Investigadores de la Universidad Tecnológica Nacional Chin-Yi de Taiwán propusieron un novedoso diseño de calentador para equipos de crecimiento de cristales de silicio Czochralski con el fin de controlar y disminuir la concentración de oxígeno.
El método fue simulado y validado encontrando que el diseño óptimo permitió la reducción de oxígeno de 6 partes por millón (Ppm) de átomos.
Para las aplicaciones fotovoltaicas de silicio multicristalino y monocristalino, el oxígeno es una impureza clave. Por ejemplo, puede causar la formación de óxido de silicio, que aumenta la dureza de los cristales, lo que puede complicar el procesamiento posterior.
«Nuestros hallazgos indican que ciertos defectos de oxígeno reducen la vida útil del material y aumentan la actividad de recombinación en las dislocaciones», explica a pv magazine Amir Reza Ansari Dezfoli, primer autor de la investigación.
Hay varias formas de abordar este tipo de problemas. «En nuestro estudio, nos centramos en controlar, principalmente reducir, la impureza de oxígeno modificando el diseño del calentador en el extractor Czochralski (CZ)», dijo Dezfoli, señalando que se podía lograr una reducción de oxígeno de 6 átomos Ppm “simplemente alterando” la configuración del diseño del calentador.
«Fue especialmente interesante descubrir que una modificación de bajo coste del calentador podía repercutir significativamente en el control de las impurezas de oxígeno, lo que demuestra cómo un simple ajuste puede tener un efecto importante», añadió.
En el estudio se investigó primero el diseño del calentador y la distribución de las fuentes de calor mediante simulaciones, y después se realizaron pruebas en un montaje experimental para validarlo. La simulación se basó en el crecimiento de cristales CZ de un lingote de silicio de 200 mm de diámetro y 700 mm de longitud, con cuatro diseños distintos de calentadores. Los calefactores eran de grafito y las longitudes de la sección superior variaban entre 500 mm y 200 mm.
Para la validación, el montaje experimental utilizó una altura del calentador (H1) de 500 mm. Se utilizó el análisis de datos de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para medir las concentraciones de oxígeno en los cristales a lo largo de la dirección axial en la línea central del lingote. Se realizaron mediciones de la transferencia de calor y el transporte de impurezas, la potencia del calentador, la desviación máxima del frente de cristal y la concentración de oxígeno. Se analizaron los perfiles de temperatura dentro del calentador, así como el impacto en el fundido de silicio y el cristal.
La comparación de validación confirmó una «gran concordancia entre la simulación y los datos experimentales».
Concluyendo que el diseño del calentador «influye significativamente en las distribuciones de temperatura y en los patrones de fusión, afectando a la distribución del oxígeno y a sus mecanismos de transporte», el artículo enumeraba los efectos de variar la longitud del H1, señalando que estaba claro que controlar los perfiles de temperatura y los patrones de flujo de la fusión afectaba «significativamente» a la distribución del oxígeno.
El grupo se dispone ahora a presentar el primer modelo discreto para simular la formación de partículas de origen cristalino (COP) y la formación de defectos en huecos durante el proceso de CZ. «Será el primer modelo capaz de funcionar de forma similar al recuento de partículas por láser en la industria de producción de obleas de silicio, abriendo nuevas posibilidades para el control de calidad basado en la simulación», afirma Dezfoli.
La tecnología propuesta se presentó en «Engineering insights into heater design for oxygen reduction in CZ silicon growth» (Perspectivas de ingeniería para el diseño de calentadores para la reducción de oxígeno en el crecimiento del silicio CZ), publicado en Case Studies in Thermal Engineering.
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