Componente semiconductor y procedimiento para la producción de un contacto semiconductor de metal.

Célula solar, que comprende una primera capa (10) de material semiconductor, como sustrato, una segunda capa

(12) que transcurre sobre ésta, al menos dos capas intermedias (14, 16) que transcurren entre la primera y la segunda capa, configuradas a partir de los materiales de la primera y de la segunda capa, donde la primera capa intermedia (16) dirigida hacia la segunda capa (12), puede contener una mezcla eutéctica (18) de los materiales de la primera y de la segunda capa, así como un contacto eléctricamente conductor (15, 15a, 15b) que forma una conexión de conducción eléctrica con la primera capa, que parte de la segunda capa o la atraviesa, donde el contacto eléctricamente conductor (15, 15a, 15b) comprende un material soldable o que puede bañarse con metal, que partiendo del lado superior de la segunda capa (12), está aleado en ésta, caracterizada porque el lado posterior de la célula solar está cubierto totalmente por la segunda capa (12), y que el material soldable o que puede bañarse con metal está aleado hasta la zona de la primera capa intermedia (16).

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08158162.

Solicitante: SCHOTT SOLAR AG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HATTENBERGSTRASSE 10 55122 MAINZ ALEMANIA.

Inventor/es: BUSS,WERNER, VON CAMPE,DR. HILMAR, WILDPANNER,BERND.

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)

PDF original: ES-2527111_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Componente semiconductor y procedimiento para la producción de un contacto semiconductor de metal La invención se refiere a una célula solar, que comprende una primera capa consistente en un material semiconductor, como sustrato, una segunda capa que se extiende sobre ésta, al menos dos capas intermedias que transcurren entre la primera y la segunda capa, configuradas a partir de los materiales de la primera y de la segunda capa, donde la primera capa intermedia dirigida hacia la segunda capa puede contener una mezcla eutéctica de los materiales de la primera y de la segunda capa, así como un contacto eléctricamente conductor que forma una conexión eléctricamente conductora con la primera capa y que parte de la segunda capa o que la atraviesa, donde el contacto eléctricamente conductor comprende un material soldable o que puede bañarse con metal, que está aleado partiendo desde el lado superior de la segunda capa, en ésta.

La invención se refiere además, a un procedimiento para la producción de un contacto semiconductor de metal de una célula solar, que comprende una primera capa, como sustrato, de un material semiconductor, así como una segunda capa aplicada sobre ésta, de un material de contacto de base consistente en metal o con contenido de metal, donde tras la configuración de la segunda capa, se aplica sobre ésta un material soldable o que puede bañarse con metal.

En el sector de los semiconductores, particularmente en la producción de células solares, se utilizan debido a los costes de producción, contactos de metal sinterizados en el lado anterior o posterior de la célula.

Habitualmente sobre el lado posterior de una célula solar de silicio hay una capa de aluminio de gran superficie, que mediante tratamiento térmico durante la producción de la célula solar, se somete a un proceso de sinterización, con lo que al mismo tiempo produce una pasivación del lado posterior de la célula solar mediante un llamado campo de superficie posterior (BSF por sus siglas en inglés) .

Durante la sinterización, la capa de aluminio, que se encuentra en contacto directo con el sustrato de silicio que se señala como primera capa, se funde en la superficie límite entre la capa de aluminio y el sustrato de silicio, y se alea con la primera capa adyacente. Al enfriarse se fragua epitácticamente una capa de silicio dopada altamente con Al en el lado posterior de la placa dirigida hacia el Si, es decir, del sustrato. Simultáneamente a ello se fragua una capa de Al enriquecida con silicio en el lado dirigido hacia la capa de Al, y al final del proceso de enfriamiento se fragua un eutéctico de Al y Si entre la capa altamente dopada de aluminio y la capa enriquecida con silicio. La capa de silicio desarrollada epitácticamente dopada altamente con aluminio es responsable de la pasivación del lado posterior de la célula solar. Mediante el alto dopaje de Al se forma en el material semiconductor de la capa un excedente de aceptadores de Al fijos cargados negativamente, los cuales generan un campo eléctrico que rechaza los portadores minoritarios, el llamado campo de superficie posterior.

Si la capa de aluminio se extiende sobre todo el lado posterior de la célula solar o del sustrato, se da no obstante un problema de técnica de soldadura, ya que no es posible sin más, soldar directamente sobre el lado posterior de aluminio por ejemplo, conectores de metal revestidos de estaño o no revestidos de estaño, particularmente conectores de cobre. Para llevar a cabo a pesar de ello la puesta en contacto eléctrica necesaria, se aplican habitualmente guías conductoras de contacto de plata o puntos de soldadura directamente sobre la superficie del sustrato mediante impresión serigráfica, tampografía u otros procedimientos de impresión adecuados, y se sueldan a éstos las tiras de cobre revestidas de estaño. Como consecuencia se prevé en la zona de los contactos de soldadura una escotadura de la capa de aluminio, con la consecuencia de que en esta zona no se puede producir un campo de superficie posterior, de manera que la superficie del lado posterior de las células solares no está pasivizada eléctricamente por completo, y debido a ello aparecen fotocorrientes locales más reducidas. Esto tiene consecuencias negativas para el nivel del grado de eficiencia.

Dado que la plata es un material caro como materia prima, también debería renunciarse a ella para la reducción de los costes de producción. Debido a ello es deseable evitar completamente el contacto de Ag.

Una soldadura directa de las tiras de contacto sobre la capa de aluminio es difícil debido a varios motivos. Un motivo es la superficie oxidada de las partículas de Al. Otro motivo es que el lado superior del aluminio no tiene una configuración con un alcance suficientemente coherente debido al proceso de sinterización. De esta manera se produce durante el proceso de sinterización mediante la capa de aleación dopada con Si, una capa de Al en forma de partículas de Al individuales en forma de bola sinterizadas unas con otras (capa sinterizada) , en la que no se da una unión sinterizada de aluminio cerrada, sino relativamente suelta, que en dependencia de la composición de la pasta de aluminio o del parámetro del proceso durante la sinterización, es más o menos porosa. Los poros pueden estar rellenados con componentes de vidrio.

Si se consiguiese independientemente de ello, soldar sobre esta capa sinterizada de aluminio, solo se daría sin embargo debido a la porosidad y a la inestabilidad de la capa condicionada por ello, una sujeción muy limitada. Esta

sujeción más limitada se manifiesta en fuerzas de retención reducidas de aproximadamente 2-8 N, donde la capa sinterizada se rasga en sí, de manera que se reconocen en los dos lados del lugar de la rasgadura, la estructura de bolas de las partículas. Debido a ello existe el riesgo, de que la capa sinterizada se destruya durante un intento de retirar la tira de contacto. Lo mismo ocurre cuando la conexión de soldadura sobre la capa de aluminio está expuesta a las fuerzas de tracción que actúan en un módulo en las condiciones de funcionamiento. Pueden producirse pequeñas fisuras que conducen a una menor durabilidad del lugar de soldadura y que también pueden tener como consecuencia resistencias de paso mayores.

El documento US-A-4, 492, 812 se refiere a la configuración de contactos eléctricos en una célula solar. En este caso se da la posibilidad de aplicar sobre el lado posterior de la célula solar, o bien una mezcla de aluminio y un metal soldable, o aluminio y un material soldable por capas.

Son objeto del documento WO-A-2006/132766 contactos de células solares libres de plomo. Para ello se aplica primeramente una pasta de plata sobre una placa de silicio y se seca. A continuación, se imprime una pasta de contacto de aluminio y se seca.

Según el documento EP-A-0 729 189 se aplica sobre el lado posterior de una placa, una pasta de aluminio y plata o una pasta de aluminio con pequeños orificios, en los que se introduce entonces una pasta de plata, para colocar contactos eléctricos.

El documento JP-A-05326990 se refiere a la producción de un elemento fotoeléctrico, donde se aplica pasta de plata en el lado posterior de un sustrato de silicio, y entonces se seca. A continuación, se aplica una pasta de aluminio, que cubre parcialmente la pasta de plata.

Del documento US-A-4, 293, 451 se desprenden contactos para componentes semiconductores. En este caso se aplican metales elementales o aleaciones o combinaciones de éstos, como frita con un patrón deseado para un sustrato, y a continuación se calientan.

Según el documento US-A-4, 392, 010 se aplica una mezcla de aluminio y un material soldable sobre una superficie de silicio de una célula solar,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Célula solar, que comprende una primera capa (10) de material semiconductor, como sustrato, una segunda capa (12) que transcurre sobre ésta, al menos dos capas intermedias (14, 16) que transcurren entre la primera y la segunda capa, configuradas a partir de los materiales de la primera y de la segunda capa, donde la primera capa intermedia (16) dirigida hacia la segunda capa (12) , puede contener una mezcla eutéctica (18) de los materiales de la primera y de la segunda capa, así como un contacto eléctricamente conductor (15, 15a, 15b) que forma una conexión de conducción eléctrica con la primera capa, que parte de la segunda capa o la atraviesa, donde el contacto eléctricamente conductor (15, 15a, 15b) comprende un material soldable o que puede bañarse con metal, que partiendo del lado superior de la segunda capa (12) , está aleado en ésta, caracterizada porque el lado posterior de la célula solar está cubierto totalmente por la segunda capa (12) , y que el material soldable o que puede bañarse con metal está aleado hasta la zona de la primera capa intermedia (16) .

2. Célula solar según la reivindicación 1, caracterizada porque entre la primera capa (10) y la primera capa intermedia (16) que limita con la segunda capa (12) , transcurre la segunda capa intermedia (14) dopada con el material de la segunda capa, hasta la que se extiende el contacto (15, 15a, 15b) eléctricamente conductor que contiene el material soldable o que puede bañarse con metal.

3. Célula solar según la reivindicación 1, caracterizada porque la segunda capa (12) es o contiene al menos un material de contacto de base del grupo Al, In, Ga, B o una mezcla de materiales del grupo.

4. Célula solar según la reivindicación 1, caracterizada porque el material soldable o que puede bañarse con metal del contacto eléctricamente conductor (15, 15a, 15b) es o contiene al menos un material del grupo Sn, Pb, In, Ga, Cd, Fe, Ag, Au, Ti, Hf, Zn, Mg, Ca, Ba, material de soldadura o una mezcla de materiales del grupo.

5. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en la segunda capa intermedia (14) , que forma un campo de superficie posterior y consistente en el material semiconductor aleado con el material de contacto de base de la segunda capa (12) , se alea el material soldable o que puede bañarse con metal.

6. Célula solar según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la segunda capa (12) contiene de 0, 01 % en peso a 99, 9 % en peso, particularmente de 10 % en peso a 50 % en peso de material soldable o que puede bañarse con metal, como estaño o una aleación de estaño.

7. Procedimiento para la producción de un contacto semiconductor de metal (15, 15a, 15b) de una célula solar, comprendiendo una primera capa (10) , como sustrato, de material semiconductor, así como una segunda capa (12) aplicada sobre ésta, de un material de contacto de base de metal o con contenido de metal, donde tras la configuración de la segunda capa, se aplica sobre ésta un material soldable o que puede bañarse con metal (20) , caracterizado porque mediante la exposición a ultrasonidos, con una frecuencia f con 10 kHz â f â 100 kHz, el material soldable o que puede bañarse con metal se alea en la segunda capa (12) y al menos en una capa intermedia (14, 16, 18) que se configura entre la primera y la segunda capa durante la producción del componente semiconductor, y que el componente semiconductor se calienta durante la aleación a una temperatura T con 20 º C â T â 600 º C.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la exposición a ultrasonidos se lleva a cabo con una frecuencia f con 20 kHz â f â 80 kHz, preferiblemente 20 kHz o 40 kHz.

9. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el material soldable se aplica sobre la segunda capa (12) mediante rociado térmico, donde particularmente el material soldable o que puede bañarse con metal, se aplica con una velocidad v con 10 m/s â v â 3000 m/s, preferiblemente v â 300, donde preferiblemente durante el rociado térmico se expone el componente semiconductor a producir a una temperatura T con 0 º C â T â 500 º C, preferiblemente 20 º C â T â 600 º C, y/o que durante el rociado térmico, el componente semiconductor a producir se expone a ultrasonido con una frecuencia f con particularmente 10 kHz â f â 100 kHz, preferiblemente 20 kHz â f â 80 kHz, de manera particularmente preferida 20 kHz o 40 kHz.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque el material soldable o que puede bañarse con metal se alea mediante una exposición a temperatura puntual de la segunda capa (12) , particularmente por soldadura, en la segunda capa o en la segunda capa hasta al menos la capa intermedia.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado porque como material de contacto de base para la segunda capa (12) , se utiliza uno, que es o que contiene al menos un material del grupo Al, In, Ga, B o una mezcla de materiales del grupo.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque como material soldable o que puede bañarse con metal, se utiliza uno, que es o que contiene al menos un material del grupo Sn, In, Pb, Ga, Ag, Au, Cd, Fe, Ti, Hf, Zn, Mg, Ca, Ba o una mezcla de materiales del grupo, donde como material soldable o que puede bañarse con metal, se utiliza particularmente una aleación de Sn o que la contenga.