Célula solar unilateralmente contactada con transcontactados y procedimiento de fabricación.

Célula solar unilateralmente contactada constituida por al menos una capa absorbedora estructurada con transcontactados y una capa emisora de materiales semiconductores de diferente dopado dispuesta sobre toda la superficie de un lado de la capa absorbedora, en donde se generan portadores de carga excedentes en la capa absorbedora por efecto de la incidencia de la luz, se separan estos portadores en la transición pn entre la capa absorbedora y la capa emisora, y se acumulan y evacuan dichos portadores de carga a través de dos sistemas de contacto dispuestos conjuntamente sobre un lado de la capa absorbedora, eléctricamente contactados desde fuera y aislados uno respecto de otro, y en donde uno de los sistemas de contacto está dispuesto sobre la capa absorbedora y está configurado como una rejilla de contacto que está cubierta al menos en todo su lado superior con una capa de aislamiento y está unida de manera eléctricamente conductora con los transcontactados en uno de sus extremos, y el otro sistema de contacto está configurado como una capa de contacto de superficie completa, caracterizada por

- una disposición de una capa de pasivación de campo

(FSF/BSF) de superficie completa sobre el lado de la capa absorbedora (AS) opuesto a la capa emisora (ES),

- una disposición de la rejilla de contacto (KG) cubierta al menos en todo su lado superior con una capa de aislamiento entre la capa absorbedora (AS) y la capa de pasivación de campo (FSF/BSF),

- una disposición de la capa de contacto (KS) sobre la capa de pasivación de campo (FSF/BSF) de modo que ambos sistemas de contacto estén dispuestos con facilidad de acceso sobre el lado superior (OS) de la célula solar (HKS), y

- una unión eléctricamente conductora de los transcontactados (DK) en sus extremos opuestos a la rejilla de contacto (KG) con la capa emisora (ES), no existiendo una unión eléctricamente conductora entre la capa absorbedora (AS) y la rejilla de contacto (KG).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DE2007/001007.

Solicitante: HELMHOLTZ-ZENTRUM BERLIN FUR MATERIALIEN UND ENERGIE GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HAHN-MEITNER-PLATZ 1 14109 BERLIN ALEMANIA.

Inventor/es: STANGL, ROLF, GALL,STEFAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/0224 (Electrodos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/0747 (comprendiendo una heterounión de materiales cristalinos y amorfos, p.ej. heterounión con capa fina intrínseca o células solares HIT ®)

PDF original: ES-2486261_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Célula solar unilateralmente contactada con transcontactados y procedimiento de fabricación.

La Invención se refiere a una célula solar unllateralmente contactada constituida por al menos una capa absorbedora estructurada con transcontactados y una capa emisora de materiales semiconductores de dopado diferente dispuesta en toda la superficie de un lado de la capa absorbedora, en donde se generan portadores de carga excedentes en la capa absorbedora por la incidencia de la luz, se separa éstos en la transición pn entre la capa absorbedora y la capa emisora, y se acumulan y evacúan dichos portadores de carga a través de dos sistemas de contacto dispuestos conjuntamente en un lado de la capa absorbedora, contactados eléctricamente desde fuera y aislados uno de otro, y en donde uno de los sistemas de contacto está dispuesto sobre la capa absorbedora y está diseñado como una rejilla de contacto que está cubierta al menos en todo su lado superior con una capa de aislamiento y que está unida de manera eléctricamente conductora con los transcontactados en uno de sus extremos, y el otro sistema de contacto está configurado como una capa de contacto de superficie completa. Asimismo, la invención se refiere a procedimientos para fabricar células solares correspondientes. Las capas absorbedoras pueden estar realizadas como obleas autoportantes o como una capa delgada sobre un sustrato o un superestrato.

Las células solares son componentes que transforman la luz en energía eléctrica. Usualmente, están constituidas por materiales semiconductores que contienen zonas o capas de conductividad diferente para portadores de carga positivos o negativos, zonas de tipo n o zonas de tipo p. Las zonas se denominan emisor y absorbedor. Los portadores de carga excedentes positivos y negativos generados por la luz incidente son separados en la transición pn entre la capa emisora y la capa absorbedora y pueden ser acumulados y evacuados por sistemas de contacto unidos de manera eléctricamente conductora con las respectivas zonas. Contribuyen de manera correspondiente a la potencia eléctrica utilizable de las células solares únicamente los portadores de carga excedentes que alcanzan los sistemas de contacto y no se recombinan previamente con un respectivo portador de carga de polo contrario.

Las células solares unilateralmente contactadas presentan ambos sistemas de contacto para la acumulación separada de los portadores de carga excedentes de la capa absorbedora sobre un lado común. En principio, esto tiene de momento la ventaja de que solamente se tiene que mecanizar un lado para el contactado. En el sentido de la presente invención se emplea el término "contactado de lado frontal" cuando ambos sistemas de contacto se encuentran en el lado (lado frontal) de la célula solar expuesto a la incidencia de la luz durante el funcionamiento. Por el contrario, el término "contactado de lado posterior" se emplea cuando ambos sistemas de contacto están dispuestos en el lado (lado posterior) de la célula solar no expuesto a la incidencia de la luz durante el funcionamiento. Además, se emplea todavía el término "lado superior" en relación con la célula solar. Se quiere dar a entender con este término el lado de la célula solar que es accesible durante el funcionamiento y sobre todo también durante la fabricación. En el caso de una oblea absorbedora son accesibles ambos lados de la célula solar y, por tanto, éstos se denominan lados superiores. En el caso de células solares basadas en una capa delgada con un sustrato o un superestrato se designa cada vez con "lado superior" el respectivo lado de la célula solar opuesto al sustrato o al superestrato. Un sustrato es aquí el lado frontal y un superestrato es el lado posterior.

En la disposición de los sistemas de contacto es importante en primer lugar su eficiencia en la acumulación de portadores de carga. Cuando la capa absorbedora de la célula solar es de calidad electrónica suficientemente buena, es decir que la longitud de difusión aparente efectiva de los portadores de carga minoritarios es sustancialmente mayor que el espesor de la capa absorbedora, la capa emisora puede estar situada entonces en general ventajosamente en el lado posterior de la célula solar. En el caso de un contactado del lado posterior se obtienen entonces especialmente las ventajas de que, en primer lugar, no se presentan pérdidas por sombra debido a un sistema de contacto, lo que conduce a una mejora de la eficiencia de la célula solar, y, en segundo lugar, es posible una sencilla cobertura de toda la superficie del lado de la célula solar - a exponer a la incidencia de la luz durante el funcionamiento - con más capas funcionales. En este caso, se puede tratar, por ejemplo, de una capa de pasivación de campo frontal (Front Surface Field, FSF) para la retrodispersión de los portadores de carga minoritarios o de una capa antirreflejos adicional. Sin embargo, cuando la capa absorbedora es de calidad electrónica relativamente baja, es decir que la longitud de difusión aparente efectiva de los portadores de carga minoritarios es menor que el espesor de la capa absorbedora o es del orden de magnitud de este espesor, la capa emisora deberá estar situada entonces ventajosamente en el lado frontal de la célula solar. Todos los portadores de carga minoritarios de la capa absorbedora, que se generan a una profundidad que es más pequeña que la longitud de difusión aparente efectiva de la capa absorbedora, pueden acumularse entonces de manera fiable. En el caso de un contactado del lado frontal puede estar prevista, para la retrodispersión de portadores de carga minoritarios mejoradora de la eficiencia, una capa de pasivación de campo posterior (Back Surface Field, BSF) (análogamente a una capa de pasivación de campo frontal (Front Surface Field, FSF) en el caso del contactado del lado posterior).

Relevantes para células solares según la invención son en el estado de la técnica los contactados posteriores unilaterales que contactan también el lado frontal por medio de transcontactados a través de la capa absorbedora correspondientemente estructurada. Se trata aquí de las llamadas tecnologías de metalización pasante (Metal-Wrap- Through, MWT) o de emisor pasante (Emitter-Wrap-Through, EWT), en las que un alma metálica, que contacta la

capa emisora frontal a través de una rejilla de contacto, o la propia capa emisora frontal son transcontactadas a través de la capa absorbedora con un sistema de contacto correspondiente dispuesto en el lado posterior de la célula solar.

Estado de la técnica

Las células solares unilateralmente contactadas con transcontactados no se han materializado hasta ahora por falta de un procedimiento de fabricación tecnológicamente sencillo y eficiente. Por el estado de la técnica se conocen exclusivamente células solares contactadas tan solo en el lado posterior con transcontactados. Se puede encontrar una buena visión general de células solares contactadas en el lado posterior con transcontactados en la publicación de E. V. Kerschaver et al.: "Back-contact Solar Cells: A Review" (Prog. Photovolt: Res. Appl., 25.5.25, publicado en línea en Wileys InterScience DOMO.12/plp.657). El documento US 3 93 427 revela una célula solar unilateralmente contactada.

En el documento US 5.468.652 se revela una tecnología de emisor pasante para células solares basadas en obleas. Se conoce por este documento un contactado puntual en el que se contactan mediante un láser la capa emisora dispuesta en el lado frontal de la capa absorbedora y unos agujeros taladrados a través de la capa absorbedora con un sistema de contacto dispuesto en el lado posterior de la oblea. La capa emisora - como también un BSF opcional - se genera por difusión. En este caso, el otro sistema de contacto para evacuar los portadores... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Célula solar unllateralmente contactada constituida por al menos una capa absorbedora estructurada con transcontactados y una capa emisora de materiales semiconductores de diferente dopado dispuesta sobre toda la superficie de un lado de la capa absorbedora, en donde se generan portadores de carga excedentes en la capa absorbedora por efecto de la Incidencia de la luz, se separan estos portadores en la transición pn entre la capa absorbedora y la capa emisora, y se acumulan y evacúan dichos portadores de carga a través de dos sistemas de contacto dispuestos conjuntamente sobre un lado de la capa absorbedora, eléctricamente contactados desde fuera y aislados uno respecto de otro, y en donde uno de los sistemas de contacto está dispuesto sobre la capa absorbedora y está configurado como una rejilla de contacto que está cubierta al menos en todo su lado superior con una capa de aislamiento y está unida de manera eléctricamente conductora con los transcontactados en uno de sus extremos, y el otro sistema de contacto está configurado como una capa de contacto de superficie completa, caracterizada por

- una disposición de una capa de pasivación de campo (FSF/BSF) de superficie completa sobre el lado de la capa absorbedora (AS) opuesto a la capa emisora (ES),

- una disposición de la rejilla de contacto (KG) cubierta al menos en todo su lado superior con una capa de aislamiento entre la capa absorbedora (AS) y la capa de pasivación de campo (FSF/BSF),

- una disposición de la capa de contacto (KS) sobre la capa de pasivación de campo (FSF/BSF) de modo que ambos sistemas de contacto estén dispuestos con facilidad de acceso sobre el lado superior (OS) de la célula solar (HKS),

y

- una unión eléctricamente conductora de los transcontactados (DK) en sus extremos opuestos a la rejilla de contacto (KG) con la capa emisora (ES), no existiendo una unión eléctricamente conductora entre la capa absorbedora (AS) y la rejilla de contacto (KG).

2. Célula solar unilateralmente contactada constituida por al menos una capa absorbedora estructurada con transcontactados y una capa emisora de materiales semiconductores de diferente dopado dispuesta sobre toda la superficie de un lado de la capa absorbedora, en donde se generan portadores de carga excedentes en la capa absorbedora por efecto de la incidencia de la luz, se separan estos portadores de carga en la transición pn entre la capa absorbedora y la capa emisora, y se acumulan y evacúan dichos portadores de carga a través de dos sistemas de contacto dispuestos conjuntamente sobre un lado de la capa absorbedora, contactados eléctricamente desde fuera y aislados uno respecto de otro, y en donde uno de los sistemas de contacto está dispuesto sobre la capa absorbedora y está configurado como una rejilla de contacto que está cubierta al menos en todo su lado superior con una capa de aislamiento y que está unida de manera eléctricamente conductora con los transcontactados en uno de sus extremos, y el otro sistema de contacto está configurado como una capa de contacto de superficie completa, caracterizada por

- una disposición de una capa de pasivación de campo (FSF/BSF) de superficie completa sobre el lado de la capa absorbedora (AS) opuesto a la capa emisora (ES),

- una disposición de la rejilla de contacto (KG) cubierta al menos en todo su lado superior con una capa de aislamiento entre la capa absorbedora (AS) y la capa emisora (ES),

- una disposición de la capa de contacto (KS) sobre la capa emisora (ES) de modo que ambos sistemas de contacto estén dispuestos con fácil acceso sobre el lado superior (OS) de la célula solar (HKS), y

- una unión eléctricamente conductora de los transcontactados (DK) en sus extremos opuestos a la rejilla de contacto (KG) con la capa de pasivación de campo (FSF/BSF).

3. Procedimiento para fabricar una célula solar unilateralmente contactada según la reivindicación 1 ó 2, cuya célula comprende una capa absorbedora (AS) en forma de una oblea (WF) y una disposición de ambos sistemas de contacto sobre el lado posterior (RS), caracterizado por los pasos de procedimiento siguientes:

(I) estructuración de la oblea (WF) para producir transcontactados (DK) de forma de puntos o de líneas o de rejillas o de redes,

(II) texturado y pasivación de toda la superficie del lado frontal (VS) de la oblea (WF),

(III) producción de una capa emisora (ES) o una capa de pasivación de campo (FSF/BSF) sobre toda la superficie del lado frontal (US) de la oblea (WF) con incorporación de los transcontactados (DK),

(IV) deposición de una rejilla de contacto (KG) sobre el lado posterior (RS) de la oblea (WF), cubriendo con ello los transcontactados (DK),

(V) producción de una capa de aislamiento eléctrico (IS) sobre toda la superficie libre de la rejilla de contacto (KG),

(Vil) deposición de la capa de pasivación de campo (FSF/BSF) o la capa emisora (ES), aún no depositadas, sobre toda la superficie del lado posterior (RS) de la oblea (WF) con la rejilla de contacto aislada (KG), paslvando al mismo tiempo las superficies límite de las zonas libres de la oblea (WF),

(VIII) deposición de una capa de contacto (KS) sobre toda la superficie de la capa emisora (ES) o la capa de pasivación de campo (FSF/BSF) depositadas, en el lado posterior de la oblea (WF), y

(IX) contactado eléctrico de la rejilla de contacto (KG) y la capa de contacto (KS).

4. Procedimiento para fabricar una célula solar unilateralmente contactada según la reivindicación 1 ó 2, cuya célula comprende una capa absorbedora (AS) basada en capa delgada y una disposición de ambos sistemas de contacto sobre el lado superior (OS), caracterizado por los pasos de procedimiento siguientes:

(I) aplicación de una capa emisora (ES) o una capa de pasivación de campo (FSF/BSF) y una capa absorbedora (AS) sobre un sustrato (SU) o un superestrato (SP),

(II) estructuración de la capa absorbedora (AS) con unas simples aberturas de paso (DG) para producir a través de la capa absorbedora (AS) unos transcontactados (DK) de la capa emisora (ES) o la capa de pasivación de campo (FSF/BSF) configurados en forma de puntos o líneas o rejillas o redes,

(III) llenado de las aberturas de paso (DG) con un material de capa funcional o un material eléctricamente conductor,

(IV) deposición de una rejilla de contacto (KG) sobre el lado superior (OS) de la capa absorbedora (AS), cubriendo con ello los transcontactados (DK),

(V) producción de una capa de aislamiento eléctrico (IS) sobre toda la superficie libre de la rejilla de contacto (KG),

(VI) deposición de la capa emisora (ES) o la capa de pasivación de campo (FSF/BSF), aún no depositadas, sobre toda la superficie del lado superior (OS) de la capa absorbedora (AS) con la rejilla de contacto (KG), pasivando al mismo tiempo las superficies límite de las zonas libres de la capa absorbedora (AS),

(Vil) deposición de una capa de contacto (KS) sobre toda la superficie de la capa emisora (ES) o la capa de pasivación de campo (FSF/BSF) depositadas, en el lado de la capa absorbedora (AS) con la rejilla de contacto (KG),

y

(VIII) contactado eléctrico de la rejilla de contacto (KG) y la capa de contacto (KS).

5. Procedimiento para fabricar una célula solar unllateralmente contactada según la reivindicación 1 ó 2, cuya célula comprende una capa absorbedora (AS) basada en capa delgada y una disposición de ambos sistemas de contacto sobre el lado superior (OS), caracterizado por los pasos de procedimiento siguientes:

(I) aplicación de una capa de pasivación de campo (FSF/BSF) y una capa absorbedora (AS) sobre un sustrato (SU) o un superestrato (SP),

(II) deposición de una rejilla de contacto (KG) sobre el lado superior (OS) de la capa absorbedora (AS),

(III) recocido de la rejilla de contacto (KG) para formar transcontactados (DK) en forma de picos metálicos (MS),

(IV) producción de una capa de aislamiento eléctrico (IS) sobre toda la superficie libre de la rejilla de contacto (KG),

(V) deposición de una capa emisora (ES) sobre toda la superficie del lado superior (OS) de la capa absorbedora (AS) con la rejilla de contacto (KG), pasivando al mismo tiempo las zonas descubiertas de la capa absorbedora (AS),

(VI) deposición de una capa de contacto (KS) sobre toda la superficie de la capa emisora depositada (ES) y (Vil) contactado eléctrico de la rejilla de contacto (KG) y la capa de contacto (KS).

6. Procedimiento para fabricar una célula solar unilateralmente contactada según la reivindicación 1 ó 2, cuya célula comprende una capa absorbedora (AS) basada en capa delgada y una disposición de ambos sistemas de contacto sobre el lado superior (OS), caracterizado por los pasos de procedimiento siguientes:

(I) aplicación de una capa de pasivación de campo (FSF/BSF) y una capa absorbedora (AS) sobre un sustrato (SU) o un superestrato (SP),

(II) deposición de contactos puntuales sobre el lado superior (OS) de la capa absorbedora (AS),

(III) recocido de los contactos puntuales para obtener transcontactados (DK) en forma de picos metálicos (MS),

(IV) deposición de una rejilla de contacto (KG) sobre el lado superior de la capa absorbedora (AS), cubriendo con ello los contactos puntuales,

(IV) producción de una capa de aislamiento eléctrico (IS) sobre toda la superficie libre de la rejilla de contacto (KG),

(V) deposición de una capa emisora (ES) sobre toda la superficie del lado superior (OS) de la capa absorbedora (AS) con la rejilla de contacto (KG), pasivando al mismo tiempo las zonas descubiertas de la capa absorbedora (AS),

(VI) deposición de una capa de contacto (KS) sobre toda la superficie de la capa emisora depositada (ES) y (Vil) contactado eléctrico de la rejilla de contacto (KG) y la capa de contacto (KS).

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado por los pasos de aplicar una capa de protección eléctricamente aislante (OX) sobre toda la superficie del lado superior (OS) de la capa absorbedora antes de la aplicación de la rejilla de contacto (KG), forzosamente en el caso de un transcontactado de la capa emisora (ES) y opcionalmente en el caso de un transcontactado de una capa de pasivación de campo (FSF, BSF), y descubrir el lado superior (OS) de la capa absorbedora (AS) con la rejilla de contacto (KG) despojándolo de la capa de protección eléctricamente aislante (OX) antes de la deposición de la capa emisora (ES) o la capa de pasivación de campo (FSF/BSF), sin perjudicar a la capa de aislamiento (IS) dispuesta sobre la rejilla de contacto (KG).

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado por el paso de despejar de suciedades el lado superior (OS) de la capa absorbedora (AS) con la rejilla de contacto (KG) antes de la deposición de la capa emisora (ES) o la capa de pasivación de campo (FSF/BSF), sin perjudicar a la capa de aislamiento (IS) dispuesta sobre la rejilla de contacto (KG).

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, caracterizado por el paso de estructurar la capa absorbedora (AS) produciendo aberturas de paso (DG) de forma de puntos, lineas, rejillas o redes mediante un tratamiento de corrosión o un tratamiento por láser.

1. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por el paso de llenar las aberturas de paso (DG) con un material eléctricamente conductivo, revistiéndose previamente las aberturas de paso (DG), al menos en el caso de un transcontactado (DK) de la capa emisora (ES), con un material eléctricamente aislante (IM).

11. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el paso de llenar las aberturas de paso (DG) con un material semiconductor de la misma funcionalidad que la capa emisora (ES) o la capa de pasivación de campo

(FSF/BSF).

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 11, caracterizado por los pasos de formar un alma (ST) como zona de conexión en el borde de la capa absorbedora (AS) al depositar la rejilla de contacto (KG), escotar la zona de conexión durante la deposición de la capa emisora (ES) o la capa de pasivación de campo (FSF/BSF) sobre el lado posterior de la capa absorbedora (AS) y descubrir la zona de conexión.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 12, caracterizado por el paso de depositar adicionalmente otras capas funcionales (FS), especialmente también capas tampón o capas de siembra, por evaporación térmica, pulverización catódica o deposición en fase gaseosa, pudiendo algunas capas funcionales individuales (FS) presentar varias funciones.