CÉLULA SOLAR DE PELÍCULA DELGADA BASÁNDOSE EN UN SEMICONDUCTOR COMPUESTO DE Ib/llla/Vla Y PROCEDIMIENTO PARA SU FABRICACIÓN.

Célula solar de película delgada basándose en un semiconductor compuesto de lb/llla/Vla,

caracterizada porque entre la capa absorbedora de lb/llla/Vla policristalina (5) de CulnS2 del tipo de conducción p y una lámina de soporte (1) flexible de acero, que sirve como sustrato, se dispone un electrodo posterior (4) a partir de la fase intermetálica binaria Cu7In3 de los mismos metales lb y llla que forman la capa absorbedora (5) y sobre la capa absorbedora (5) policristalina se dispone una capa intermedia (7) delgada de sulfuro de cadmio, óxido de indio, hidróxido de indio o sulfuro de cinc

La presente invención se refiere a una célula solar de película delgada según el preámbulo de la reivindicación 1 así como un procedimiento para una célula solar de dichas características según el preámbulo de la reivindicación 3.

Uno de los objetivos esenciales del desarrollo de los módulos fotovoltaicos es una reducción clara de los costes de producción de la energía eléctrica de origen solar para las aplicaciones terrestres. Para las aplicaciones extraterrestres, además de la resistencia a la radiación de las células solares, el aspecto central del desarrollo lo constituye la reducción del peso de los módulos solares.

Las células solares y los módulos basándose en semiconductores compuestos de lb/llla/Vla policristalinos son los candidatos apropiados para alcanzar dicho objetivo. En particular con los semiconductores compuestos basados en cobre, indio y galio así como el selenio y el azufre como material absorbedor fotovoltaico, que se denominan generalmente como CIS y CIGS, se han alcanzado unos progresos muy grandes en el curso de los últimos años.

La estructura de célula conocida a partir del documento US-A-5141564, con un sustrato de vidrio, un electrodo posterior de molibdeno, una capa absorbedora policristalina de 1 a 5 μm de espesor de CuInSe2 o CuIn(Se,S)2 del tipo de conducción p, una capa de ventana de sulfuro de cadmio delgada y un electrodo frontal transparente del tipo de conducción n, constituye la base de la mayoría de procedimientos para la realización de dichas células solares de película delgada policristalinas. En lugar de depositarse sobre unos sustratos de vidrio recubiertos con molibdeno, las capas absorbedoras policristalinas pueden depositarse asimismo sobre unos sustratos en forma de cinta flexibles, tales como unas cintas de molibdeno o unas cintas metálicas recubiertas de molibdeno, tal como se describe en los documentos DE-C2-4225385 y EP-A1-0574716.

Todas dichas disposiciones tienen en común un electrodo posterior de molibdeno. Sin embargo, la reducida adherencia de las capas absorbedoras policristalinas sobre el molibdeno origina el desprendimiento de las capas sobre los sustratos de vidrio y desprendimientos sobre las cintas flexibles y, hasta la fecha, ha impedido en gran medida el desarrollo de las células solares CIS flexibles. Para mejorar la adherencia de las capas absorbedoras CIS, en el documento WO95/09441 se proponen unas capas intermedias de titanio, tántalo, cromo o nitruro de titanio entre el electrodo posterior de molibdeno y la capa absorbedora. En el documento EP-A2-0360403 se propone una célula solar de diselenuro de indio y cobre con una capa intermedia con un contenido de galio entre el absorbedor CIS y el sustrato de molibdeno. En el documento EP-A2-0798786 se propone una célula solar con una capa superior de calcopirita, en la que entre el electrodo posterior de molibdeno y la capa absorbedora se dispone una capa intermedia delgada, que contiene cinc. Todas dichas disposiciones adolecen del inconveniente de la introducción de un elemento adicional y, con ello, la necesidad de una etapa tecnológica adicional para la deposición de dichas capas.

En el documento DE-C2-19634580 se proponen un procedimiento con el que la capa absorbedora CIS se deposita directamente sobre una cinta de cobre. Con dicho procedimiento, la capa absorbedora CIS se compenetra sólidamente con la cinta de cobre, de tal modo que en este caso no se producen desprendimientos o desplazamientos. Entre la cinta de cobre y la capa absorbedora policristalina, en “Solar Energy Materials and Solar Cells 53 (1998) páginas 285-298” se constata una capa delgada de fases de cobre-indio intermetálicas. La capa absorbedora realizada empleando dicho procedimiento es del tipo de conducción n. Puesto que la movilidad del portador minoritario en las calcopiritas de conducción n es de un orden de magnitud inferior que en las de conducción p, con dicha disposición son de esperar unos rendimientos inferiores que con la disposición con una capa absorbedora de conducción p y una capa colectora de conducción n. Además, con este procedimiento, la reducida estabilidad mecánica del cobre repercute negativamente, de modo que deben emplearse unas cintas de cobre relativamente gruesas. Puesto que con dicho procedimiento la cinta de cobre constituye al mismo tiempo la fuente de cobre para la capa absorbedora, deben emplearse unas cintas de cobre muy puras, que encarecen innecesariamente las células solares.

Otras células solares de película delgada convencionales se conocen a partir de los documentos siguientes:

US-A-5 477 088

JACOBS K ET AL: “CISCuT- a non vacuum roll to roll technique for the preparation of copper indium chalcogenide absorber layers on a copper tape” 2ND WORLD CONFERENCE ON PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONVERSION./ 15TH EUROPEAN PV SOLAR ENERGY CONFERENCE,/ 27TH US IEEE PHOTOVOLTAICSPECIALISTS CONFERENCE,/ 10TH ASIA/PACIFIC PV SCIENCE AND ENGINEERING CONFERENCE. VIENNA. AUSTRIA, JULY 6-10, 1998, Tomo VOL. 1, 6 julio 1998 (06-07-1998) páginas 409412, XP002148778 ISBN: 92-828-5179-6

WO 94/07269 A El objetivo de la presente invención es crear una célula solar del tipo mencionado anteriormente, que sea manejable más fácilmente y sea rentable económicamente, que se adhiera sólidamente en particular sobre unas láminas de soporte económicas de un tipo cualquiera, que sea flexible, que se pueda producir con un coste reducido y que tenga un peso muy reducido, así como proporcionar un procedimiento para realizar una célula solar de dichas características.

Dicho objetivo se alcanza, según la presente invención, mediante una célula solar con las características de la reivindicación 1 y, en lo que al procedimiento se refiere, mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 3. Unas configuraciones ventajosas son objeto de las reivindicaciones subordinadas correspondientes.

La idea básica de la invención es realizar el electrodo posterior de la célula solar a partir de las fases intermetálicas de los mismos metales lb y llla, que se emplean para la formación de la capa absorbedora policristalina. Dichas fases intermetálicas sirven al mismo tiempo para proporcionar la adherencia entre la capa absorbedora y la lámina de soporte flexible. Con ello resulta innecesaria la deposición separada de una capa de molibdeno como electrodo posterior y la deposición de unas capas intermedias para mejorar la adherencia de la capa absorbedora.

Debido a la buena adherencia de la capa absorbedora pueden utilizarse como sustrato unas láminas metálicas económicas, muy delgadas y mecánicamente sólidas. Sobre dichos sustratos pueden realizarse unas células solares flexibles en unos procesos continuos de rodillo a rodillo. Para ello, en una primera etapa se depositan los metales lb y llla, en un proceso de rodillo a rodillo continuo. En un segundo proceso de rodillo a rodillo continuo, la lámina de soporte recubierta con el precursor se calcogeniza en un reactor de ranura estrecha. El proceso se conduce de tal modo que el precursor metálico lb/llla se transforme, únicamente de una forma incompleta, en la capa absorbedora p policristalina ternaria, de tal modo que inmediatamente haya sobre la lámina de soporte unas fases intermetálicas de los metales lb y llla, que sirven como electrodo posterior de la estructura de la célula solar.

Gracias a los tiempos de reacción cortos en la calcogenización y a la capacidad calorífica reducida de la lámina de soporte, pueden depositarse de un modo eficiente unas capas absorbedoras policristalinas ternarias sobre unas láminas de soporte delgadas, en un proceso continuo de rodillo a rodillo. La capa absorbedora policristalina se compenetra sólidamente con el electrodo posterior, de tal modo que no se producen desprendimientos ni desplazamientos en las láminas metálicas flexibles. La deposición de una capa intermedia y de un electrodo frontal transparente en un procedimiento de rodillo a rodillo continuo completa el proceso para la realización de dichas células solares de película delgada flexibles.

La presente invención se describe a continuación con la ayuda de dos ejemplos de forma de realización. Los dibujos asociados representan lo siguiente:

La figura 1representa una configuración esquemática de una célula solar;

La figura 2 representa una vista ampliada de una capa absorbedora policristalina que se compenetra sólidamente con el electrodo posterior; y

La figura 3 representa unas vistas esquemáticas de unos... [Seguir leyendo]

1. Célula solar de película delgada basándose en un semiconductor compuesto de lb/llla/Vla,

caracterizada porque

entre la capa absorbedora de lb/llla/Vla policristalina (5) de CulnS2 del tipo de conducción p y una lámina de soporte (1) flexible de acero, que sirve como sustrato, se dispone un electrodo posterior (4) a partir de la fase intermetálica binaria Cu7In3 de los mismos metales lb y llla que forman la capa absorbedora (5) y sobre la capa absorbedora (5) policristalina se dispone una capa intermedia (7) delgada de sulfuro de cadmio, óxido de indio, hidróxido de indio o sulfuro de cinc.

2. Célula solar de película delgada según la reivindicación 1, caracterizada porque la lámina de soporte (1) presenta un espesor comprendido entre 15 μm y 100 μm.

3. Procedimiento para la realización de una célula solar de película delgada según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque

- los metales lb y llla de Cu, In se depositan sobre la lámina de soporte (1) flexible de acero, aplicándose primeramente una capa de cobre con un espesor de 1 μm a 5 μm y a continuación una capa de indio con un espesor de 0,5 μm a 2 μm, -desde el lado opuesto al de la lámina de soporte (1), los metales Cu, In se convierten verticalmente, mediante una reacción con calcógeno, únicamente de una forma incompleta, para obtener la capa absorbedora fotovoltaicamente activa (5) de CulnS2 del tipo de conducción p, de tal modo que entre la capa absorbedora (5) y la lámina de soporte (1) se forma el electrodo posterior (4) a partir de la fase intermetálica Cu7In3 de los mismos metales lb y llla que se depositaron para producir la capa absorbedora (5)

- se deposita una capa intermedia (7) de sulfuro de cadmio, óxido de indio, hidróxido de indio o sulfuro de cinc y -se deposita un electrodo frontal (8) conductor transparente.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la lámina de soporte (1) con la capa absorbedora (5) se tempera tras la calcogenización bajo una atmósfera de gas inerte, preferentemente a una temperatura de 500ºC a 600ºC y con una duración de 10 a 60 s.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la duración del proceso completo “calentamiento - calcogenización – temperado – enfriamiento” es de 15 a 70 s.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque el proceso de calcogenización es un procedimiento de “rodillo a rodillo”.