Ridurre lo spessore dei wafer di silicio abbassa i costi, ma rende le celle più sensibili a deformazioni e rotture durante la metallizzazione e la cottura. Un caso studio sperimentale (Popovich et al., 2013) analizza cosa accade allo strato posteriore di alluminio (back contact) dopo il firing e come microstruttura, spessore e composizione della pasta influenzino curvatura (“bowing”) e resistenza meccanica.
Come è fatto davvero il retro di una cella in silicio
Lo strato di contatto posteriore non è “solo alluminio”, ma un composito stratificato che nasce dall’interazione Al–Si in cottura:
- BSF (Back Surface Field): sottile strato drogato di Si vicino al retro che migliora le prestazioni elettriche.
- Strato eutettico Al–Si: continuo, duttile, a cavallo tra Si e Al poroso.
- Particelle sferiche Al–Si (3–5 μm): ipereutettiche, avvolte da una pellicola di allumina (Al2O3) di 150–200 nm.
- Matrice vetrosa a base di bismuto-silicato: residuo del frit della pasta (qualche percento in volume).
- Porosità aperta e connessa: ≈14–16% in volume.
Perché le celle si “imbarcano” (bowing)
Durante il firing, Al e Si si scaldano e si raffreddano insieme. Coefficienti di dilatazione diversi e moduli elastici dissimili generano tensioni residue: al raffreddamento la cella si incurva (effetto “bimetallico”). Il bowing cresce con:
- spessore della capa Al porosa e dello strato eutettico,
- dimensione media delle particelle di Al nella pasta,
- contenuto di pori e frazione vetrosa (che irrigidiscono/indeboliscono in modo non ottimale),
- rugosità/texture del wafer (che rende “ondulato” lo spessore dell’eutettico).
Cosa ha fatto lo studio (in breve)
- Caratterizzazione microstrutturale: SEM/EDS/EPMA, XRD, tomografia 3D, porosimetria a mercurio.
- Termoanalisi (TGA/DSC): solventi/binder evaporano ≈180–250 °C; ossidazione parziale dell’Al ≈600 °C; fusione residua ≈650 °C (coerente con la formazione della pellicola di Al2O3).
- Prove meccaniche: nanoindentazione per modulo elastico locale; flessione a 4 punti su provini (trattati come trave composita Si+Al); misura ottica del bowing su 156 mm.
- Tre paste commerciali a confronto (A, B, C) con particelle crescenti e diverso frit vetroso.
Risultati chiave (numeri che contano)
- Spessori tipici (paste A→C): strato Al poroso ≈34→46 μm; eutettico ≈5,3→7,3 μm.
- Porosità e vetro (A→C): ≈10→16 vol% e ≈2→5 vol%.
- Bowing su 156 mm (A→C): ≈0,7→1,5 mm.
- Modulo elastico strato Al poroso: ≈41–46 GPa (nanoindentazione e calcolo da bowing in buon accordo).
- Resistenza a flessione (strato Al in trazione; tensione massima nel Si): decresce da ≈235 MPa (pasta A) a ≈181 MPa (pasta C).
Tre leve microstrutturali che dominano la robustezza
- Spessore e uniformità dello strato eutettico: troppo spesso/ondulato aumenta bowing; uno strato continuo ma contenuto può “ponticellare” microcricche e migliorare la resistenza.
- Spessore della capa Al porosa (legato a dimensione/distribuzione particelle): più spessa ⇒ più curvatura e maggiori tensioni residue.
- Porosità e frazione vetrosa bismutata: pori e vetro influenzano rigidezza locale, aderenza e punti di innesco cricche.
Perché un po’ di eutettico “aiuta”
Lo strato eutettico Al–Si è più duttile del silicio e può:
- redistribuire gli sforzi all’esterno (outer fiber) in flessione,
- fare da “ponte” su microcricche superficiali, ritardando la propagazione e aumentando la resistenza del wafer multicristallino.
L’effetto è benefico finché spessore e ondulazione restano sotto controllo.
Indicazioni pratiche per produzione e qualità
- Scegliere paste con particelle più fini e frit ottimizzato: minore spessore Al, eutettico più regolare, bowing ridotto.
- Dosare la quantità di pasta e il profilo termico: garantire BSF continuo senza far crescere troppo eutettico e porosità.
- Curare la texture del wafer: ridurre l’ondulazione dello strato eutettico tra valli e picchi.
- Monitorare: misura ottica del bowing su pieno formato, porosimetria e tomografia 3D a campione, PSD delle particelle paste.
- Progettare come “trave composita”: considerare il modulo della capa Al porosa (~43–46 GPa) e il ΔCTE Al–Si nelle fasi termiche e di handling.
Messaggio finale
In celle sempre più sottili, l’affidabilità meccanica non dipende solo dal silicio: la microstruttura del contatto posteriore in alluminio è una leva decisiva. Ottimizzare pasta (particelle e vetro), spessori e profili di firing consente di contenere il bowing e aumentare la resistenza, senza sacrificare il BSF e le prestazioni elettriche.
Riferimento
Popovich, V. A.; van Maris, M. P. F. H. L.; Janssen, M.; Bennett, I. J.; Richardson, I. M. “Understanding the Properties of Silicon Solar Cells Aluminium Contact Layers and Its Effect on Mechanical Stability”, Materials Sciences and Applications, 2013, 4, 118–127. doi:10.4236/msa.2013.42013.
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