METODO PARA FABRICAR UN ELEMENTO FOTOVOLTAICO CON RENDIMIENTO ESTABILIZADO.

Método para fabricar un elemento fotovoltaico con rendimiento estabilizado,

que comprende las siguientes etapas:

proporcionar un sustrato de silicio que contiene oxígeno, dopado con boro;

formar una capa emisora sobre una superficie del sustrato de silicio;

formar contactos eléctricos sobre el sustrato de silicio;

en el que el método comprende además una etapa de tratamiento de estabilización, que comprende:

mantener la temperatura del sustrato durante un tiempo de tratamiento dentro de un intervalo seleccionable de temperaturas que tiene un límite de temperatura inferior de 50ºC y un límite de temperatura superior de 230ºC y

generar portadores de carga minoritarios en exceso en el sustrato de silicio durante el tiempo del tratamien- to;

en el que la etapa de generar portadores minoritarios en exceso conlleva la aplicación de un voltaje eléctrico externo a los contactos;

en el que el tiempo de tratamiento t en minutos durante el cual el sustrato se mantiene dentro del intervalo seleccionable de temperaturas viene dado por:

Método para fabricar un elemento fotovoltaico con rendimiento estabilizado.

La presente invención se refiere a un método para fabricar un elemento fotovoltaico con rendimiento estabilizado. En particular, la presente invención se refiere a un método para fabricar una célula solar basada en un sustrato de silicio que contiene oxígeno, dopado con boro, o un módulo fotovoltaico en el que se encapsulan dichas células solares.

Las células solares se usan para convertir luz directamente en energía eléctrica. Con este fin, en un semiconductor de tipo p ó n se forma una región que presenta el dopaje correspondientemente opuesto. Se produce una unión pn. Al exponerla a la luz, se producen pares de portadores de carga, quedando separados espacialmente los mismos por el gradiente de potencial formado por la unión pn. A continuación, los portadores de carga separados de esta manera se pueden difundir hacia una superficie de la célula solar y se pueden suministrar a un circuito externo mediante contactos metálicos formados en el mismo.

El silicio cristalino es un semiconductor usado frecuentemente para fabricar células solares. Se distingue entre silicio multicristalino (o policristalino) y monocristalino. Como el silicio monocristalino no tiene límites de grano que actúan como impurezas y, por lo tanto, sirven como centros de recombinación, el mismo presenta una calidad de material mayor en comparación con el silicio multicristalino, dando como resultado un mayor rendimiento potencial para células solares fabricadas a partir del mismo. No obstante, como consecuencia de las etapas adicionales del proceso, que consumen mucha energía, requeridas para estirar el monocristal de silicio, los costes de fabricación para el silicio monocristalino son más altos en comparación con el silicio multicristalino.

En la actualidad, se usan principalmente dos métodos de estirado del cristal para fabricar silicio monocristalino. Las obleas de silicio fabricadas con el método de la zona flotante (FZ) presentan la calidad más alta aunque son las más caras y se usan principalmente en el campo de la electrónica. El método Czochralski (Cz) es menos caro y, por lo tanto, resulta adecuado para ser usado para la producción en serie de células solares. En el método Czochralski, se funde silicio en un crisol. Se hace que un cristal semilla de un monocristal entre en contacto con la masa fundida y a continuación el mismo se estira hacia arriba separándolo lentamente de la masa fundida. En este caso, silicio de la masa fundida cristaliza sobre la superficie del cristal (semilla) y se forma un monocristal cilíndrico, el cual puede tener típicamente un diámetro de hasta 30 cm y una longitud de varios metros. A continuación, este monocristal se corta en obleas de un grosor de aproximadamente entre 200 y 300 µm.

En la actualidad, el silicio de Cz del tipo semiconductor p que se usa para fabricar células solares se dopa habitualmente con boro debido a ventajas en la tecnología del proceso. Con este fin, durante el método Cz se disuelve boro en la masa fundida de silicio. Como consecuencia de su buen comportamiento en cuanto a solubilidad, el boro llega a incorporarse en el cristal de silicio estirado de la masa fundida. Se obtiene un cristal de silicio dopado con boro, en gran medida homogéneo.

En el método Cz convencional, frecuentemente se disuelve oxígeno en la masa fundida de silicio, que ha sido liberado del crisol el cual consta frecuentemente de cuarzo (óxido de silicio). El oxígeno se incorpora de modo similar en el cristal de silicio.

Cuando se ilumina una célula solar fabricada a partir de silicio de Cz y/o se aplica un voltaje externo a la misma, se generan en ella portadores minoritarios en exceso y en la misma fluye una corriente eléctrica. En este caso, los átomos de oxígeno incorporados al silicio junto con los átomos de boro usados para el dopaje parecen formar defectos que pueden actuar como impurezas eléctricamente activas y pueden influir negativamente en las propiedades eléctricas de la célula solar. Como consecuencia de la formación de dichos defectos, la calidad del material del sustrato de silicio de Cz se deteriora durante las primeras horas de funcionamiento de la célula solar y el rendimiento de la célula solar cae hasta que alcanza la saturación en un cierto valor final. Este fenómeno se designa como "degradación inducida por portadores" del silicio de Cz, fue descubierto en 1972 y ha sido objeto de investigaciones exhaustivas hasta el momento actual.

Con una concentración ventajosa de boro de aproximadamente 1 * 10¹⁶ cm^-3 y una concentración típica de oxígeno en el silicio de Cz de entre 5 y 10 *10¹⁷ cm^-3, el rendimiento de una célula solar en condiciones de funcionamiento se degrada típicamente hasta en un 3% absoluto en unas pocas horas. Una pérdida de un 1% absoluto observada frecuentemente en células solares de silicio de Cz ya representa una pérdida de más del 6% relativo a un rendimiento del 16,5%, que es típico de células solares fabricadas industrialmente basadas en silicio de Cz antes de la degradación. La degradación, y por lo tanto la pérdida de rendimiento durante el funcionamiento inicial de las células solares, es mayor cuanto más elevada sea la concentración de boro y/u oxígeno.

El documento "Rapid Thermal Processing of Silicon solar cells-Passivation and diffusion" de Ji Youn Lee, PHD Thesis, Fraunhofer Instituí für Solare Energysysteme, Freiburg, 2003, describe un método para realizar tratamientos térmicos de células solares de silicio.

Hasta el momento en la técnica anterior, se conocen sustancialmente dos planteamientos generales sobre cómo se puede reducir o evitar la degradación. El primer planteamiento se basa en minimizar la contaminación de oxígeno de las masas fundidas de silicio durante el método Cz. Con este fin, se desarrolló el denominado método MCz (Czochralski Magnético) con el cual, mediante tecnología compleja de campos magnéticos, se evita el contacto entre la masa fundida de silicio y el crisol de cuarzo durante la producción del cristal, dando como resultado una reducción del contenido de oxígeno y, por lo tanto, una disminución de la degradación. No obstante, como consecuencia de la fabricación más compleja, el silicio de MCz resulta considerablemente más caro que el silicio de Cz normal.

El otro planteamiento se basa en la reducción de la concentración de boro en el cristal de silicio. Los cálculos han mostrado que se puede lograr un rendimiento óptimo para la célula solar usando un sustrato de silicio que tenga una concentración de boro de aproximadamente 1 * 10¹⁶ cm^-3. Para reducir la degradación considerable que se produce con esta concentración de boro, en la producción industrial de células solares se usan frecuentemente en el momento actual sustratos de silicio de Cz que tienen una concentración de boro inferior. Como consecuencia, se reduce la degradación y aunque el rendimiento de la célula solar directamente después de su fabricación es menor que el correspondiente a un dopaje de aproximadamente 1 * 10¹⁶ cm^-3, se puede lograr un rendimiento estable mayor después de la degradación.

Para evitar completamente el problema de la degradación, actualmente también se están realizando intentos de sustituir el boro por otros dopantes tales como, por ejemplo, galio. No obstante, como consecuencia de su comportamiento en cuanto a solubilidad en silicio, el galio presenta la desventaja decisiva de que es extremadamente difícil lograr una distribución homogénea en el cristal completo. De este modo, se deberían esperar cantidades elevadas de rechazos a escala industrial de manera que esta variante no se puede considerar industrialmente viable hasta el momento.

Otro procedimiento conlleva el uso de fósforo como dopante y, por lo tanto, el uso de silicio de tipo n como material del sustrato. No obstante, dicho material de sustrato es inhabitual en la industria fotovoltaica existente y requeriría una modificación del proceso completo de producción.

Se ha establecido que la degradación del silicio de Cz es reversible mediante una etapa denominada de recocido. En dicha etapa de recocido, la oblea de silicio de Cz ó la célula solar ya procesada se calienta durante unos pocos minutos a temperaturas del orden de aproximadamente 230ºC. Se observó que, a través de dicha etapa de recocido, se puede lograr nuevamente el rendimiento original de la célula solar o la longitud de difusión original de los portadores minoritarios en el sustrato de silicio antes...

1. Método para fabricar un elemento fotovoltaico con rendimiento estabilizado, que comprende las siguientes etapas:

2. Método según la reivindicación 3, en el que el voltaje se aplica en la dirección de conducción de la unión pn formada con el sustrato de silicio y la capa emisora.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que el voltaje aplicado es mayor que 0,4 V, preferentemente mayor que 0,6 V y más preferentemente mayor que 0,7 V.

4. Método según la reivindicación 1, 2 ó 4, en el que el sustrato de silicio no se ilumina sustancialmente durante la aplicación del voltaje externo.

5. Método para fabricar un elemento fotovoltaico con rendimiento estabilizado, que comprende las siguientes etapas:

6. Método según la reivindicación 5, en el que la iluminación tiene lugar usando luz que tiene una longitud de onda más corta que 1.180 nm.

7. Método según la reivindicación 5 ó 6, en el que la iluminación tiene lugar usando luz que tiene una intensidad de radiación mayor que 10 W/m², preferentemente mayor que 100 W/m² y más preferentemente mayor que 1.000 W/m².

8. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el límite de temperatura inferior es 90ºC, preferentemente 130ºC, más preferentemente 160ºC y en el que el límite de temperatura superior es 210ºC, preferentemente 190ºC, más preferentemente 180ºC.

9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una última etapa de alta temperatura del proceso con temperaturas del proceso por encima de 230ºC, en el que la etapa de tratamiento de estabilización viene a continuación de la etapa del proceso de alta temperatura.

10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una etapa de encapsulación del sustrato de silicio en un módulo, en el que la etapa de tratamiento de estabilización viene a continuación de la etapa de encapsulación.

11. Método para estabilizar el rendimiento de un elemento fotovoltaico que comprende un sustrato de silicio que contiene oxígeno, dopado con boro, que comprende las etapas;

12. Método para estabilizar el rendimiento de un elemento fotovoltaico que comprende un sustrato de silicio que contiene oxígeno, dopado con boro, que comprende las etapas: