Un dispositivo para la fabricación de un elemento fotovoltaico con rendimiento estabilizado o para la estabilización del rendimiento de un elemento fotovoltaico,

en el que el dispositivo está adaptado para llevar a cabo las siguientes etapas:

recepción de un sustrato de silicio impurificado con boro y que contiene oxígeno con una capa emisora formada sobre la superficie del sustrato de silicio;

caracterizado porque el dispositivo también está adaptado para llevar a cabo una etapa de tratamiento de estabilización, que comprende:

mantenimiento de la temperatura del sustrato durante un tiempo de tratamiento t dentro de un intervalo de temperaturas seleccionable que posee un límite inferior de temperatura de 50 ºC y un límite superior de temperatura de 230 ºC y generación de un exceso de portadores de carga minoritarios en el sustrato de silicio durante el mismo tiempo de tratamiento t.

Dispositivo para la fabricación de un elemento fotovoltaico con un rendimiento estabilizado La presente invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para la fabricación de un elemento fotovoltaico con un rendimiento estabilizado. En particular, la presente invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para la fabricación de una célula solar basada en un sustrato que contiene oxígeno y está impurificado con boro o un módulo fotovoltaico en el que están encapsuladas dichas células solares.

Las células solares sirven para convertir la luz directamente en energía eléctrica. Para ello, se forma una región provista de la impurificación opuesta correspondiente sobre un semiconductor de tipo P o de tipo N. Se produce una unión PN. Cuando se expone a la luz, se producen pares portadores de carga, que se encuentran separados espacialmente por el gradiente de potencial formado por la unión PN. Los portadores de carga separados de este modo se pueden difundir después en una superficie de la célula solar y se pueden suministrar a un circuito externo mediante unos contactos metálicos formados en la misma.

El silicio cristalino es un semiconductor que se emplea frecuentemente para fabricar células solares. Se establece una distinción entre el silicio multicristalino (o policristalino) y monocristalino. Debido a que el silicio monocristalino no presenta bordes de grano que actúen como impurezas y que, por tanto, se comporten como centros de recombinación, presenta una mayor calidad de material, en comparación con el silicio multicristalino, lo que da lugar a un mayor rendimiento potencial de las células solares fabricadas con este material. No obstante, a consecuencia de las etapas de alto consumo de energía que hay que añadir al proceso para obtener el monocristal de silicio, los costes de fabricación del silicio monocristalino son mayores en comparación con los del silicio multicristalino.

En la actualidad, se usan principalmente dos procedimientos de obtención de cristales para fabricar el silicio monocristalino. Las obleas de silicio fabricadas mediante el procedimiento de zona flotante (FZ) presentan la mayor calidad, si bien son las más caras y se usan principalmente en el campo de la electrónica. El método de Czochralski (Cz) es menos caro y, por lo tanto, resulta adecuado para emplearlo para la producción de células solares. En el método de Czochralski, se funde silicio en un crisol. Se pone en contacto un cristal semilla monocristalino con el material fundido y después se le hace ascender alejándolo lentamente del material fundido. En este caso, el silicio del material fundido cristaliza sobre la superficie del cristal (semilla) y se forma un monocristal cilíndrico, que normalmente puede tener un diámetro de hasta 30 cm y una longitud de varios metros. Más tarde, este monocristal se corta en obleas con un espesor de aproximadamente 200 a 300 !m.

En la actualidad, el silicio Cz de tipo semiconductor P que se usa para fabricar células solares se suele impurificar con boro debido a las ventajas obtenidas por la tecnología del procedimiento. Para ello, durante el método Cz se disuelve boro en el silicio fundido. Debido a sus buenas características de solubilidad, el boro se incorpora en el cristal de silicio producido a partir del material fundido. Se obtiene un cristal de silicio impurificado con boro y, en gran medida, homogéneo.

En el método Cz convencional, a menudo se disuelve en el silicio fundido oxígeno liberado por el crisol que, frecuentemente, está hecho de cuarzo (óxido de silicio) . El oxígeno se incorpora asimismo en el cristal de silicio.

Cuando una célula solar fabricada a partir de silicio Cz se ilumina y/o se le aplica una tensión eléctrica externa, se genera un exceso de portadores minoritarios en la misma y fluye una corriente eléctrica por ella. En este caso, los átomos de oxígeno incorporados en el silicio, junto con los átomos de boro usados para la impurificación, parecen formar defectos que pueden actuar como impurificaciones eléctricamente activas y pueden afectar de forma negativa a las propiedades eléctricas de la célula solar. A consecuencia de la formación de dichos defectos, la calidad del material del sustrato de silicio Cz se deteriora durante las primeras horas de funcionamiento de la célula solar y el rendimiento de la célula solar se reduce hasta alcanzar la saturación a un determinado valor final. Este fenómeno se denomina “degradación inducida por portadores” del silicio Cz; se descubrió en 1972 y ha sido objeto de exhaustivas investigaciones hasta el día de hoy.

Con una concentración ventajosa de boro de aproximadamente 1 * 1016 cm-3 y una concentración típica de oxígeno en silicio Cz de 5 a 10 * 1017 cm-3, el rendimiento de una célula solar en condiciones de funcionamiento se degrada típicamente en unas horas hasta en un 3 % absoluto. Una pérdida de un 1 % absoluto observada frecuentemente en células solares de silicio Cz ya representa una pérdida de más del 6 % relativo con una rendimiento del 16, 5 %, que es el típico de las células solares fabricadas industrialmente a base de silicio Cz antes de la degradación. La degradación y, por tanto, la pérdida de rendimiento durante la primera puesta en funcionamiento de las células solares son mayores cuanto más alta es la concentración de boro y/o de oxígeno.

Hasta el momento, en la técnica anterior, se conocen sustancialmente dos planteamientos generales sobre la manera de reducir o evitar la degradación. El primero se basa en minimizar la contaminación de oxígeno en el silicio fundido durante el método Cz. Con este fin, se creó el denominado método MCz (Czochralski magnético) , mediante el cual se evita el contacto entre el silicio fundido y el crisol de cuarzo durante la producción del cristal mediante una compleja tecnología de campos magnéticos, con lo que se obtiene una reducción en el contenido de oxígeno y, por tanto, una reducción en la degradación. No obstante, debido a la mayor complejidad de su fabricación, el silicio MCz resulta considerablemente más caro que el silicio Cz normal.

El otro planteamiento se basa en reducir la concentración de boro en el cristal de silicio. Los cálculos han mostrado que se puede lograr un rendimiento óptimo de la célula solar usando un sustrato de silicio que tenga una concentración de boro de aproximadamente 1 * 1016 cm-3. Para reducir la importante degradación que se produce con esta concentración de boro, actualmente, en la producción industrial de células solares se usan con frecuencia sustratos de silicio Cz con una concentración de boro más baja. A consecuencia de ello, se reduce la degradación y, aunque el rendimiento de la célula solar justo después de su fabricación sea menor que el que se obtendría con una impurificación de aproximadamente 1 * 1016 cm-3, se puede lograr un mayor rendimiento estable tras la degradación.

En la tesis doctoral de Ji Youn Lee “Rapid Thermal Processing of Silicon Solar Cells Passivation and Diffusion”, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Friburgo, 2003, XP002439621, se describe otro planteamiento relevante.

Para evitar completamente el problema de la degradación, en la actualidad también se están realizando intentos de sustituir el boro por otras impurezas, como, por ejemplo, galio. No obstante, a consecuencia de sus características de solubilidad en silicio, el galio presenta el inconveniente decisivo de la enorme dificultad que entraña lograr una distribución homogénea en la totalidad del cristal. Así, cabría esperar una gran cantidad de rechazos a escala industrial, de modo que, hasta el momento, esta variante no se puede considerar viable desde el punto de vista industrial.

Otro procedimiento conlleva el uso de fósforo como impureza y, por consiguiente, el uso de silicio de tipo N como material del sustrato. No obstante, dicho material de sustrato es un material poco corriente en la presente industria fotovoltaica y requeriría una modificación de la totalidad del proceso de producción.

Se ha establecido que la degradación del silicio Cz se puede revertir mediante una etapa llamada de recocido. En dicha etapa de recocido, la oblea de silicio Cz o la célula solar ya procesada se calienta durante unos minutos a temperaturas del orden de aproximadamente 230 ºC. Se observó que, mediante dicha etapa de recocido, es posible volver a lograr el rendimiento original de la célula solar o la longitud de difusión original de los portadores minoritarios en el sustrato de silicio antes de la degradación. Los defectos... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo para la fabricación de un elemento fotovoltaico con rendimiento estabilizado o para la estabilización del rendimiento de un elemento fotovoltaico, en el que el dispositivo está adaptado para llevar a cabo las siguientes etapas:

recepción de un sustrato de silicio impurificado con boro y que contiene oxígeno con una capa emisora formada sobre la superficie del sustrato de silicio; caracterizado porque el dispositivo también está adaptado para llevar a cabo una etapa de tratamiento de estabilización, que comprende: mantenimiento de la temperatura del sustrato durante un tiempo de tratamiento t dentro de un intervalo de temperaturas seleccionable que posee un límite inferior de temperatura de 50 ºC y un límite superior de temperatura de 230 ºC y generación de un exceso de portadores de carga minoritarios en el sustrato de silicio durante el mismo tiempo de tratamiento t.

2. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que el sustrato de silicio comprende unos contactos eléctricos formados sobre el mismo, en el que el dispositivo también está adaptado para, en la etapa de generación de un exceso de portadores minoritarios, aplicar una tensión eléctrica externa en los contactos.

3. El dispositivo según la reivindicación 2, en el que el dispositivo está adaptado para aplicar la tensión en la dirección de conducción de la unión PN formada con el sustrato de silicio y la capa emisora.

4. El dispositivo según la reivindicación 2 o 3, en el que la tensión aplicada es mayor de 0, 4 V, preferentemente mayor de 0, 6 V y más preferentemente mayor de 0, 7 V.

5. El dispositivo según la reivindicación 2, 3 o 4, en el que el sustrato de silicio no se ilumina sustancialmente durante la aplicación de la tensión externa.

6. El dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que el tiempo de tratamiento t en minutos durante el cual se mantiene el sustrato dentro del intervalo de temperaturas seleccionable viene dado por:

a ( x J

t > c *exp

(y + by (T + 273y en la que T es la temperatura media en ºC del intervalo de temperaturas seleccionable, durante el tiempo de tratamiento, “y” es la densidad de corriente a través del elemento fotovoltaico creada por la tensión aplicada en A/cm2, y a = 4, 247 * 10-14, b = 0, 00286, c = 0, 887 y x = 12550, preferentemente a = 3, 272 * 10-14, b = 0, 00352, c = 0, 934 y x = 12800.

7. El dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el dispositivo está adaptado para recibir simultáneamente una pluralidad de sustratos de silicio que han sido apilados previamente uno encima del otro de manera que se ahorre espacio.

8. El dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el dispositivo está adaptado para, en la etapa de generación del exceso de portadores minoritarios, iluminar el sustrato de silicio.

9. El dispositivo según la reivindicación 8, en el que la iluminación tiene lugar usando una luz con una longitud de onda inferior a 1180 nm.

10. El dispositivo según la reivindicación 8 o 9, en el que la iluminación tiene lugar usando luz con una intensidad de radiación mayor de 10 W/m2, preferentemente mayor de 100 W/m2 y más preferentemente mayor de 1000 W/m2.

11. El dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el tiempo de tratamiento t en minutos durante el cual se mantiene el sustrato dentro del intervalo de temperaturas seleccionable viene dado por:

a ( x J

t > c *exp

(y + by (T + 273y en la que T es la temperatura media en ºC del intervalo de temperaturas seleccionable, durante el tiempo de tratamiento, “y” es la intensidad de radiación en kW/m2, y a = 2, 298 * 10-11, b = 0, 399, c = 1, 722 y x = 11100, y preferentemente a = 5, 355 * 10-11, b = 0, 355, c = 1, 349 y x = 11000.

12. El dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el dispositivo está

adaptado para recibir simultáneamente una pluralidad de sustratos de silicio que han sido encapsulados previamente en un módulo.

13. El dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el dispositivo una fuente de tensión para la aplicación de una tensión correspondiente a una tensión que desee aplicar a una célula solar 10 individual multiplicada por el número de células solares conectadas en serie y recibidas en el interior del dispositivo.

14. El dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el dispositivo comprende una placa térmica y/o una sala que se pueda calentar de manera adecuada para almacenar el sustrato de silicio y mantenerlo a una temperatura elevada durante la etapa de tratamiento de estabilización.