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O propósito desta dissertação é apresentar e avaliar um sistema eficaz para caracterização e modelagem elétrica de células solares de silício, a partir de curvas características de corrente-tensão (IxV) obtidas com um simulador solar e com o sol natural, e posterior análise de parâmetros extraídos das curvas, responsáveis por qualificar tal dispositivo. Com esses parâmetros pretende-se alimentar modelos numéricos (Spice®) e analíticos capazes de representar fidedignamente a célula, permitindo a avaliação do desempenho da célula sob diferentes temperaturas e irradiâncias. Modelos precisos são importantes para que se possa prever o comportamento de arranjos de células, e de sistemas compostos não somente por painéis, mas também por circuitos inversores, rastreadores de ponto de máxima potência, controladores de carga e bancos de bateria. A caracterização exige informação sobre o espectro, a homogeneidade e a intensidade da fonte luminosa; material da célula; geometria da célula e dos eletrodos; temperatura da célula; equipamento utilizado para o levantamento da curva IxV; conexões elétricas e tempo demandado para aquisição de dados. Além disso, deve ser realizada uma caracterização completa para valores de polarização direta acima da tensão de circuito aberto da célula, possibilitando a extração mais precisa da resistência série parasita. Curvas IxV convencionais para células fotovoltaicas variam desde a condição de curto circuito, com corrente máxima, até a de circuito aberto, com tensão máxima; apresentando um determinado fator de preenchimento e um ponto de máxima potência. O formato da curva carrega consigo informação sobre regiões de dominância de mecanismos de deriva e difusão de portadores de carga fotogerados;magnitude da irradiância; temperatura; finitude da condutância da região de depleção; resistência série parasita das regiões quasi-neutras e de contato; e presença de defeitos. A extração de parâmetros acontece por diferentes métodos, porém os mais confiáveis são métodos iterativos onde são realizados ajustes com a equação de Shockley, seja com uma ou duas exponenciais. Parâmetros, como a resistência série, podem ser incorporados à essa equação considerando-se a estrutura interna da célula nos arredores da junção PN e a mobilidade de portadores de carga. As comparações de medidas realizadas sob diferentes condições solarimétricas e de temperatura ocorrem após conversão para a condição padrão de teste (STC Standard Test Condition).O trabalho apresenta ensaios elétricos realizados com células poli emonocristalinas de silício, de diferentes geometrias, sob condições distintas de medição e com equipamentos diferentes. As curvas experimentais são comparadas às simuladas com os parâmetros extraídos. Esses procedimentos permitiram identificar diversos fatores dificultadores e cuidados necessários para que se possa obter um modelo confiável e escalonável em temperatura, irradiância e geometria de células. The purpose of this dissertation is to present and evaluate an effective system for the characterization and electrical modeling of silicon solar cells, by means of current-voltage characteristic curves (IxV) extracted with a solar simulator and natural sunlight, and further analysis of obtained parameters responsible for qualifying such devices. It is intended to use these parameters to feed numerical (Spice®) and analytical models, capable of faithfully representing a cell, enabling its performance evaluation under different temperatures and irradiances. Accurate models are important in order to predict the behavior of solar cell arrangements, and systems composed not only by panels, but also by inverters, maximum-power-point tracking circuits, charge controllers and battery banks. The characterization demands information regarding the spectrum, light source intensity and homogeneity; cell material; electrodes and cell geometry; cell temperature; equipment employed for the IxV curve measurement; electrical connections and time consumed for data acquisition. In addition, the full characterization should be performed for forward bias higher than the open-circuit voltage, allowing the extraction of a more accurate parasitic series resistance. Conventional IxV curves, for photovoltaic cells, range from the short-circuitcondition, with maximum current, to the open-circuit condition, with maximum voltage; presenting a certain fill factor, and a maximum power point. The curve shape gives information regarding dominance regions of drift and diffusion mechanisms for photogenerated charge carriers; irradiance magnitude; temperature; the finite conduction of the depletion region; quasi-neutral and contact regions parasitic series resistance; and presence of defects. The extraction of parameters is performedthrough different methods. However, the most reliable are the interactive methods, where the Shockley equation, either with one or two exponentials, is used to fit experimental data. Parameters, like the series resistance, can be incorporated to this equation considering the cell internal structure in the surroundings of the PN junction, and the charge-carrier mobilities. Comparisons of measurements under differentsolarimetric and temperature conditions are performed after the conversion to Standard Test Condition (STC). This work presents electrical tests performed with both mono- and polycrystalline silicon cells of different geometries, under distinct measuring conditionsviii and with different equipment. The experimental curves are compared to their simulated counterparts with the extracted parameters. These procedures allowed to identify several hindering factors and necessary caution, in order to obtain a reliable model, that is scalable regarding temperature, irradiance and cell geometry.

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais Cada vez mais estamos rodeados por equipamentos que contêm dispositivos electrónicos. O facto destes dispositivos serem produzidos a nível industrial, não quer dizer que os processos utilizados para a sua produção não possam ser melhorados. Devido à produção em grande escala é interessante optimizar os processos em termos económicos. Este trabalho utiliza um método de produção com uma etapa inovadora na fase inicial de dopagem do silício cristalino, tornando o processo energeticamente mais barato, quando comparado com o método de produção convencional. Assim, pretende-se eliminar duas fases do processamento que são executadas a altas temperaturas (≈ 1000 ºC): a oxidação para mascaramento e a pré-deposição térmica. A inovação está na pré-deposição de um filme fino de silício amorfo hidrogenado altamente dopado, que funcionará como fonte finita de dopante, com dose conhecida. O filme é depositado por PECVD a baixa temperatura (70 ºC). Com este novo método produziram-se junções n+/p, estudando-se a influência da percentagem de gás dopante (fosfina) e, consequentemente, da concentração à superfície nas propriedades do dispositivo. Obteve-se assim a percentagem de fosfina óptima de 1,5%. Para as junções produzidas nestas condições obtiveram-se valores de razão de rectificação, I(1V)/I(-1V), RON/OFF = 1,3 × 103, com uma tensão limiar, VT = 0,51 V e um factor de qualidade, η = 2,43. Após a optimização do fabrico das junções n+/p, foi possível a produção de transístores de efeito de campo de canal n. Os n-MOS obtidos apresentam um comportamento de deplecção com seguintes parâmetros: VT = - 12,6 V e mobilidade de efeito de campo, μFE = 673 cm2/(V.s). Fundação para a Ciência e Tecnologia - projecto “Junções de silício de baixo custo” (PTDC/EEA-ELC/108882/2008)