Formación de células solares sobre sustratos de lámina metálica.

Método para formar una capa absorbente de un dispositivo fotovoltaico CIGS (100),

que comprende las etapas de:

formar una capa absorbente incipiente (106) sobre un sustrato (102) de lámina metálica;

utilizar un sistema rollo a rollo para transportar 5 el sustrato a través de un horno;

calentar la capa absorbente incipiente y/o el sustrato a una distancia comprendida entre 3,175 mm (1/8") y 25,4 mm (1") respecto de una superficie de la capa absorbente incipiente y/o del sustrato en el horno y en un gas de H2Se, un gas de H2S o en un vapor del grupo VIA.

Formación de células solares sobre sustratos de lámina metálica.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a la fabricación de dispositivos fotovoltaicos, y más en concreto al procesamiento y recocido de capas absorbentes para dispositivos fotovoltaicos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los dispositivos fotovoltaicos eficientes, tales como las células solares, se han fabricado utilizando capas absorbentes realizadas con aleaciones que contienen elementos de los grupos IB, IIIA y VIA, por ejemplo, aleaciones de cobre con indio y/o galio o aluminio, y selenio y/o azufre. A menudo, dichas capas absorbentes son denominadas capas CIGS y los dispositivos resultantes son denominados a menudo células solares CIGS. La capa CIGS puede estar depositada sobre un sustrato. Sería deseable fabricar una capa absorbente semejante sobre un sustrato de lámina metálica de aluminio, debido a que la lámina metálica de aluminio es relativamente económica, ligera y flexible. Desgraciadamente las técnicas actuales para depositar capas absorbentes CIGS son incompatibles con la utilización de lámina metálica de aluminio como sustrato.

Las técnicas típicas de deposición incluyen evaporación, deposición catódica, deposición química en fase de vapor y similares. Estos procesos de deposición se llevan a cabo típicamente a temperaturas elevadas y durante períodos prolongados. Ambos factores pueden tener como resultado daños en el sustrato sobre el que se está produciendo la deposición. Dichos daños pueden generarse directamente a partir de cambios en el material de sustrato tras la exposición al calor, y/o a partir de reacciones químicas no deseables conducidas por el calor del proceso de deposición. Por lo tanto, se requieren típicamente materiales de sustrato muy robustos para la fabricación de células solares CIGS. Estas limitaciones han excluido la utilización aluminio y de láminas metálicas basadas en lámina de aluminio.

Un enfoque de deposición alternativo es la impresión basada en solución, de los materiales precusores CIGS sobre un sustrato. Ejemplos de técnicas de impresión basadas en soluciones se describen, por ejemplo, en la Solicitud Publicada PCT WO 2002/084 708 y en la solicitud de patente de EE.UU. concedida comúnmente 10/782 01, ambas incorporadas como referencia al presente documento. Las ventajas de este enfoque de deposición incluyen tanto la temperatura de deposición relativamente menor como la rapidez del proceso de deposición. Ambas ventajas sirven para minimizar el potencial de daños inducidos por calor, en el sustrato sobre el que está formándose la deposición. Los documentos US 6 518 086 B y US 5 578 503 A describen métodos para fabricar células solares de tipo CIGS.

Si bien la deposición en solución es una etapa a temperaturas relativamente bajas en la fabricación de células solares CIGS, no es la única etapa. Además de la deposición, una etapa clave en la fabricación de células solares CIGS es la selenización y el recocido de la capa absorbente CIGS. La selenización introduce selenio en la capa absorbente de CIG o CI a granel, donde el elemento se incorpora a la estructura, mientras que el recocido proporciona a la capa absorbente la estructura cristalina apropiada. En la técnica anterior, la selenización y el recocido se han llevado a cabo calentando el sustrato en presencia de vapor de H2Se o Se, y manteniendo esta capa absorbente incipiente a temperaturas elevadas durante períodos prolongados de tiempo.

Si bien sería deseable la utilización de Al como sustrato para dispositivos de células solares, debido tanto al coste reducido como a la naturaleza ligera de dicho sustrato, las técnicas convencionales que recuecen eficazmente la capa absorbente de CIGS calientan asimismo el sustrato a temperaturas elevadas, lo que tiene como resultado daños en los sustratos de Al. Hay varios factores que tienen como resultado la degradación del sustrato de Al tras la exposición prolongada al calor y/o a compuestos que contienen selenio durante períodos prolongados. En primer lugar, tras el calentamiento prolongado, las capas discretas en el interior de un sustrato de Al recubierto con Mo se pueden fundir y formar un contacto posterior intermetálico para el dispositivo, que disminuye la funcionalidad eléctrica prevista de la capa de Mo. En segundo lugar, la morfología interfacial de la capa de Mo se altera durante el calentamiento, lo que puede afectar negativamente al subsiguiente crecimiento de grano CIGS a través de cambios en los patrones de nucleación que pueden surgir en la superficie de la capa de Mo. En tercer lugar, tras el calentamiento extendido, el Al puede emigrar hacia la capa absorbente CIGS, deteriorando la función del semiconductor. En cuarto lugar, las impurezas que están presentes típicamente en la lámina metálica de Al (por ejemplo Si, Fe, Mn, Ti, Zn y V) pueden desplazarse junto con Al móvil que se difunde hacia la célula solar tras el calentamiento prolongado, lo que puede perjudicar las funciones tanto electrónica como optoelectrónica de la célula. En quinto lugar, cuando se expone Se al Al durante períodos relativamente prolongados y a temperaturas relativamente elevadas, puede formarse seleniuro de aluminio, el cual es inestable. En el aire húmedo, el seleniuro de aluminio puede reaccionar con vapor de agua para formar óxido de aluminio y seleniuro de hidrógeno. El seleniuro de hidrógeno es un gas extremadamente tóxico, cuya formación libre puede representar un riesgo para la seguridad. Por lo tando, debido a todas estas razones, la deposición a temperaturas elevadas, el recocido y la selenización son poco viables para sustancias fabricadas de aluminio o de aleaciones de aluminio.

Debido a las etapas de deposición de larga duración a temperatura elevada, y de recocido, las células solares CIGS no pueden ser fabricadas eficazmente sobre sustratos de aluminio (por ejemplo, láminas metálicas flexibles compuestas de Al y/o de aleaciones basadas en Al) , y en su lugar deben ser fabricadas de sustratos más pesados hechos de materiales más robustos (y más costosos) tales como láminas metálicas de acero inoxidable, titanio o molibdeno, sustratos de vidrio, o vidrio recubierto con metal o con óxidos metálicos. De este modo, incluso aunque las células solares CIGS basadas en láminas metálicas de aluminio serían más ligeras, flexibles y económicas que las láminas metálicas de acero inoxidable, titanio o molibdeno, que los sustratos de vidrio, o que los sustratos de vidrio recubierto con metal o con óxidos metálicos, la práctica actual no permite que la lámina metálica de aluminio sea utilizada como sustrato.

Por lo tanto, en la técnica existe la necesidad de un método para fabricar células solares CIGS sobre sustratos de aluminio.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las descripciones de la presente invención pueden comprenderse fácilmente considerando la siguiente descripción detallada junto con los dibujos anexos, en los cuales:

la figura 1 es un diagrama esquemático en sección transversal, que ilustra la fabricación de una capa absorbente acorde con una realización de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES ESPECÍFICAS

Aunque la siguiente descripción detallada contiene muchos detalles específicos por razones ilustrativas, cualquier experto en la materia apreciará que muchas variaciones y alteraciones a los siguientes detalles están dentro del alcance de la invención. Por consiguiente, las realizaciones ejemplares de la invención descrita a continuación, se exponen sin ninguna pérdida de generalidad para la invención reivindicada y sin imponer limitaciones a ésta.

Las realizaciones de la presente invención permiten la fabricación de capas absorbentes CIGS sobre sustratos de lámina metálica de aluminio. De acuerdo con las realizaciones de la presente invención, en la reivindicación 1 se expone un método para formar una capa absorbente de un dispositivo fotovoltaico. En las reivindicaciones 2 a 14 de se exponen otras realizaciones ventajosas.

La figura 1 describe un dispositivo fotovoltaico 100 fabricado parcialmente, y una unidad de calentamiento rápido 110; el dispositivo incluye en general un sustrato 102 de lámina metálica de aluminio, un electrodo 104 base opcional, y una capa absorbente incipiente 106. El sustrato 102 de lámina metálica de aluminio puede ser de unas 5 micras hasta unas cien o más micras de grosor, y de cualquier anchura y longitud adecuadas. El sustrato 102 de lámina metálica... [Seguir leyendo]

1. Método para formar una capa absorbente de un dispositivo fotovoltaico CIGS (100) , que comprende las etapas de:

formar una capa absorbente incipiente (106) sobre un sustrato (102) de lámina metálica;

utilizar un sistema rollo a rollo para transportar el sustrato a través de un horno;

calentar la capa absorbente incipiente y/o el sustrato a una distancia comprendida entre 3, 175 mm (1/8") y 25, 4 mm (1") respecto de una superficie de la capa absorbente incipiente y/o del sustrato en el horno y en un gas de H2Se, un gas de H2S o en un vapor del grupo VIA.

2. El método acorde con la reivindicación 1, en el que formar la capa absorbente incipiente incluye depositar la capa absorbente incipiente a partir de una solución de materiales precursores de nanopartículas.

3. El método acorde con la reivindicación 1, que comprende: calentar la capa absorbente incipiente y/o el sustrato desde una temperatura ambiente hasta un intervalo de temperaturas de meseta de entre 200 º C y 600 º C, manteniendo la capa absorbente y/o el sustrato en el rango de temperaturas de meseta durante entre 2 minutos y 30 minutos; y reducir la temperatura de la capa absorbente y/o del sustrato.

4. El método acorde con la reivindicación 3, que comprende calentar rápidamente la capa absorbente incipiente y/o el sustrato, incluyendo incrementar la temperatura de la capa absorbente y/o del sustrato a una velocidad de entre 5 º C/s y 150 º C/s.

5. El método acorde con la reivindicación 3, que comprende además incorporar uno o varios elementos del grupo VIA en la capa absorbente incipiente, antes de la etapa de calentar rápidamente la capa absorbente incipiente y/o el sustrato.

6. El método acorde con la reivindicación 3, en el que dichos uno o varios elementos del grupo VIA incluyen uno entre selenio o azufre.

7. El método acorde con la reivindicación 3, que comprende calentar rápidamente la capa absorbente incipiente y/o el sustrato mediante el calentamiento radiante de la capa absorbente incipiente y/o del sustrato.

8. El método acorde con la reivindicación 7, que comprende aplicar el calor radiante con una o varias lámparas de infrarrojos (110) .

9. El método acorde con la reivindicación 3, que comprende además incorporar uno o varios elementos del grupo VIA en la capa absorbente incipiente, después de calentar rápidamente la capa absorbente incipiente y/o el sustrato.

10. El método acorde con la reivindicación 3, en el que el sustrato de lámina metálica comprende un sustrato de aluminio.

11. El método acorde con la reivindicación 3, que comprende además incorporar una capa intermedia (103) entre una capa de molibdeno (104) y el sustrato (102) de lámina metálica, en el que la capa intermedia inhibe la interdifusión del molibdeno y el sustrato de lámina metálica durante el calentamiento.

12. El método acorde con la reivindicación 11, en el que la capa intermedia incluye cromo, vanadio, tungsteno, vidrio y/o nitruros, nitruro de tantalio, nitruro de tungsteno y nitruro de silicio, óxidos o carburos.

13. El método acorde con la reivindicación 1, en el que formar una capa absorbente incipiente incluye depositar sobre el sustrato de lámina metálica una película de una tinta que contiene elementos de los grupos IB y IIIA.

14. El método acorde con la reivindicación 1, que comprende además disponer una capa de molibdeno (104) entre el sustrato (102) de lámina metálica y la capa absorbente incipiente (106) .