PROCEDIMIENTO PARA LA FABRICACION DE UNA CELULA SOLAR.

Procedimiento para la fabricación de una célula solar con la formación de una capa que contenga silicio conteniendo hidrógeno en forma de una capa de pasivación y/o antirreflexión sobre un sustrato consistente en silicio o que lo contenga tal como una oblea o lámina,

caracterizado porque, durante la formación de la capa que contiene silicio en forma de SiNxOy con 0 < x =q 1,5 y 0 =q y =q 2, se añaden selectivamente en el mismo una o varias sustancias dopantes de acción catalítica con una concentración C con 1 x 1014 cm-3 =q C =q 1 x 1021 cm-3, que liberan hidrógeno de la capa de SiNxOy y/o afectan a la estructura de la capa para incrementar la liberación de hidrógeno

Procedimiento para la fabricación de una célula solar.

La presente invención hace referencia a un procedimiento para la fabricación de una célula solar, con la formación de una capa que contenga silicio conteniendo hidrógeno en forma de una capa de pasivación y/o antirreflexión sobre un sustrato consistente en silicio, o que lo contenga, como una oblea o lámina.

Más del 80% de todas las células solares se fabrican actualmente a partir de obleas de silicio cristalinas, elaboradas bien por el método de Czochralski o por medio de colada de lingotes. Además, se cristaliza una fusión de silicio en forma de columna circular o de sillar y, posteriormente, se corta en obleas individuales. Este elevado porcentaje que se menciona se incrementará claramente en los próximos años, supuestamente, por nuevas capacidades de fabricación, ya que muchos fabricantes prefieren las técnicas de producción ampliamente acreditadas, basadas en obleas de silicio cristalinas, frente a las nuevas tecnologías.

Como alternativa futura a las células solares de obleas de silicio (de grosor típico de aprox. 300 µm) se discuten actualmente las células solares de capa fina, que, en comparación con las células solares de obleas cristalinas de silicio, se fabrican significativamente con menos material semiconductor (grosor aprox. 1-10 µm). Estas células pueden aplicarse con diversos procedimientos directamente sobre grandes superficies de vidrio y prometen, por tanto, claros potenciales de reducción de costes. Ya se comercializan células solares de capa fina de silicio amorfo con rendimientos en el rango del 6-8%. Mayores rendimientos se pueden obtener con semiconductores compuestos como CdTe o CuInS2. Las células solares de estos materiales se experimentan actualmente en el contexto de líneas piloto de fabricación (A. Abken et al., Porc. 16. EPVSEC, 2000; D. Cunningham et al., Porc. 16. EPVSEC, 2000). Aún no está claro si estos materiales se podrán imponer a largo plazo, ya que estos son parcialmente tóxicos o sólo existen en bajas concentraciones. Se depositan grandes esperanzas en las células solares de capa fina de Si cristalino ahorradoras de material, ya que el silicio es compatible con el medio ambiente y se encuentra disponible de manera casi ilimitada. Estas células se encuentran aún, sin embargo, en un estadio muy temprano (R. Brendel et al., Porc. 14. EPVSEC, S. 1354, 1997; K. Feldrapp et al., Porc. 16. EPVSEC, 2000).

Una segunda alternativa a la fabricación convencional de células solares de obleas cristalinas de silicio es el empleo de láminas de silicio. El silicio se cristaliza directamente como lámina con el grosor necesario para las células solares. Esto evita las considerables pérdidas de cortes de los métodos clásicos de colada de lingotes o de Czochralski. Ya se emplea industrialmente el procedimiento denominado Edge-defined Film-fed Growth (EFG), que posibilita la fabricación de láminas de silicio de calidad cualitativamente muy superior. Los desarrollos más novedosos apuntan a la reducción del grosor de la lámina a aprox. 100 µm. En comparación con los métodos de colada de lingotes o de Czochralski es posible, con el procedimiento de láminas, una clara reducción de los costes de fabricación, ya que en este contexto de obleas cada vez más delgadas la razón pérdida de corte a volumen de las obleas no se incrementa. Por tanto, las láminas de silicio podrían dominar eventualmente el mercado durante la transición a largo plazo de las obleas existentes a la tecnología de capa fina.

Un parámetro clave de todas las células solares de silicio es la vida útil efectiva de los portadores de carga generados por la luz en el volumen del cristal. Este parámetro tiene que ser lo suficientemente alto como para que todos los portadores de carga se difundan lo más posible hacia los contactos metálicos y puedan llegar con esto al circuito eléctrico conectado. Esto es válido tanto para las obleas de colada de lingotes y Czochralski actualmente dominantes, como para las láminas de silicio supuestamente empleadas crecientemente a medio plazo, como también para las células solares de silicio de capa fina cristalinas eventualmente posibles en el futuro.

La vida útil efectiva de los portadores de carga del silicio cristalino está limitada por los defectos cristalinos (desplazamientos o puntos erróneos), por impurezas del cristal (entre otros, átomos metálicos) y por la naturaleza de la superficie cristalina (por ejemplo, enlaces libres). No es posible una prevención suficiente de defectos cristalinos e impurezas, así como la fabricación de una superficie ideal, ya durante la fabricación del cristal y de las obleas, debido a impedimentos tecnológicos o por motivos económicos. En consecuencia, se intenta frecuentemente en los procesos subsiguientes de fabricación de células solares, mejorar la baja vida útil inicial de los portadores de carga de las obleas de silicio. Esto es posible mediante una posterior reducción de las impurezas (pasos de extracción) (L. J. Cabtodos losro et al., Porc. 16. EPVSEC 2000), mediante "desactivación" electrónica de los defectos cristalinos aportando hidrógeno atómico mediante combinación al cristal (pasivación volumétrica de hidrógeno) (B.L. Sopori et al., Solar En. Mat. & Solar Cells 41/42, S. 159, 1996) y mediante la aplicación de revestimientos superficiales para impedir la recombinación de los portadores de carga en la superficie (pasivación superficial electrónica) (A. Perole, R. Hezel, Porgr. en PV 5, S. 29 (1997). Los procesos correspondientes pueden ser de importancia decisiva para los buenos rendimientos de las células solares y se aplican, por tanto, ya industrialmente en diferentes tipos de ejecución.

Para la pasivación volumétrica de hidrógeno de células solares de silicio se conocen, entre otros, los procedimientos de plasma de hidrógeno, de temperación en gas con mezcla de nitrógeno e hidrógeno y la difusión hacia el interior de hidrógeno mediante una capa superficial de nitruro de silicio conteniendo hidrógeno (SiN). Para la pasivación superficial electrónica se conocen, entre otros, los procedimientos de oxidación de la superficie de silicio (S. Wenham et al., Solar En. Mat.de silicio & Solar Cells 65, S. 377, 2001) y aplicación superficial de nitruro de silicio conteniendo hidrógeno (A. Perole, R. Hezel, Porgr. en PV 5, S. 29 (1997). Entre todos los procedimientos conocidos, el empleo de una capa superficial de SiN conteniendo hidrógeno es el único que puede efectuar ambos procesos simultáneamente. Por este motivo, cada vez más fabricantes de células solares emplean capas de Si en su producción. Otra ventaja de los revestimientos superficiales es que, además de sus propiedades de pasivación, poseen notables parámetros ópticos, por lo que pueden utilizarse como revestimientos antirreflexión efectivos.

La pasivación volumétrica de hidrógeno con ayuda de un revestimiento superficial de SiN discurre en dos pasos procesales. Primero, se aplica la capa de SiN conteniendo hidrógeno sobre la superficie de la oblea de silicio. Además, ya puede penetrar una baja proporción de hidrógeno atómico en una zona próxima a la superficie de la oblea de silicio. Posteriormente se lleva a cabo un tratamiento a alta temperatura, a temperaturas superiores a los 700ºC. A estas altas temperaturas, existe una cantidad relativamente grande de hidrógeno atómico en la capa libre superficial y se difunde profundamente en el cristal de silicio (B.L. Sopori et al., Solar En. Mat. & Solar Cells 41/42, S. 159, 1996; J. Jeong et al., J. Appl. Phys. 87 (10), S. 7551, 2000). La pasivación superficial electrónica con ayuda de un revestimiento superficial de SiN se lleva a cabo mediante dos efectos. Primero, se deposita el hidrógeno contenido en la capa en la superficie de silicio y se pasivizan los enlaces libres de silicio, de forma que estos se vuelvan electrónicamente inefectivos. En segundo lugar, se originan en la capa cargas sólidas de aislante, que puede producir un campo eléctrico en el silicio mediante influencia, que conlleve un aumento del efecto de pasivación electrónica (los portadores de carga se mantienen lejos de la superficie y de este modo pueden no fallar en esa zona) (A. G. Perole et al., Solar En. Mat. & Solar Cells 29, S. 175, 1993). Los procedimientos de fabricación de revestimientos superficiales de SiN conocidos para aplicaciones en las células solares son:

a) Plasma de placas paralelas: en este procedimiento, una descarga de plasma excita a los gases de proceso conteniendo silicio y nitrógeno, preferentemente silano y amoniaco, a un sistema...

1. Procedimiento para la fabricación de una célula solar con la formación de una capa que contenga silicio conteniendo hidrógeno en forma de una capa de pasivación y/o antirreflexión sobre un sustrato consistente en silicio o que lo contenga tal como una oblea o lámina, caracterizado porque, durante la formación de la capa que contiene silicio en forma de SiNxOy con 0 < x =q 1,5 y 0 =q y =q 2, se añaden selectivamente en el mismo una o varias sustancias dopantes de acción catalítica con una concentración C con 1 x 10¹⁴ cm^-3 =q C =q 1 x 10²¹ cm^-3, que liberan hidrógeno de la capa de SiNxOy y/o afectan a la estructura de la capa para incrementar la liberación de hidrógeno.

2. Procedimiento acorde a la reivindicación 1, caracterizado porque la capa de SiNxOy es formada con valores medios a lo largo de su grosor de capa de 0,1 < x < 1,5 y 0,01 < y < 2.

3. Procedimiento acorde a la reivindicación 1, caracterizado porque la y/o las sustancia(s) dopante(s) se añaden con una concentración C de 1 x 10¹⁶ cm^-3 =q C =q 1 x 10¹⁹ cm³.

4. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la sustancia dopante y/o las sustancias dopantes se añaden con un gradiente a lo largo del grosor de la capa de SiNxOy, incrementado particularmente la concentración C de la y/o de la(s) sustancia(s) dopante(s) con grosor de capa creciente en el rango de entre 1 x 10¹⁴ cm^-3 y 1 x 10¹⁹ cm^-3.

5. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la y/o las sustancias dopantes se añaden de manera homogéneamente distribuida en la capa de SiNxOy.

6. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque como sustancia dopante y/o sustancias dopantes se emplean átomos de la serie de los metales refractarios o que los contengan.

7. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque como sustancia dopante se utiliza molibdeno, tantalio, wolframio, platino, renio o carbono o compuestos de estos.

8. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el sustrato se aplica sobre un cristal, una placa cerámica, una chapa metálica o una película polimérica.

9. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el sustrato consistente en silicio tiene una estructura cristalina microcristaslina, amorfa o multicristalina.

10. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el sustrato de silicio consiste en una oblea de silicio mono- o multicristalina o en una lámina de silicio.

11. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque como lámina de silicio se emplea una lámina elaborada por el procedimiento EFG- (Edge-defined Film-fed Growth).

12. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque como sustancia dopante se emplea wolframio elemental y/o WOx con 0 =q x =q 3.

13. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque como sustancia dopante se emplea aquella que descompone catalíticamente, para la formación de la capa de SiNxOy, los gases empleados como silano, disilano, hidrógeno, amonio o hidracina.

14. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la capa de SiNxOy conteniendo hidrógeno consiste en nitruro de silicio hidrogenizado amorfo.

15. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la capa de SiNxOy es formada homogénea.

16. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la capa de SiNxOy varía a lo largo de su grosor, incrementado x con el grosor de capa en el rango de 0,6 a 1,3 e y en el rango de entre 0,1 y 1,0.

17. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la capa de SiNxOy es formada de tal manera, que su grosor se encuentre en el rango de entre 30 nm y 150 nm, particularmente en el rango de entre 50 nm y 110 nm.

18. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la capa de SiNxOy conteniendo hidrógeno se forma mediante excitación de compuestos de silicio y de nitrógeno gaseosos y conteniendo hidrógeno, preferentemente silano, disilano, hidrógeno, amoniaco e hidracina, en metales refractarios calientes.

19. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la capa de SiNxOy es formada en una cámara de reacción, en la que impera una presión P con 0,1 Pa =q P =q 1000 Pa.

20. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la presión P se ajusta en la cámara de reacción a 1 Pa =q P =q 200 Pa.

21. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el grosor de la capa de SiNxOy conteniendo hidrógeno se ajusta mediante parámetros del revestimiento como presión, temperatura del metal, composición del gas, presión parcial de oxígeno, temperatura del sustrato, distancia entre metal y sustrato y/o geometría del metal.

22. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el metal que forma la y/o las sustancias dopantes se ajusta a una temperatura entre 1500ºC y 2500ºC.

23. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la composición del gas se ajusta de tal manera, que la razón entre el gas de reacción conteniendo silicio y el gas de reacción conteniendo nitrógeno esté comprendida entre 0,001 y 1,0.

24. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la presión parcial de oxígeno se ajusta a un valor p con 0 < p =q 20 Pa.

25. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el sustrato se ajusta a una temperatura entre 20ºC y 600ºC.

26. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la distancia entre el metal y el sustrato se ajusta a entre 1 mm y 100 mm.

27. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque como metal se emplea uno con una geometría de una varilla, de un alambre y/o de una placa.

28. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la capa de SiNxOy conteniendo hidrógeno es formada en una operación estática de revestimiento.

29. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la capa de SiNxOy conteniendo hidrógeno es formada sobre el sustrato en una operación con una cadencia de revestimiento.

30. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la capa de SiNxOy sobre el sustrato es formada en una operación continua de proyección de revestimiento.

31. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la composición de los gases del proceso sin caudal de flujo se ajusta a través de la velocidad de reacción de la deposición.

32. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la composición estequiométrica de la capa de SiNxOy se ajusta mediante modificación de los parámetros composición del gas, presión, temperatura del metal y/o flujo gaseoso total.

33. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la modificación estequiométrica de la composición de capa de la capa de SiNxOy a lo largo de su grosor se ajusta mediante modificación temporal de los parámetros composición del gas, presión, temperatura del metal y/o flujo gaseoso total durante el revestimiento estático.

34. Procedimiento conforme a al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la modificación estequiométrica de la composición de la capa de SiNxOy a lo largo del grosor de capa se ajusta mediante modificación espacial de los parámetros composición del gas, presión, temperatura del metal, geometría del metal y/o flujo gaseoso total a lo largo de la distancia de revestimiento.