CAPA CONDUCTORA TRANSPARENTE TEXTURADA Y SU PROCEDIMIENTO DE REALIZACION.

Capa conductora transparente texturada depositada sobre un sustrato destinado a un dispositivo fotoeléctrico y que presenta una morfología de superficie formada por una alternancia de resaltos y de huecos,

caracterizada por que

- sus huecos tienen un fondo redondeado cuyo radio es superior a 25 nm;

- dichos huecos son prácticamente lisos, es decir que, si presentan microasperezas, éstas tienen de media una altura inferior a 5 nm; y

- sus flancos forman con el plano del sustrato un ángulo cuya media del valor absoluto está comprendida entre 30º y 75º

Capa conductora transparente texturada y su procedimiento de realización.

El presente invento se refiere al campo de los dispositivos fotoeléctricos. Se refiere más particularmente a una capa conductora transparente dispuesta sobre un sustrato destinado a un dispositivo fotoeléctrico en capas delgadas. Tal capa es más a menudo denominada por los especialistas capa o electrodo de TCO (del inglés transparent conductive oxide). El invento se refiere también a un procedimiento de realización de este electrodo.

El presente invento encuentra una aplicación particularmente interesante para la realización de células fotovoltaicas destinadas a la producción de energía eléctrica, aunque también se aplica de forma más general a cualquier estructura en la que una radiación luminosa es convertida en una señal eléctrica, tal como los fotodetectores.

En el estado actual de la técnica los dispositivos fotoeléctricos en capas delgadas, que típicamente tienen un espesor inferior a 10 µm, están constituidos por un sustrato transparente o no, flexible o rígido, y depositada sobre éste una capa fotoeléctricamente activa formada por un material semiconductor inorgánico o, más raramente, orgánico, y que hace contacto en una parte y con otra con dos electrodos, de los que uno al menos es transparente. La capa del semiconductor está generalmente constituida por el apilamiento de una capa de tipo p, por una capa activa de tipo intrínseco, y por una capa de tipo n, que forman conjuntamente una unión p-i-n o n-i-p. El material utilizado es principalmente el silicio amorfo o microcristalino hidrogenado. En el caso de una capa fotoeléctricamente activa orgánica, ésta está generalmente constituida por el apilamiento de una capa de tipo p y de una capa de tipo n. El material utilizado es, por ejemplo, un polímero.

A fin de limitar los costes de fabricación del dispositivo fotoeléctrico la capa activa intrínseca debe ser relativamente delgada (entre 100 nm y algunos micrones). Sin embargo, tal capa lleva a una baja cantidad de luz absorbida, sobre todo para los materiales de espacio separador indirecto, tales como el silicio microcristalino y, por lo tanto, a una eficacia reducida. Para compensar este efecto es pues necesario aumentar al máximo el recorrido óptico de la luz en el seno de la capa intrínseca. Esto se hace generalmente mediante el empleo de un sustrato -o capa- de TCO texturado, que permite difundir o difractar la luz incidente y así aumentar la longitud del camino de la luz en la capa activa.

El documento DE 197 13 215 describe una célula solar cuyo sustrato está recubierto por una capa de TCO, ventajosamente de óxido de zinc (ZnO), formada por pulverización catódica en una atmósfera de argón a partir de un blanco de ZnO dopado con aluminio. A fin de conferir una rugosidad a esta capa de TCO, normalmente sin asperezas, es atacada bien por un procedimiento químico con la ayuda de una solución ácida, bien por un procedimiento químico con la ayuda de una solución ácida, bien por un procedimiento electroquímico (ataque anódico o ataque iónico reactivo). El ataque puede hacerse durante o después del depósito de la capa de TCO.

Tal procedimiento, no obstante, adolece de varios inconvenientes. Primeramente, el equipo de pulverización catódica y los blancos necesarios son relativamente costosos, lo que sobrecarga de forma sensible el coste de las células así producidas. En segundo lugar, el ataque de la capa de TCO es delicado. Tiene que ser dosificada con cuidado, sin lo cual se obtiene en la capa de TCO una morfología de la superficie especialmente con grandes cráteres, lo que no es favorable para la captación óptica mediante trampa, así como interrupciones que son poco propicias para un buen crecimiento ulterior de la capa fotoeléctrica.

El documento JP62-297 propone depositar una capa de TCO por evaporación y no por vía química e interrumpir esta operación para ablandar la superficie de la capa por un ataque mediante un plasma de argón.

Tal enfoque aplicado a la realización de una célula fotovoltaica conduciría, a causa de un depósito por evaporación, a una lámina con una rugosidad muy baja, claramente insuficiente en todo caso para conferirle una capacidad de captación óptica mediante trampa aceptable para esta aplicación. La acción de un plasma de argón sobre la capa depositada serviría para reducir aún más la rugosidad de la capa, lo que la haría casi incapaz de asegurar la función de captación óptica mediante trampa de una célula fotovoltaica.

Una indicación de la capacidad de captación óptica mediante trampa de una capa está dada por el "Factor Haze" que toma el valor 0% cuando ninguna parte de la luz incidente es difundida y el valor 100% cuando toda la luz recibida es difundida. Por supuesto, el "Factor Haze" de una célula solar debe tener un valor lo más elevado posible, normalmente el 10% como mínimo. Ahora bien, los valores suministrados en el documento JP antes mencionado son respectivamente del 2 al 5% antes de la acción de un plasma de argón y del 0,5% tras el tratamiento. Estos valores muestran bien que el ataque por plasma de argón de una capa depositada por evaporación no está dirigido al campo de las células fotovoltaicas.

El documento EP 1.443.527 describe una capa de TCO texturada que presenta una morfología de superficie formada por una alternancia de huecos planos que poseen numerosas microasperezas que tienen una base de 0,1 a 0,3 µm, una altura de 0,05 a 0,2 µm y un paso (distancia entre los picos) de 0,1 a 0,3 µm. Tales microasperezas son sin embargo poco propicias para un buen crecimiento posterior de la capa fotoeléctrica. Además, debido a su pequeño tamaño, aumentan poco la captación mediante trampa de la luz en la gama que interesa (rojo e infrarrojo). Por otra parte, el hecho de que los huecos sean planos tiene el inconveniente de aumentar la reflexión de la luz y, debido a esto, de disminuir la luz inyectada en el dispositivo fotovoltaico reduciendo así otro tanto la corriente fotogenerada.

Uno de los fines del presente invento es suministrar una capa de TCO que tenga una buena capacidad de captación mediante trampa de la luz asegurando a la vez un posterior crecimiento satisfactorio de la capa fotoeléctrica.

De forma más precisa el invento se refiere a una capa conductora transparente texturada depositada sobre un sustrato destinado a un dispositivo fotoeléctrico y que presenta una morfología de la superficie formada por una alternancia de resaltos y de huecos. Según el invento, esta capa está caracterizada por que:

- sus huecos tienen un fondo redondeado cuyo radio de curvatura es superior a 25 nm aproximadamente;

- dichos huecos son prácticamente lisos, es decir que presentan microasperezas, teniendo éstas de media una altura inferior a 5 nm; y

- sus flancos forman con el plano del sustrato un ángulo cuya media del valor absoluto está comprendida entre 30º y 75º aproximadamente.

El invento se refiere igualmente a un procedimiento de realización, sobre un sustrato destinado a un dispositivo fotoeléctrico, de una capa conductora transparente texturada. Este procedimiento implica las operaciones esenciales siguientes:

- depósito sobre el sustrato, por vía química, de una capa rugosa que difunde la luz; y

- ataque de esta capa rugosa por un plasma de forma que se obtenga una capa que presente una morfología de la superficie formada por una alternancia de resaltos y de huecos;

- teniendo dichos huecos un fondo redondeado cuyo radio es superior a 25 nm;

- siendo prácticamente lisos dichos huecos, es decir que, si se presentan microasperezas, éstas tienen de media una altura inferior a 5 nm; y

- formando los flancos de la capa con el plano del sustrato un ángulo cuya media del valor absoluto está comprendida entre 30º y 75º;

a fin de conferir una morfología propicia para un buen crecimiento posterior de una capa fotoeléctrica depositada sobre ella sin disminución de su poder de difundir la luz incidente.

Otras características del invento surgirán de la descripción que sigue, realizada con respecto a un dibujo anejo, en el que:

- la figura 1 representa el perfil (altura en función de la posición) de una capa de ZnO depositada por vía química, respectivamente antes (a) y después (b) de su ataque por un plasma de argón;

- la figura 2 es un gráfico que muestra la evolución de la rugosidad R_rms de esta capa en función de la duración...

1. Capa conductora transparente texturada depositada sobre un sustrato destinado a un dispositivo fotoeléctrico y que presenta una morfología de superficie formada por una alternancia de resaltos y de huecos, caracterizada por que

- sus huecos tienen un fondo redondeado cuyo radio es superior a 25 nm;

- dichos huecos son prácticamente lisos, es decir que, si presentan microasperezas, éstas tienen de media una altura inferior a 5 nm; y

- sus flancos forman con el plano del sustrato un ángulo cuya media del valor absoluto está comprendida entre 30º y 75º.

2. Capa conductora según la reivindicación 1, caracterizada por que su rugosidad, determinada por la distancia típica de las alturas de los puntos que constituyen su superficie está comprendida entre 40 y 250 nm.

3. Capa conductora según la reivindicación 2, caracterizada por que la rugosidad de sus huecos, determinada por la distancia típica de las alturas de los puntos que constituyen su superficie, es inferior a 3 nm.

4. Capa conductora según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que la distancia típica entre sus resaltos y sus huecos está comprendida entre 100 y 800 nm.

5. Capa conductora según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que la distancia entre las puntas de sus resaltos está comprendida entre 100 y 1.500 nm.

6. Procedimiento de realización sobre un sustrato destinado a un dispositivo fotoeléctrico de una capa conductora transparente texturada, caracterizado por que consta de las siguientes operaciones esenciales:

- depósito sobre el sustrato, por una vía química, de una capa rugosa que difunde la luz; y

- ataque de esta capa rugosa por un plasma de forma que se obtiene una capa que presenta una morfología de superficie formada por una alternancia de resaltos y de huecos,

- teniendo dichos huecos un fondo redondeado cuyo radio es superior a 25 nm;

- siendo dichos huecos prácticamente lisos, es decir que, si presentan microasperezas, éstas tienen de media una altura inferior a 5 nm; y

- los flancos de la cabeza forman con el plano del sustrato un ángulo cuya media del valor absoluto está comprendida entre 30º y 75º;

con el fin de conferir a dicha capa una morfología propicia a un buen crecimiento posterior de una capa fotoeléctrica depositada sobre ella sin disminución de su poder de difundir la luz incidente.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado por que la operación de depósito por vía química se realiza mediante una de las técnicas del grupo que comprende: CVD baja presión (LPCVD), CVD a presión atmosférica (APCVD), CVD fotoinducido organometálico (photo-MOCVD), Baño químico solgel (CBD), Evaporación reactiva, CVD por plasma (PECVD), Chorro de vapor, Pirólisis por evaporación y Pulverización magnetrón RF.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado por que dicha capa comprende un óxido elegido entre los del grupo SnO₂, ZnO, ITO, In₂O₃, Cd₂SnO₄, así como una combinación de estos óxidos.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado por que la operación de ataque se realiza con la ayuda de un plasma de gas elegido entre los del grupo que comprende el helio, el neón, el argón, el kriptón, el xenón y el radón.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por que dicho gas va acompañado de al menos otro gas elegido de entre los del grupo que comprende el hidrógeno, el nitrógeno, el cloro, el metano, el agua y el dióxido de carbono.