PROCEDIMIENTO DE METALIZACION DE CELULAS FOTOVOLTAICAS DE MULTIPLES RECOCIDOS.
Procedimiento de metalización de al menos una célula fotovoltaica (100) que comprende un sustrato (102) a base de un semiconductor con un primer tipo de conductividad,
una capa (104) dopada con un segundo tipo de conductividad realizado en el sustrato (102) y que forma una cara anterior del sustrato (102), una capa antirreflejo (106) realizada en la cara anterior del sustrato (102) y que forma una cara anterior (108) de la célula fotovoltaica (100), comprendiendo dicho procedimiento al menos las etapas de:
a) realización de al menos una metalización (110) en la cara anterior (108) de la célula fotovoltaica (100),
b) primer recocido de la célula fotovoltaica (100) a una temperatura entre aproximadamente 800ºC y 900ºC,
c) realización de al menos una metalización (112) en la cara posterior del sustrato (102),
d) segundo recocido de la célula fotovoltaica (100) a una temperatura entre aproximadamente 700ºC y 800ºC
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E07116751.
Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE.
Nacionalidad solicitante: Francia.
Dirección: 25, RUE LEBLANC IMMEUBLE "LE PONANT D",75015 PARIS.
Inventor/es: RIBEYRON,PIERRE-JEAN, DUBOIS,SEBASTIEN RESIDENCE ACADEMY STUDIO 71 24, ENJALBERT,NICOLAS.
Fecha de Publicación: .
Fecha Solicitud PCT: 19 de Septiembre de 2007.
Fecha Concesión Europea: 11 de Noviembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L31/18G2
Clasificación PCT:
- H01L31/0224 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › Electrodos.
- H01L31/18 H01L 31/00 […] › Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas.
Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.
Fragmento de la descripción:
Procedimiento de metalización de células fotovoltaicas de múltiples recocidos.
Campo técnico y técnica anterior
La invención se refiere al campo de las células fotovoltaicas y más en particular a un procedimiento de metalización de células fotovoltaicas.
En las figuras 1A a 1E se representa un procedimiento estándar usado para la producción industrial de una célula fotovoltaica 20 a base de silicio cristalino (monocristalino o multicristalino) de tipo P o N. Un sustrato 2 de tipo N o P experimenta antes de nada una texturización de sus superficies por el uso de una solución de hidróxido de potasio, que permite reducir la reflexividad de estas superficies y obtener así un mejor confinamiento óptico de los haces de entrada en el sustrato 2. Se forma una capa 4 de tipo N+ en el sustrato 2 por difusión de fósforo en todas las caras del sustrato 2 (figura 1A). A continuación se deposita una capa antirreflejo 6 de nitruro de silicio rica en hidrógeno (SiN- H) en la capa N+ 4 por deposición química en fase de vapor asistida por plasma (PECVD), como se representa en la figura 1B, formando una cara anterior 8 de la célula fotovoltaica 20. Se forman metalizaciones de plata 10 y de aluminio 12 por serigrafía respectivamente en la cara anterior 8 y en la cara posterior del sustrato 2 (figura 1C). Finalmente, estas metalizaciones 10, 12 experimentan un recocido en un horno de paso infrarrojo, formando contactos 14 entre las metalizaciones anteriores 10 y la capa N+ 4, así como una capa 16 a base de una aleación de aluminio y de silicio, y una capa 18 de tipo P+ en el sustrato 2, que viene a reemplazar una parte de la capa N+ 4 bajo la metalización posterior 12.
Finalmente, como se representa en la figura 1E, se suprimen las partes de la capa N+ 4 que unen la capa 18 a los contactos 14, es decir, que unen eléctricamente las metalizaciones 10 de la cara anterior a la capa de metalización 12 de la cara posterior. En la figura 1E, todos los elementos de la célula fotovoltaica 20 que se encuentran en el lado exterior de los planos AA y BB se suprimen, por ejemplo por láser, plasma, baño o cualquier otro medio de grabado.
En el caso de un sustrato 2 de tipo P, la parte de la capa N+ 4 restante y el sustrato 2 forman la unión PN de la célula fotovoltaica 20. La capa P+ 18 permite la pasivación de la cara posterior del sustrato 2 por un efecto de campo posterior (BSF) que frena los portadores minoritarios, en este caso electrones, en el sustrato 2. En el caso de un sustrato 2 de tipo N, son la capa P+ 18 y el sustrato 2 las que forman la unión PN de la célula fotovoltaica 20, y la capa N+ 4 realiza la pasivación de la cara anterior del sustrato 2 por un efecto de campo anterior (FSF) que frena los portadores minoritarios, en este caso huecos, en el sustrato 2, contribuyendo la capa antirreflejo 6 asimismo a esta pasivación. El documento "N-type multicrystalinoe silicon for solar cells" de S. Martinuzzi y col., 20th EPSEC, 2005, Barcelona, páginas 631 a 634, describe una célula fotovoltaica semejante, estando comprendida la temperatura de recocido descrita entre 850ºC y 900ºC.
Durante el recocido, el hidrógeno migra en forma de iones a partir de la capa antirreflejo 6 rica en hidrógeno algunos micrómetros antes de formar hidrógeno molecular H2 cuya difusión está limitada en el silicio del sustrato 2 y que no tiene la propiedad, como los iones hidrógeno, de pasivar los defectos cristalográficos y las impurezas. Ahora bien, durante la formación de la capa en aleación 16, migran huecos en el sustrato 2 y permiten la disociación de moléculas H2, que permiten a los iones hidrógeno difundirse mucho más profundamente en el sustrato 2, mejorando la duración de vida de los portadores en el sustrato 2 y así, mejorando igualmente el rendimiento de conversión de la célula fotovoltaica 20. Además, esta capa de aleación 16 permite mejorar la calidad del silicio del sustrato 2 por efecto de adsorbente metálico atrapando las impurezas por un mecanismo de segregación. Este fenómeno de hidrogenación durante el recocido es descrito en el documento "Hydrogen passivation of defects in multicrystalline silicon solar cells" de S. Martinuzzi y col., Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 80, páginas 343 a 353, 2003.
La difusión del hidrógeno en el sustrato 2 es especialmente eficaz cuando las densidades de los defectos cristalográficos extendidos, como las dislocaciones o las juntas de macla, son importantes. La pasivación por hidrógeno es muy útil cuando las concentraciones de impurezas, principalmente metálicas, son importantes, por ejemplo en los materiales elaborados a partir de cargas de mala calidad (cargas de silicio metalúrgico), o los materiales ricos en dislocaciones como los obtenidos de coladas continuas electromagnéticas o de arrastres en cinta. El documento US 4.577.393 describe un procedimiento de metalización de al menos una célula fotovoltaica.
El documento "Ribbon Si solar cells with efficiencies over 18% by hydrogenation of defects", de D. S. Kim y col., Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 90, páginas 1227 a 1240, 2006, describe un recocido de la cara posterior de una célula fotovoltaica a una temperatura comprendida entre 700ºC y 800ºC en un horno de tipo RTP (rapid thermal processing en inglés, o de tratamiento térmico rápido). En el ejemplo descrito, las metalizaciones en la cara anterior se realizan por fotolitografía y grabado de una capa antirreflejo, y evaporación de titanio, paladio y plata. La célula obtenida ofrece un rendimiento ligeramente superior al 18% con un sustrato multicristalino de silicio de tipo P obtenido por arrastre en cintas pero el procedimiento propuesto no es viable económicamente y difícilmente es trasladable a la industria.
Exposición de la invención
Un objeto de la presente invención es proponer un procedimiento de metalización de células fotovoltaicas que permita obtener células fotovoltaicas que tengan un rendimiento mejor que las células realizadas según los procedimientos de la técnica anterior descritos anteriormente, y que sea económicamente viable en la industria.
Para esto, la presente invención propone un procedimiento de metalización de al menos una célula fotovoltaica que contiene un sustrato a base de semiconductor de un primer tipo de conductividad, una capa dopada de un segundo tipo de conductividad realizada en el sustrato y que forma una cara anterior del sustrato, una capa antirreflejo realizada en la cara anterior del sustrato y que forma una cara anterior de la célula fotovoltaica, comprendiendo dicho procedimiento al menos las etapas de:
Así, se obtiene una mejor pasivación de las impurezas y defectos cristalográficos en el sustrato de la célula fotovoltaica durante la realización de las metalizaciones de la célula fotovoltaica según el procedimiento objeto de la presente invención que con los procedimientos de metalización de la técnica anterior. Este procedimiento está así especialmente adaptado a la realización de células fotovoltaicas que comprenden sustratos obtenidos a partir de cargas de menor calidad y de materiales ricos en dislocaciones, por ejemplo silicio obtenido de una colada continua electromagnética y de un arrastre en cinta.
El procedimiento se aplica tanto para sustratos de tipo N como de tipo P.
La presente invención se refiere igualmente a un procedimiento de realización de al menos una célula fotovoltaica, que comprende al menos las etapas de:
Reivindicaciones:
1. Procedimiento de metalización de al menos una célula fotovoltaica (100) que comprende un sustrato (102) a base de un semiconductor con un primer tipo de conductividad, una capa (104) dopada con un segundo tipo de conductividad realizado en el sustrato (102) y que forma una cara anterior del sustrato (102), una capa antirreflejo (106) realizada en la cara anterior del sustrato (102) y que forma una cara anterior (108) de la célula fotovoltaica (100), comprendiendo dicho procedimiento al menos las etapas de:
2. Procedimiento según la reivindicación 1, siendo la capa antirreflejo (106) rica en hidrógeno.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, que comprende además al menos una etapa de hidrogenación del sustrato (102).
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, que comprende además, después de la etapa d), una etapa de un tercer recocido de la célula fotovoltaica (100) a una temperatura comprendida entre aproximadamente 200ºC y 500ºC.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, siendo la capa (104) dopada con el segundo tipo de conductividad una capa dopada N+.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, siendo la capa antirreflejo (106) a base de nitruro de silicio.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, siendo el sustrato (102) un sustrato a base de silicio multicristalino.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, siendo la metalización (110) realizada en la cara anterior (108) de la célula fotovoltaica (100) a base de plata.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, siendo la metalización (112) realizada en la cara posterior del sustrato (102) a base de aluminio.
10. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, estando la metalización (110) en la cara anterior y/o la metalización (112) en la cara posterior realizada por serigrafía.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, realizándose la operación de recocido primera y/o segunda en un horno de paso de infrarrojo.
12. Procedimiento de realización de al menos una célula fotovoltaica (100), que comprende al menos las etapas de:
13. Procedimiento según la reivindicación 12, realizándose la etapa de texturización con una solución a base de hidróxido de potasio.
14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 ó 13, siendo la capa dopada con un segundo tipo de conductividad (104) una capa dopada N+ formada por la difusión de fósforo en el sustrato (102).
15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 14, siendo la capa antirreflejo (106) una capa a base de nitruro de silicio depositada por PECVD.
16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 15, que comprende además al menos una etapa de hidrogenación del sustrato (102) implementado antes y/o después de la etapa de deposición de la capa antirreflejo (106).
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