Célula solar y procedimiento para su fabricación.

Célula solar que comprende un sustrato de silicio (1), un lado anterior (2) configurado para el acoplamiento de luz y un lado posterior

(3), caracterizada por que el lado anterior tiene, al menos en una zona parcial, una textura de lado anterior que es periódica a lo largo de una dirección espacial A con una longitud de período superior a 1 μm y el lado posterior tiene, al menos en una zona parcial, una textura de lado posterior que es periódica a lo largo de una dirección espacial B con una longitud de período inferior a 1 μm, estando la dirección espacial A situada con un ángulo entre 80 ° y 100 ° grados con respecto a la dirección espacial B.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/003396.

Solicitante: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V..

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HANSASTRASSE 27C 80686 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: HAUSER, HUBERT, GOLDSCHMIDT,Jan Christoph, PETERS,Marius, BLÄSI,BENEDIKT, HERMLE,MARTIN, BERGER,PAULINE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/0236 (Texturas de superficie particulares)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación... > H01L31/052 (Medios de refrigeración directamente asociado o integrado con la célula fotovoltaica, p. ej. elementos Peltier integrado para la refrigeración activa o disipadores de calor directamente asociados con las células fotovoltaicas (medios de refrigeración en combinación con el módulo fotovoltaico H02S 40/42))

PDF original: ES-2525207_T3.pdf

 

google+ twitter facebook

Fragmento de la descripción:

Célula solar y procedimiento para su fabricación La invención se refiere a una célula solar, que comprende un sustrato de silicio, un lado anterior configurado para el acoplamiento de luz y un lado posterior según el preámbulo de la reivindicación 1 así como a un procedimiento para su fabricación.

Células solares de silicio de semiconductor sirven para convertir radiación electromagnética, que incide en la célula solar, en energía eléctrica. Para ello, luz se acopla en la célula solar a través del lado anterior configurado para el acoplamiento de luz, de modo que se generan pares de agujeros de electrones mediante absorción en el sustrato de silicio. En una transición pn se realiza la separación de soporte de carga. A través de contactos eléctricos de una zona p y de una zona n, la célula solar se puede conectar con un circuito de corriente externo.

Es fundamental para el rendimiento de una célula solar, además de las propiedades eléctricas, el rendimiento lumínico. El rendimiento lumínico designa la relación entre la radiación electromagnética que incide en el lado anterior con respecto a la generación global de pares de agujeros de electrones debido al acoplamiento de luz en la célula solar.

Dado que el silicio es un semiconductor indirecto y, con ello, tiene unos valores de absorción menores para la radiación incidente con respecto a semiconductores directos, es relevante en particular en células solares de silicio también la prolongación del trayecto de luz dentro de la célula solar para aumentar el rendimiento lumínico: debido a las propiedades de absorción pequeñas, una parte de la luz de mayor longitud de onda atraviesa la célula solar e incide en el lado posterior de la célula solar. Para aumentar el rendimiento lumínico es conocido, por tanto, configurar el lado posterior de manera reflejante, de modo que un rayo de luz que incide en el lado posterior se vuelve a reflejar en la dirección hacia el lado anterior.

Para aumentar el rendimiento lumínico es conocido además aumentar el acoplamiento de luz mediante una textura de lado anterior, por ejemplo, en forma de pirámides invertidos, dado que rayos incidentes también inciden al menos sobre una superficie de lado anterior adicional en caso de una reflexión por primera vez, de modo que se aumenta el acoplamiento de luz global. Además, se realiza un acoplamiento oblicuo de los rayos de luz, de modo que se consigue un trayecto de luz más largo con respecto a una superficie plana dentro del sustrato de silicio hasta que incida en el lado posterior y, además, existe una mayor probabilidad de una reflexión total en el lado posterior debido al ángulo menos inclinado al incidir en el lado posterior. Esto último es importante en particular cuando el lado posterior está azogado, por ejemplo, mediante una capa de óxido de silicio y una capa metálica situada por encima de la misma.

Una célula solar de silicio de alta eficiencia con una textura compuesta por pirámides invertidos en el lado anterior y un lado posterior azogado está descrita en el documento DE 195 22 539 A1. En particular en el caso de células solares de silicio de oblea de alta eficiencia se consigue un aumento claro del rendimiento lumínico mediante una textura en el lado anterior y un azogado del lado posterior. Sin embargo, los fotones que inciden en el lado posterior se reflejan, según las reglas de la óptica de rayos, directamente sobre el lado anterior, de modo que una parte de los fotones vuelve a salir de la célula solar y no se puede aprovechar para la conversión de energía. Esto es válido en particular para los fotones de ondas largas, y la pérdida es mayor cuanto más delgada es la respectiva célula solar.

Sin embargo, debido a la parte fundamental del material de semiconductor en los costes globales en la fabricación de una célula solar, figura en primer plano el desarrollo de células solares de silicio de alta eficiencia más delgadas.

La invención se basa por tanto en el objetivo de crear una célula solar de silicio y un procedimiento para fabricar una célula solar de este tipo con la que esté aumentado el rendimiento lumínico, en particular en caso de una radiación de ondas largas.

Este objetivo se consigue mediante una célula solar según la reivindicación 1 y mediante un procedimiento para fabricar una célula solar según la reivindicación 16. Configuraciones ventajosas de la célula solar según la invención 55 se encuentran en las reivindicaciones 2 a 15; configuraciones ventajosas del procedimiento según la invención se encuentran en las reivindicaciones 17 a 19.

La célula solar según la invención comprende un sustrato de silicio, un lado anterior configurado para el acoplamiento de luz y un lado posterior opuesto a éste.

Es fundamental que el lado anterior tenga, al menos en una zona parcial, una textura de lado anterior que es periódica a lo largo de una dirección espacial A con una longitud de período superior a 1 μm, y que el lado posterior tenga, al menos en una zona parcial, una textura de lado posterior que es periódica a lo largo de una dirección espacial B con una longitud de período inferior a 1 μm. A este respecto, la dirección espacial A está situada con un 65 ángulo de entre 80 º y 100 º grados con respecto a la dirección espacial B. En una vista desde arriba del lado anterior de la célula solar, la dirección espacial A de la extensión periódica de la textura de lado anterior y la

dirección espacial B de la extensión periódica de la textura de lado posterior encierran, por consiguiente, un ángulo de entre 80 º y 100 º .

Una textura se denomina periódica cuando existe un vector V (V â  0) para el que es válido: una traslación en V y múltiplos de número entero de V traslada la textura en sí misma. El vector generador de un período es el vector más pequeño posible Vâ? que cumple con este requisito. Periodicidad existe sólo cuando existe el vector más pequeño posible de este tipo. Para Vâ? es válido que exclusivamente traslaciones de Vâ? y múltiplos de número entero de Vâ? trasladan la textura en sí misma. La longitud de Vâ? es la longitud de período. Si existe sólo un vector (linealmente independiente) de este tipo, se habla de periodicidad lineal. Preferiblemente, las texturas de lado anterior y de lado posterior tienen una periodicidad lineal.

La dirección espacial A discurre a este respecto de manera paralela al lado anterior y la dirección espacial B discurre de manera paralela al lado posterior. La denominación "paralela" se refiere a este respecto y a continuación a las superficies no texturadas respectivamente del lado anterior y del lado posterior, es decir, planos llanos imaginarios que representarían el lado anterior o el lado posterior no texturados. Típicamente, el lado anterior es paralelo al lado posterior. La indicación "una dirección espacial X discurre de manera paralela a un plano E" se debe entender de modo que el vector, que representa X, está situado en el plano E, esto es, todos los puntos de X también son puntos de E.

A diferencia de las células solares de silicio típicas de alta eficiencia, la célula solar según la invención tiene, por consiguiente, una textura tanto en el lado anterior como en el lado posterior. Sin embargo, es fundamental que ambas texturas tengan una periodicidad diferente. Esto se debe a lo siguiente:

En células solares de silicio, debido a las propiedades de absorción de silicio, las longitudes de onda de la radiación electromagnética, que se puede convertir de manera eficaz en energía eléctrica, están situadas en el intervalo de 200 nm a 1.200 nm, disminuyendo mucho la absorción para grosores de célula típicos a partir de aproximadamente 1.000 nm. Texturas... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Célula solar que comprende un sustrato de silicio (1) , un lado anterior (2) configurado para el acoplamiento de luz y un lado posterior (3) , caracterizada por que el lado anterior tiene, al menos en una zona parcial, una textura de lado anterior que es periódica a lo largo de una dirección espacial A con una longitud de período superior a 1 μm y el lado posterior tiene, al menos en una zona parcial, una textura de lado posterior que es periódica a lo largo de una dirección espacial B con una longitud de período inferior a 1 μm, estando la dirección espacial A situada con un ángulo entre 80 º y 100 º grados con respecto a la dirección espacial B.

2. Célula solar según la reivindicación 1, caracterizada por que la dirección espacial A está situada con un ángulo entre 85 º y 95 º grados, preferiblemente en ángulo recto, con respecto a la dirección espacial B.

3. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la textura de lado anterior no tiene una periodicidad o tiene una periodicidad con una longitud de período de al menos 30 μm,

preferiblemente de al menos 50 μm en una dirección espacial Aâ? perpendicular a la dirección espacial A y/o por que, en la dirección espacial Aâ?, la altura de la textura de lado anterior no cambia por más de 2 μm, preferiblemente, por que, en la dirección espacial Aâ?, la textura de lado anterior tiene un altura aproximadamente constante.

4. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la textura de lado posterior no tiene una periodicidad o tiene una periodicidad con una longitud de período de al menos 5 μm, preferiblemente de al menos 10 μm, más preferiblemente de al menos 30 μm, en particular de al menos 50 μm, en una dirección espacial Bâ? perpendicular a la dirección espacial B y/o por que, en la dirección espacial Bâ?, la altura de la textura de lado posterior no cambia por más de 50 nm, preferiblemente, por que, en la dirección espacial Bâ?, la textura de lado posterior tiene una altura aproximadamente constante y/o por que, en la dirección espacial Bâ?, la textura de lado posterior no tiene una periodicidad o tiene una periodicidad con una longitud de período que corresponde al menos a 5 veces, preferiblemente al menos a 10 veces, más preferiblemente al menos a 15 veces la longitud de período de la textura de lado posterior en la dirección espacial B.

5. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la textura de lado anterior es una textura que se extiende en una dirección espacial Aâ? perpendicular a la dirección espacial A y/o la textura de lado posterior es una textura que se extiende en una dirección espacial Bâ? perpendicular a la dirección espacial B, preferiblemente, por que la textura de lado anterior en la dirección espacial Aâ? y/o la textura de lado posterior en la dirección espacial Bâ? tienen respectivamente una superficie de sección transversal aproximadamente constante y una forma de superficie de sección transversal aproximadamente constante.

6. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la textura de lado anterior es una textura refractiva y/o la textura de lado posterior es una textura difractiva.

7. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la periodicidad de la textura de lado anterior es superior a 3μ, preferiblemente superior a 5 μm y/o por que la periodicidad de la textura de lado posterior es inferior a 800 nm, preferiblemente inferior a 600 nm.

8. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la célula solar comprende un sustrato de silicio monocristalino (1) en cuyo lado anterior (2) está configurada la textura de lado

anterior y por que la textura de lado anterior tiene superficies de sección transversal triangulares o por que la célula solar comprende un sustrato de silicio multicristalino (1) en cuyo lado anterior (2) está configurada la textura de lado anterior y por que las superficies de sección transversal de la textura de lado anterior tienen delimitaciones parabólicas o son segmentos circulares, preferiblemente semicírculos.

9. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la textura de lado posterior tiene una sección transversal al menos aproximadamente en forma de diente de sierra o en forma de escalera o por que la textura de lado posterior tiene una sección transversal en forma de almena.

10. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el lado anterior (2)

comprende una o varias capas ópticas respectivamente con un grosor inferior a 1 μm para aumentar el acoplamiento de luz en el lado anterior (2) .

11. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la textura de lado anterior está configurada en el lado anterior (2) y/o la textura de lado posterior está configurada en el lado posterior (3) del sustrato de silicio.

12. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que en el lado posterior (3) está aplicada una capa de lado posterior, preferiblemente una capa dieléctrica, sobre la textura de lado posterior, estando la textura de lado posterior cubierta completamente por la capa dieléctrica, en particular por que sobre la 65 capa de lado posterior está aplicada una capa metálica, preferiblemente por que la capa metálica tiene una pluralidad de conexiones eléctricamente conductoras con la textura de lado posterior.

13. Procedimiento para fabricar una célula solar que comprende un sustrato de semiconductor con un lado anterior y un lado posterior (3) , que comprende las siguientes etapas de procedimiento:

A Generar una textura de lado anterior al menos en una zona parcial del lado anterior, siendo la textura de lado anterior periódica a lo largo de una dirección espacial A con una longitud de período superior a 1 μm, B Generar una textura de lado posterior, al menos en una zona parcial del lado posterior, que es periódica a lo largo de una dirección espacial B con una longitud de período inferior a 1 μm, estando la dirección espacial A situada en un ángulo de entre 80 º y 100 º grados con respecto a la dirección espacial B.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado por que la generación de la textura de lado posterior en la etapa de procedimiento B comprende las siguientes etapas de procedimiento:

B1 Aplicar una capa de enmascarado resistente a grabado, B2 Estructurar la capa de enmascarado mediante un procedimiento de estampado y 15 B3 Grabar las zonas del lado posterior (3) que no están cubiertas por la capa de enmascarado.

15. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 13 a 14, caracterizado por que tras la etapa B se aplica una capa de lado posterior, preferiblemente una capa dieléctrica, sobre la textura de lado posterior y ésta se aplica de manera que cubre completamente, y/o por que sobre el lado posterior (3) o sobre capas que cubren el lado posterior (3) se aplica una capa metálica y la capa metálica se une de manera eléctricamente conductora en una pluralidad de puntos con el sustrato de semiconductor, preferiblemente mediante una fusión local mediante radiación láser.