Dispositivo y procedimiento de texturización mecánica de una oblea de silicio destinada a constituir una célula fotovoltaica.

Dispositivo (1) de texturización mecánica de una oblea de silicio (4), destinada a constituir una célula fotovoltaica, que comprende una pluralidad de puntas

(3, 30, 31) de carburo de tungsteno y un soporte (2) que comprende una pluralidad de alojamientos (20) adaptados cada uno para alojar con deslizamiento una punta de carburo de tungsteno y medios para mantener apoyada cada una de la pluralidad de puntas contra la oblea de silicio según una fuerza constante independiente de las variaciones de grosor de dicha oblea.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/056660.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 25, rue Leblanc, Bâtiment "Le Ponant D" 75015 Paris FRANCIA.

Inventor/es: FEDERZONI, LUC, GARANDET,JEAN-PAUL, BANCILLON,JACKY, PIROT,MARC.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > H01L21/00 (Procedimientos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de dispositivos semiconductores o de dispositivos de estado sólido, o bien de sus partes constitutivas)
  • 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... > H01L31/18 (Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas)

PDF original: ES-2464526_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Dispositivo y procedimiento de texturización mecánica de una oblea de silicio destinada a constituir una célula fotovoltaica 5

Ámbito técnico La invención se refiere a un dispositivo y un procedimiento de texturización de una oblea de silicio destinada a constituir una célula fotovoltaica.

La invención se refiere asimismo a una oblea de silicio obtenida, en particular una oblea de multicristalino.

Técnica anterior

Las células fotovoltaicas (FV) se fabrican mayoritariamente a partir de silicio mono o multicristalino en hileras que aplican el procesamiento de obleas de silicio en un entorno de sala blanca. La primera de esta etapa es una texturización de la superficie de la oblea destinada a disminuir su reflectividad.

En el procedimiento estándar utilizado a escala industrial, los lingotes cristalizados son cortados con sierra de hilo en obleas que se texturizan por ataque químico para mejorar la captura de la luz. Para optimizar el procedimiento, se pretende en general obtener estructuras que tienen como tamaño algunos micrómetros. Este ataque químico puede realizarse bien en medio ácido o bien en medio básico.

En los dos casos mencionados anteriormente, la técnica permite efectivamente disminuir la reflectividad, pero tiene el 25 inconveniente de requerir el procesamiento de cantidades importantes de efluentes químicos.

Se ha propuesto una vía alternativa, basada en un procedimiento de grabado mecánico (herramienta de estructura constituida por una pieza metálica micromecanizada con estrías en forma de V y revestida por una capa abrasiva constituida por granos de diamante) por la Universidad de Constanza [1]. El procedimiento ha demostrado su eficacia y su capacidad para no provocar defectos susceptibles de afectar a los rendimientos de conversión energética de las células FV. Asimismo, los problemas de productividad (duración de procesamiento de algunos segundos por placa) y del desgaste de las herramientas de estructura se han resuelto. Sin embargo, problemas de mecanizado (especialmente en lo que se refiere al radio de curvatura de las puntas) y de granulometría de los polvos de diamante limitan la eficacia del procedimiento. En la práctica, la resolución espacial del grabado se encuentra limitada normalmente a valores del orden de 50 μm.

En el otro extremo, en términos de escala, se pueden mencionar los trabajos realizados por grabado con una punta AFM [2]. Entonces es posible obtener motivos extremadamente finos y cuyas caras son muy limpias a escala submicrónica. Sin embargo, las velocidades de desplazamiento de la punta son muy lentas (en el mejor de los casos, el centenar de micrómetros por segundo) y por lo tanto incompatibles con un procedimiento industrial.

Por lo tanto no existe ningún procedimiento sencillo y eficaz que permita el grabado de alta velocidad de obleas de silicio para formar texturas de dimensión característica de aproximadamente la decena de micrómetros. El problema es aún más complejo debido a que el corte de los lingotes con sierra de hilo induce variaciones de grosor, que en el

procedimiento clásico de abrasión por partículas de carburo de silicio, son del orden de 30-40 μm [3]. Incluso con procedimientos más sofisticados y más costosos con partículas de diamante, parece difícil bajar de una profundidad de 10 μm [3].

Además, se procede en general a un preprocesamiento químico que permite eliminar la zona endurecida en frío después del corte. Debido a la cinética de diferentes ataques según los granos cristalinos, este preprocesamiento también tiene como efecto aumentar la rugosidad de las obleas. En conclusión, las variaciones de cotas en las obleas listas para ser texturizadas son, salvo caso excepcional, significativamente superiores a 10 μm.

En estas condiciones, ninguna de las técnicas propuestas en la literatura permite realizar una texturización mecánica de 55 una oblea de silicio con motivos de grabado de una profundidad del orden de la decena de μm.

El objeto de la invención es por lo tanto proponer una solución para realizar una texturización de una oblea de silicio con motivos de grabado uniformes de dimensión característica comprendida entre 5 y 50 μm en una superficie susceptible de presentar defectos de planeidad de entre 5 y 50 μm a velocidades compatibles con los imperativos de producción de las fábricas de células FV, típicamente una duración de texturización de algunos segundos por oblea de silicio.

Un objeto más general es proponer una solución simple de aplicar y eficaz.

Exposición de la invención 65 Para ello, la invención tiene por objeto un dispositivo de texturización mecánica de una oblea de silicio, destinada a constituir una célula fotovoltaica, que comprende una pluralidad de puntas de carburo de tungsteno y un soporte que comprende una pluralidad de alojamientos adaptados cada uno para alojar con deslizamiento una punta de carburo de tungsteno y medios para mantener apoyada cada una de la pluralidad de puntas contra la oblea de silicio según una fuerza constante independiente de las variaciones de grosor de dicha oblea.

Preferiblemente, el soporte está adaptado para alojar con deslizamiento libre las puntas. Los medios de mantenimiento del apoyo están entonces ventajosamente constituidos por el propio peso de cada una de las puntas.

Es decir, según la invención, se realiza una texturización por grabado mecánico utilizando un sistema de auto-regulación de la fuerza de apoyo adaptado a la texturización de obleas de silicio no planas a escala de algunas decenas de micrómetros.

Para resolver la dificultad vinculada a los defectos de planeidad, la invención utiliza un sistema en el que la pluralidad de las puntas de grabado se desliza libremente para seguir los cambios de nivel de la superficie que se ha de grabar. La fuerza de apoyo sigue siendo por lo tanto igual al peso de la punta, cualquiera que sea el nivel geométrico de la superficie que se ha de grabar. El desplazamiento vertical de las puntas es guiado por un soporte.

Se puede considerar que el principio del grabado que utiliza una masa pesada es conocido [4], pero la solución según este documento [4] US 4821250A es aplicada localmente por una punta para grabar un surco. Ahora bien, una especificidad de este problema que se encuentra en la base de la invención, es la necesidad de texturizar de manera colectiva, es decir simultáneamente en toda la superficie que se ha de grabar, una oblea de silicio para cumplir la especificación de duración de texturización.

De este modo, el dispositivo según la invención comprende una pieza de estructura (soporte) con alojamientos en los que se insertan las puntas. Estos alojamientos están desfasados los unos respecto de los otros por una distancia d que define el paso de grabado. Los alojamientos están separados unos de otros para asegurar la cohesión mecánica del conjunto. La parte inferior de los alojamientos tienen forma de trapecio, con un ángulo en el vértice superior al de las puntas para permitir su deslizamiento vertical.

Para obtener perfiles de grabado de una profundidad del orden de 5-20 μm, típica de lo que se aplica de manera convencional para las aplicaciones FV, se prefiere una fuerza de apoyo comprendida entre 0, 1 y 2 N, preferiblemente 0, 3 a 1 N. Ahora bien, no era en absoluto evidente que las obleas de silicio pudiesen aguantar sometidas al esfuerzo, pero las pruebas realizadas muestran que es el caso sin problema hasta fuerzas de apoyo de 2 N, salvo en el caso de obleas que presentan iniciaciones de ruptura importantes.

Otra dificultad se refiere al volumen geométrico del sistema. En efecto, las dimensiones de las puntas (asimiladas a paralelepípedos... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo (1) de texturización mecánica de una oblea de silicio (4) , destinada a constituir una célula fotovoltaica, que comprende una pluralidad de puntas (3, 30, 31) de carburo de tungsteno y un soporte (2) que comprende una pluralidad

de alojamientos (20) adaptados cada uno para alojar con deslizamiento una punta de carburo de tungsteno y medios para mantener apoyada cada una de la pluralidad de puntas contra la oblea de silicio según una fuerza constante independiente de las variaciones de grosor de dicha oblea.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el soporte está adaptado para alojar con deslizamiento libre las puntas.

1.

3. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que los medios de mantenimiento de apoyo están constituidos por el propio peso de cada una de las puntas (3, 30, 31) .

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las puntas tienen una parte inferior (31) en forma de un 15 prisma recto de base triangular cuyo ángulo en el vértice es inferior al (200) de los alojamientos (20) adaptados para alojarlas.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, en el que el ángulo en el vértice del triángulo de las puntas (31) está comprendido entre 30 y 45º.

2.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el paso de grabado d está comprendido entre 5 μm y 40 μm.

7. Procedimiento de texturización mecánica de una oblea de silicio (4) , destinado a constituir una célula fotovoltaica, 25 realizado por un dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, según el cual se aplica una fuerza de apoyo constante comprendida entre 0, 1 y 2 N.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, según el cual se aplica una fuerza de apoyo constante comprendida entre 0, 3 N y 1 N.

3.

9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, según el cual al menos una parte de la fuerza de apoyo es generada por una presión de gas aplicada sobre las puntas.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, según el cual el soporte se desplaza a una 35 velocidad comprendida entre 5 y 100 mm/s.