximada ha permitido ver las tendencias de los gases, mientras que una solución por diferencias finitas, más precisa, ha podido obtener las distribuciones de temperaturas, velocidades del gas y concentraciones de gas fuente en el espacio entre susceptores (interducto), así como la velocidad de crecimiento de la capa epitaxial. Se han realizado simulaciones variando velocidad del gas, ángulo de inclinación del susceptor, separación entre éstos, así como proporción de gas fuente, tipo de gas portador y presión total, y se ha podido determinar una geometría óptima del interducto, así como condiciones óptimas de operación para cada gas portador y gas fuente. El gas fluye entre dos susceptores calientes, y por tanto se calienta en exceso. La manera más sencilla de evitar esto es haciéndolo fluir a velocidades elevadas. Ello implica un consumo elevado de gas portador, con lo que se hace necesaria la reutilización del mismo: una gran parte del gas se recircula. Se ha realizado un estudio de la recirculación y todas sus implicaciones. La principal es el enorme ahorro de gas portador. Pero también se ha podido determinar que la eficiencia de la deposición aumenta al recircular en algunos casos, lo cual se da en mayor medida con silano que con clorosilanos. En otros casos la recirculación es imposible debido al elevado nivel de HCl que se produciría. Por otro lado, se ha estudiado la posibilidad de producir los gases fuente in situ, con silicio metalúrgico como único material de partida, y silicio de grado solar como único producto. En este sistema teóricamente son posibles eficiencias de conversión del 100 % y consumo nulo de gas portador. Al tratarse de un proceso a elevada temperatura, se ha realizado también un estudio de los procesos térmicos involucrados. Un balance de calor ha permitido calcular la potencia que es necesario suministrar para mantener los susceptores a la temperatura de crecimiento. Para minimizar las pérdidas, se han diseñado sistemas especiales como una doble pantalla reflectante en las paredes internas de la cámara. Asimismo, se ha diseñado un sistema de conexión de los susceptores calientes a los contactos eléctricos fríos, que son metálicos, que es capaz de producir un incremento gradual de temperatura entre ambos. Por otro lado, se ha calculado la distribución de temperaturas en el bloque de susceptores, y se ha comprobado que se mantiene homogénea, principalmente por la radiación entre susceptores vecinos. El prototipo se ha construido con capacidad para 50 obleas, con 6 susceptores. De acuerdo con este tamaño, se diseñaron y encargaron el resto de equipos: bombas, soplante, intercambiador de calor, así como equipos de control y de medida. Se realizó una caracterización de estos equipos y del comportamiento del sistema en general, donde se manifestaron algunos fallos que necesitaron un re-diseño, como los contactos eléctricos, o necesitarán un planteamiento distinto en un futuro diseño, como el material de las pantallas reflectantes. En general, no obstante, el sistema responde bien, de acuerdo a lo que se esperaba. Por último, se han realizado los primeros crecimientos en el reactor, en varias condiciones de presión, temperatura y caudal de gases, siempre con silano en hidrógeno. Se ha conseguido epitaxia en uno de ellos, y se ha comprobado que el depósito es uniforme en el reactor, con una dispersión de espesores menor del ± 8 %. Estos dos resultados son esenciales porque confirman la validez del concepto del reactor, mostrando asimismo su enorme potencial. Por otro lado, las velocidades de crecimiento obtenidas están en los intervalos previstos por el modelo matemático, lo cual confirma que las aproximaciones tomadas en éste son razonables. No obstante, en los crecimientos también se han puesto de manifiesto algunos fallos, como la elevada contaminación de las obleas durante el proceso, o el elevado depósito parásito. Es decir, es necesario seguir trabajando tanto en el diseño de algunos aspectos constructivos como en la optimización del proceso.