Un método par formar una estructura de retención de la luz en una célula solar de silicio de película fina formada sobre un sustrato de vidrio o superestrato (11),

incluyendo el método las etapas de: a) aplicar una capa de texturación (32) a una superficie del sustrato de vidrio o superestrato (11), comprendiendo la capa de texturación (32) unas partículas de texturación (34/37) retenidas en una matriz de unión (33), aplicándose la capa de texturación (32) preparando un vidrio Sol-Gel de SiO2 que contiene partículas de texturación de SiO2 (34/37), aplicando el vidrio Sol-Gel a la superficie del sustrato o superestrato (11) de manera que el espesor de la película de vidrio después de ser aplicada sea inferior a un diámetro promedio de las partículas de texturizado; b) calentar el vidrio Sol-Gel hasta sinterizarlo, mediante lo cual después de la sinterización el sol-gel se convierte en una capa dieléctrica de SiO2; c) formar una capa de barrera conformable fina (38), en la que el material de capa barrera es nitruro de silicio con un espesor de 70 nm ± 20%. d) formar una película de silicio (15) sobre la capa de barrera en la superficie con textura, en la que la película de silicio (15) sea inferior a 10μm de espesor; y e) formar una estructura de dispositivo fotovoltaico en la película de silicio

Introducción

La presente invención se refiere en general a unos dispositivos fotovoltaicos de película fina y en particular la invención proporciona una estructura y un método para formar la estructura para que las células de película fina consigan la retención la luz en estas células.

Antecedentes de la invención

El uso de la retención de luz es bien conocido en las células de silicio monocristalino donde las características de retención de luz en la superficie de la célula tiene unas dimensiones mucho menores que el espesor del sustrato de silicio del dispositivo y significativamente mayores que la longitud de onda de la luz en el aire.

En las células solares, se utiliza la dispersión de luz para atrapar la luz en la zona activa de la célula. Cuanta más luz se atrapa en la célula, mayor será la fotocorriente que pueda generarse lo que conduce a una mayor eficiencia. Por lo tanto, la retención de luz es una cuestión importante al tratar de mejorar la eficiencia de las células solares y es particularmente importante en el diseño de células de película fina.

Sin embargo se ha creído ampliamente que en los dispositivos de película fina donde las capas de silicio activas son películas finas formadas sobre un sustrato como el vidrio, la retención de la luz no sería posible o al menos mostraba una efectividad reducida. Esto se debe a que los espesores de película son del mismo orden de magnitud o más delgados que la dimensión de las características de retención de la luz en los dispositivos monocristalinos conocidos. Como los espesores de los dispositivos de película fina se reducen, tienden a unos recubrimientos conformables con unas superficies predominantemente paralelas sobre la superficie grabada del sustrato de vidrio y la creencia convencional sería que una disposición de este tipo no logra unas ventajas significativas de la retención de la luz. Además, como los espesores de película se reducen hasta el orden de una longitud de onda (en el aire) o más, la creencia convencional es que los mecanismos para proporcionar la retención de la luz en los dispositivos de la técnica anterior dejarían de ser efectivos.

Esto se confirma en los dispositivos células solares de silicio amorfo de película fina de la técnica anterior donde no se hizo ningún intento deliberado de texturación. Los dispositivos de silicio amorfo de hoy día comprenden por lo general un superestrato de vidrio sobre el cual se pone una capa de contacto de óxido conductor transparente (TCO) y una capa activa de película de silicio amorfo fina (1μm) que incluye una unión p-n y una capa metálica trasera que actúa como un reflector y contacto posterior. Cuando tales estructuras fueron ideadas por primera vez se observó que en algunas circunstancias (cuando la superficie de TCO estaba empañada) el rendimiento de la célula era mayor de lo esperado pero la literatura no ofrecía ninguna explicación sobre la razón de tales resultados inesperados.

Se ha puesto de manifiesto para los presentes inventores que la retención de la luz es posible en dispositivos de película fina y los dispositivos de silicio amorfo de la técnica anterior mostraban de hecho una característica que los presentes inventores ya han identificado y han adaptado a las células de película fina de silicio cristalino. Para a la invención es fundamental darse cuenta de que la longitud de onda de la luz de una frecuencia dada es diferente en el silicio y en el aire.

Los presentes inventores ya han identificado las circunstancias bajo las cuales puede lograrse la retención de la luz en películas finas y en particular los inventores han ideado unos métodos para fabricar estructuras de células solares de silicio cristalino de película fina que muestran características de retención de la luz.

Los métodos para lograr la retención de la luz ideados por los presentes inventores implican generalmente texturizar una superficie del sustrato en la que se forma la película fina. Convencionalmente, las texturas del vidrio se hacen mediante texturación química y la aplicación de la técnica de chorro de arena. Recientemente, se han utilizado depósitos de cristal de metal en la superficie de un sustrato para formar cristales muy finos para producir un efecto de textura.

Sin embargo, tanto la texturación química como la aplicación de la técnica de chorro de arena provocan grietas y un tamaño de característica no uniforme en la superficie de vidrio, cada uno de los cuales puede perjudicar el rendimiento y/o la fabricación de las células solares, provocando la derivación en los dispositivos. Se da por hecho que es por ello que al parecer no hay informes sobre el logro de la fabricación de células solares de alta eficiencia sobre sustratos texturizados químicamente o a los que se ha aplicado la técnica del chorro de arena. Además, el método utilizado para llevar a cabo el texturizado químico también produce unos productos de desecho peligrosos para el medio ambiente y que por lo tanto representan un riesgo de contaminación grave. Por otra parte, el uso de cristales de metal finos para formar una superficie con textura es un método caro y se añade significativamente al costo de las células solares fabricadas utilizando esta técnica.

JP 06-097475 describe los diversos métodos para formar películas con textura sobre un sustrato en una célula solar de silicio amorfo, que incluye un método que implica aplicar una solución de sílice que contiene materiales en grano al sustrato y endurecer la solución. La solución de sílice se endurece para formar una capa cuyo espesor es generalmente significativamente mayor que el tamaño de los materiales de grano, lo que lleva a unas características de textura superficial pequeña. Las características de textura superficial, sin embargo, son significativamente mayores (aproximadamente cinco veces) que el espesor de una película de silicio que se forma en la parte superior.

FR-A-2.694.451 describe diversos diseños de células solares, que incluyen determinadas estructuras en las que se proporciona un material coloidal entre un electrodo transparente y un material semiconductor adyacentes con el fin de crear una superficie con una gran área de superficie. El material coloidal forma una capa conductora, y las partículas coloidales en la misma son muy pequeñas (y deben aglomerarse).

JP 63-119275 describe una célula solar en la que se proporcionan unas partículas semiesféricas en una película de SiO2 en la interfaz entre un sustrato de película de poliéter sulfona y una capa activa de Si con el fin de mejorar la unión del sustrato a la capa activa.

JP 02-180081 describe una célula solar de silicio amorfo en la que se forma una película de SiO2 sobre un sustrato de metal y que incluye unas partículas finas de un tamaño absoluto que se seleccionan a fin de que la superficie desigual de la capa de SiO2 disperse la luz que incide sobre la misma desde el lateral alejado del sustrato de metal.

JP 01-106472 describe una célula solar en la que se depositan partículas de SiO2 en la interfaz entre un electrodo transparente y una capa semiconductora y la luz que pasa por el electrodo transparente es dispersada por la incidencia en estas partículas de SiO2.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona un método para formar una estructura de retención de la luz en una célula solar de silicio de película fina formada sobre un sustrato de vidrio o superestrato, incluyendo el método las etapas de:

a) aplicar una capa de texturación a una superficie del sustrato de vidrio o superestrato, comprendiendo la capa de texturación unas partículas de texturación retenidas en una matriz de unión, aplicándose la capa de texturizado mediante la preparación de un vidrio Sol-Gel de SiO2 que contiene partículas de texturizado de SiO2, aplicando el vidrio Sol-Gel a la superficie del sustrato o superestrato de manera

que el espesor de la película de vidrio después de ser aplicada es inferior a un

diámetro promedio de las partículas de texturación;

b) calentar el vidrio Sol-Gel para sinterizarlo, mediante lo cual después

de sinterizar el sol-gel se convierte en una capa dieléctrica de SiO2;

c) formar una capa de barrera conformable fina, en la que el material de

la capa de barrera es nitruro de silicio con un espesor de 70 nm ± 20%.

d) formar una película de silicio sobre la capa...

1. Un método par formar una estructura de retención de la luz en una célula solar de silicio de película fina formada sobre un sustrato de vidrio o superestrato (11), incluyendo el método las etapas de:

a) aplicar una capa de texturación (32) a una superficie del sustrato de vidrio o superestrato (11), comprendiendo la capa de texturación (32) unas partículas de texturación (34/37) retenidas en una matriz de unión (33), aplicándose la capa de texturación (32) preparando un vidrio Sol-Gel de SiO2 que contiene partículas de texturación de SiO2 (34/37), aplicando el vidrio Sol-Gel a la superficie del sustrato o superestrato (11) de manera que el espesor de la película de vidrio después de ser aplicada sea inferior a un diámetro promedio de las partículas de texturizado;

b) calentar el vidrio Sol-Gel hasta sinterizarlo, mediante lo cual después de la sinterización el sol-gel se convierte en una capa dieléctrica de SiO2;

c) formar una capa de barrera conformable fina (38), en la que el material de capa barrera es nitruro de silicio con un espesor de 70 nm ± 20%.

d) formar una película de silicio (15) sobre la capa de barrera en la superficie con textura, en la que la película de silicio (15) sea inferior a 10μm de espesor; y

e) formar una estructura de dispositivo fotovoltaico en la película de silicio.

2. El método según se reivindica en la reivindicación 1, en el que la película de silicio es una película fina de silicio cristalino.

3. El método según se reivindica en la reivindicación 1, en el que la superficie con textura de la capa de texturación incluye características de superficie con unas dimensiones en un intervalo de 0,05-2 veces el espesor de la película de silicio.

4. El método según se reivindica en la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que las partículas de texturación son partículas de SiO2 monosféricas.

5. El método según se reivindica en la reivindicación 4, en el que las partículas de SiO2 están en el intervalo de 0,2-1,5μm de diámetro.

6. El método según se reivindica en la reivindicación 5, en el que las partículas de SiO2 están en el intervalo de 0,5-0,9μm de diámetro.

7. El método según se reivindica en la reivindicación 6, en el que las partículas

de SiO2 están en el intervalo de 0,65-0,75μm de diámetro.

8. El método según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que el espesor de la matriz de unión está en el intervalo de 0,2-0,8 veces el diámetro promedio de las partículas de texturación.

9. El método según se reivindica en la reivindicación 8, en el que el espesor de la matriz de unión está en el intervalo de 0,35-0,5 veces el diámetro promedio de las partículas de texturación.

10. El método según se reivindica en la reivindicación 4, en el que el espesor de la matriz de unión está en el intervalo de 0,25-0,35μm y el diámetro promedio de las partículas de texturación está en el intervalo de 0,65-0,75μm.

11. El método según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la película fina de silicio formada sobre la superficie con textura tiene un espesor en el intervalo de 1-10 veces la altura promedio de las características de la texturación de superficie.

12. El método según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la película fina de silicio formada sobre la superficie con textura tiene un espesor en el intervalo de 2-3 veces la altura promedio de las características de la texturación de la superficie.

13. El método según se reivindica en la reivindicación 10, en el que la película fina de silicio formada sobre la superficie texturizada tiene un espesor en el intervalo de 1-2μm.

14. El método según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que después de haberse formado la película de silicio, se forma una capa de material reflectante sobre una superficie de la película de silicio alejada del sustrato o superestrato.

15. El método según se reivindica en la reivindicación 14, en el que se forma una capa aislante sobre la superficie de la película de silicio alejada del sustrato o superestrato antes de la formación de la capa de material reflectante.

16. El método según se reivindica en la reivindicación 14 ó 15, en el que la capa de material reflectante también forma una estructura de metalización para poner en contacto las regiones activas de la célula.

17. Un dispositivo fotovoltaico de película fina que incorpora una estructura de retención de la luz, en el que el dispositivo fotovoltaico se forma en una superficie con textura proporcionada en un sustrato de vidrio o superestrato (11), comprendiendo el dispositivo fotovoltaico una película fina de silicio (15) en la que se forma al menos una unión fotovoltaica pn, siendo la película de silicio (15) inferior a 10μm de espesor y siendo la superficie con textura proporcionada por una capa de texturación dieléctrica de SiO2 (32) formada como un vidrio sol-gel endurecido, situado sobre una superficie del sustrato o superestrato (11), y sobre el que se forma una capa de barrera conformable fina (38), comprendiendo la capa de texturación dieléctrica (32) unas partículas de texturación de SiO2 (34, 37) retenidas en una matriz de unión de película de vidrio de SiO2 (53) con un espesor inferior a un diámetro promedio de las partículas de texturación, la capa de barrera conformable fina (38) es una capa de material de nitruro de silicio con un espesor de 70 nm ± 20%.

18. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 17, en el que la película fina de silicio es una película fina silicio cristalino.

19. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 17 ó 18, en el que la superficie con textura de la capa de texturación incluye unas características de superficie con unas dimensiones en un intervalo de 0,05-0,2 veces el espesor de la película de silicio,

20. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 17, 18 ó 19, en el que las partículas de texturación son partículas de SiO2 monosféricas.

21. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 20, en el que las partículas de SiO2 están en el intervalo de 0,2-1,5μm de diámetro.

22. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 21, en el que las

partículas de SiO2 están en el intervalo de 0,5-0,9μm de diámetro.

23. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 22, en el que las partículas de SiO2 están en el intervalo de 0,65-0,75μm de diámetro.

24. El dispositivo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 21 a 23, en el que el espesor de la matriz de unión está en el intervalo de 0,2-0,8 veces el diámetro promedio de las partículas de texturación.

25. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 24, en la que el espesor de la matriz de unión está en el intervalo de 0,35-0,5 veces el diámetro promedio de las partículas de texturación.

26. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 20, en el que el espesor de la matriz de unión está en el intervalo de 0,25-0,35μm y el diámetro promedio de las partículas de texturación está en el intervalo de 0,65-0,75μm.

27. El dispositivo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 17 a 26, en el que la película fina de silicio tiene un espesor en el intervalo de 1-10 veces la altura promedio de las características de la texturación de la superficie.

28. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 27, en el que la película fina de silicio tiene un espesor en el intervalo de 2-3 veces la altura promedio de las características de la texturación de la superficie.

29. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 26, en el que la película fina de silicio tiene un espesor en el intervalo de 1-2μm.

30. El dispositivo según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 18 a 29, en el que una capa de material reflectante se sitúa sobre una superficie de la película de silicio alejada del sustrato o superestrato.

31. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 30, en el que una capa aislante se sitúa entre la película de silicio y la capa de material.

32. El dispositivo según se reivindica en la reivindicación 30 ó 31, en el que la capa de material reflectante también forma una estructura de metalización para poner en contacto las regiones activas de la célula.