Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado y provisto de una capa de contacto interior.

Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado que comprende una capa de soporte,

una capa absorbedora fotoactiva y al menos una capa dopante depositada sobre toda la superficie de un lado de la capa absorbedora, así como otras capas funcionales, en donde el paquete de capas delgadas formado por dichas capas está subdividido en zonas de célula solar por medio de zanjas de separación aislantes, y que comprende también un primer sistema de contacto, que presenta elementos de contactado y una capa de contacto que une estos elementos, y un segundo sistema de contacto que presenta una capa de contacto, en el lado de la capa absorbedora alejado de la capa de soporte para la derivación separada de portadores de carga sobrantes (p, n) generados por la incidencia de la luz en la capa absorbedora, estando ambos sistemas de contacto conectados en serie dentro de zonas de conexionado y estando eléctricamente aislados uno de otra fuera de las zonas de conexionado, caracterizado porque el segundo sistema de contacto (13) consiste exclusivamente en una capa de contacto interior (16) que cubre superficialmente de manera continua todo el lado de las zonas de célula solar (01) de capas delgadas alejado de la capa de soporte y presenta estructuraciones para los elementos de contactado (14) del primer sistema de contacto (12), y porque la capa de contacto del primer sistema de contacto (12) está configurada como una capa de contacto exterior (15) que incluye los elementos de contactado (14) que atraviesan en forma eléctricamente aislada las estructuraciones (75) de la capa de contacto interior (16), estando la capa de contacto interior (16) y la capa de contacto exterior (15) dispuestas una sobre otra y estando eléctricamente aisladas una de otra, fuera de las zonas de conexionado (21), por medio de la intercalación de una capa de aislamiento (17) y estando unidas una con otra de manera eléctricamente conductora, por dentro de las zonas de conexionado (21), por medio de unos contactos en serie (22).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DE2009/000966.

Solicitante: HELMHOLTZ-ZENTRUM BERLIN FUR MATERIALIEN UND ENERGIE GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Glienicker Strasse 100 14109 Berlin.

Inventor/es: STANGL, ROLF, RECH,BERND, LIPS,Klaus.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01L27/142 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctrica en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 27/00 Dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes semiconductores o de otros componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común (detalles H01L 23/00, H01L 29/00 - H01L 51/00; conjuntos que consisten en una pluralidad de dispositivos de estado sólido individuales H01L 25/00). › Dispositivos de conversión de energía (módulos fotovoltaicos o conjuntos de células fotovoltaicas individuales que comprende diodos de derivación integrados o directamente asociado con las células fotovoltaicas sólo H01L 31/0443; módulos fotovoltaicos compuestas de una pluralidad de células solares de película delgada depositados en el mismo sustrato H01L 31/046).
  • H01L31/0224 H01L […] › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › Electrodos.
  • H01L31/18 H01L 31/00 […] › Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas.

PDF original: ES-2382203_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado y provisto de una capa de contacto interior.

La invención se refiere a un módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado que comprende una capa de soporte, una capa absorbedora fotoactiva y al menos una capa dopante depositada sobre toda la superficie de un lado de la capa absorbedora, así como otras capas funcionales, estando subdividido el paquete de capas delgadas formado a base de éstas en zonas de célula solar por medio de zanjas de separación aislantes, y que comprende también un primer sistema de contacto, que presenta elementos de contactado y una capa de contacto de unión de estos, y un segundo sistema de contacto que presenta una capa de contacto en el lado de la capa absorbedora alejado de la capa de soporte para la derivación separada de portadores de carga (p, n) sobrantes generados en la capa absorbedora por la incidencia de la luz, estando conectados en serie ambos sistemas de contacto dentro de zonas de conexionado y estando eléctricamente aislados uno respecto de otro por fuera de las zonas de conexionado, y a un procedimiento para la fabricación de un módulo solar de capas delgadas de esta clase.

Los módulos solares fabricados por la tecnología de capas delgadas se basan en semiconductores que se aplican preferiblemente sobre una superficie grande de capas de soporte generalmente baratas, como vidrio, películas de metal o películas de plástico. Las diferentes variantes tecnológicas no se han llevado ciertamente todavía al grado de madurez para fabricación en serie de la misma manera que la tecnología de las pastillas de silicio, pero ofrecen a medio plazo el mayor potencial de reducción de costes. Se economiza material semiconductor caro en comparación con la tecnología de pastillas convencional. En el caso de silicio cristalino esto es especialmente importante, ya que actualmente no son suficientes las capacidades de fabricación del silicio para cubrir la demanda. Además, en los módulos solares de capas delgadas se suprime el ensamble de células solares individuales. Los paquetes de capas delgadas depositados sobre una gran superficie se subdividen en zonas más pequeñas (casi siempre zonas de célula solar paralelas en forma de tiras) y se conexionan después en serie de una manera integrada. Se pueden revestir así capas de soporte de hasta un metro cuadrado de tamaño, lo que reduce significativamente el coste de manipulación en fábrica. El desafío en los módulos solares de capas delgadas reside en la consecución de rendimientos eficientes mediante una absorción de luz suficiente en las capas funcionales.

Las zonas de célula solar de los módulos solares de capas delgadas transforman la luz en energía eléctrica. Usualmente, éstas se componen de materiales semiconductores directos o indirectos que, por dopado, contienen capas o zonas de conductividad diferente para portadores de carga positivos (p, agujeros, tipo p) y negativos (n, electrones, tipo n) . Estas capas se denominarán seguidamente con el nombre de "capas dopantes" para la acumulación de los portadores de carga. Los portadores sobrantes positivos y negativos generados por la luz incidente son generados principalmente en la capa absorbedora; ésta está en una configuración pin no dopada (intrínsecamente, i) o sólo débilmente dopada y está en contacto por ambos lados tanto con capas dopantes fuertemente conductoras de tipo n como con capas dopantes fuertemente conductoras de tipo p. Cuando la capa absorbedora está dopada, la al menos una capa fuertemente contradopada se denomina capa emisora y se presenta una configuración pn. Opcionalmente, la capa absorbedora y la cama emisora pueden estar todavía en contacto con capas funcionales dotadas de un fuerte dopado idéntico. Se originan capas de pasivación de campo que sirven en el lado frontal o en el lado dorsal para la retrodispersión de portadores de carga no acumulados (capas o zonas BSF o FSF) . Los portadores de carga sobrantes son separados en la transición pn entre la capa emisora y la capa absorbedora (configuración pn empleando una capa absorbedora dopada) o por el campo eléctrico en la capa absorbedora intrínseca o débilmente dopada, que es cubierta por las capas dopantes de tipo n y de tipo p dispuestas en ambos lados de la capa absorbedora (configuración pin empleando una capa absorbedora intrínseca) , y dichos portadores de carga pueden ser acumulados y evacuados por sistemas de contacto unidos de forma eléctricamente conductora con las respectivas zonas/capas. La configuración pin puede considerarse como un caso límite de la configuración pn con un perfil de dopado especial. Sin embargo, contribuyen a la potencia eléctrica utilizable de módulos solares de capas delgadas únicamente los portadores de carga sobrantes que alcanzan también los sistemas de contacto y no se recombinan previamente.

En contraste con las células solares monocristalinas o multicristalinas convencionales a base de pastillas de silicio, las células solares de capas delgadas con una capa absorbedora ultradelgada son más delgadas en aproximadamente el factor 100. Para los respectivos materiales de las células solares están disponibles diferentes procedimientos de fabricación industriales desde vaporización del material de soporte en alto vacío hasta procedimientos de rociado. Gracias a las células solares de capas delgadas se espera a largo plazo una sensible reducción de los precios de las instalaciones fotovoltaicas. El ahorro de material, la investigación de nuevos materiales semiconductores, los procesos de baja temperatura, que son netamente más eficientes en energía, las sencilla fabricación de módulos por estructuración de zonas planas de células solares y un alto grado de automatización hacen posibles unos costes de fabricación más bajos. Aparte de las células solares de capas delgadas a base de silicio amorfo (a-Si:H) o semiconductores de compuestos de calcogenuro (Cl (G) S (e) , CdTe) , se tiene que especialmente las células solares de capas delgadas a base de silicio microcristalino o policristalino (!c-Si, polic-Si; c-Si representa ambas clases) son muy atractivas a largo plazo, ya que poseen el potencial de altos rendimientos, son ecológicamente inocuas y el material de partida está presente en cantidad suficiente. Es también especialmente muy prometedora la combinación de silicio microcristalino o policristalino como absorbedor y silicio

amorfo como emisor, ya que su hueco de banda, debido al hidrógeno contenido, es mayor que el del silicio cristalino (c-Si/a-Si:H) y el a-Si:H puede pasivar bien la superficie límite del absorbedor.

En general, los módulos solares de capas delgadas comercialmente obtenibles presentan un conexionado en serie de dos lados en el que un contacto superficial del lado posterior de la célula solar se une con un contacto superficial del lado delantero de la célula solar. Esto origina un contactado en ambos lados de las zonas individualizadas de la célula solar. Sin embargo, resulta de esto una zona muerta relativamente grande que reduce la eficiencia en el módulo solar terminado. Debido al contactado superficial en ambos lados no se pueden aplicar conceptos incrementadores del rendimiento, tal como, por ejemplo, la introducción de contactados puntiformes o un contactado exclusivo en el lado trasero, evitando pérdidas de absorción por el sistema de contacto del lado delantero.

En contraste con esto, en los módulos solares de capas delgadas con un conexionado en serie por un lado ambos sistemas de contacto para la acumulación separada de los portadores de carga están situados en un lado común de la capa absorbedora. Esto tiene de momento básicamente la ventaja de que solamente tiene que mecanizarse un lado para el contactado. En el sentido de la presente invención, se emplea el término "contactado del lado delantero" cuando ambos sistemas de contacto se encuentran en el lado ("lado delantero") del módulo solar que está expuesto a la incidencia de la luz durante el funcionamiento del módulo solar. Por el contrario, el término "contactado del lado trasero" se emplea cuando ambos sistemas de contacto están dispuestos en el lado ("lado trasero") del módulo solar que no está expuesto a la incidencia de la luz durante el funcionamiento del módulo solar. En la disposición de los sistemas de contacto es importante en primer lugar su eficiencia para la acumulación de portadores de carga. En caso de una configuración pn se cumple que: si la capa absorbedora es de calidad electrónica suficientemente buena, es decir que la longitud de difusión aparente efectiva de los portadores de carga minoritarios es sensiblemente mayor que el espesor de la capa absorbedora,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado que comprende una capa de soporte, una capa absorbedora fotoactiva y al menos una capa dopante depositada sobre toda la superficie de un lado de la capa absorbedora, así como otras capas funcionales, en donde el paquete de capas delgadas formado por dichas capas está subdividido en zonas de célula solar por medio de zanjas de separación aislantes, y que comprende también un primer sistema de contacto, que presenta elementos de contactado y una capa de contacto que une estos elementos, y un segundo sistema de contacto que presenta una capa de contacto, en el lado de la capa absorbedora alejado de la capa de soporte para la derivación separada de portadores de carga sobrantes (p, n) generados por la incidencia de la luz en la capa absorbedora, estando ambos sistemas de contacto conectados en serie dentro de zonas de conexionado y estando eléctricamente aislados uno de otra fuera de las zonas de conexionado, caracterizado porque el segundo sistema de contacto (13) consiste exclusivamente en una capa de contacto interior (16) que cubre superficialmente de manera continua todo el lado de las zonas de célula solar (01) de capas delgadas alejado de la capa de soporte y presenta estructuraciones para los elementos de contactado (14) del primer sistema de contacto (12) , y porque la capa de contacto del primer sistema de contacto (12) está configurada como una capa de contacto exterior (15) que incluye los elementos de contactado (14) que atraviesan en forma eléctricamente aislada las estructuraciones (75) de la capa de contacto interior (16) , estando la capa de contacto interior (16) y la capa de contacto exterior (15) dispuestas una sobre otra y estando eléctricamente aisladas una de otra, fuera de las zonas de conexionado (21) , por medio de la intercalación de una capa de aislamiento (17) y estando unidas una con otra de manera eléctricamente conductora, por dentro de las zonas de conexionado (21) , por medio de unos contactos en serie (22) .

2. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 1, caracterizado porque los contactos en serie (22) están configurados en forma lineal (84) y la capa de contacto exterior (15) del primer sistema de contacto (12) está estructurada en las zonas de conexionado (21) por una zanja de aislamiento lineal (85) , o bien los contactos en serie (22) están configurados de manera puntiforme (85) y la capa de contacto exterior (15) del primer sistema de contacto (12) está estructurada en las zonas de conexionado (21) por medio de una zanja aislante

(87) en forma de meandros.

3. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 1, caracterizado porque los elementos de contactado (14) del primer sistema de contacto (12) y las estructuraciones (75) de la capa de contacto interior (16) del segundo sistema de contacto (13) están configurados en forma puntual o lineal.

4. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa de soporte (02) está configurada como un superestrato (03) y los dos sistemas de contacto (12, 13) están dispuestos en el lado del módulo solar (00) de capas delgadas que queda alejado de la incidencia (05) de la luz (contactado del lado trasero) , o bien la capa de soporte (02) está configurada como un substrato y los dos sistemas de contacto (12, 13) están dispuestos en el lado del módulo solar (00) de capas delgadas vuelto hacia la incidencia

(05) de la luz (contactado del lado delantero) .

5. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 1, caracterizado porque está prevista una configuración pn con una capa absorbedora dopada (06) y al menos una capa emisora contradopada (07) como capa dopante para separar los portadores de carga sobrantes generados por la incidencia (05) de la luz en la capa absorbedora (06) .

6. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 5, caracterizado porque la capa absorbedora (06) o una capa funcional correspondiente (11, 34, 40) conductora de portadores de carga es contactada a través de los elementos de contactado (14) del primer sistema de contacto (12) que atraviesan en forma aislada las capas situadas encima de ella, y la capa emisora (07, 51, 72) o una capa funcional correspondiente (65) conductora de portadores de carga es contactada con la capa de contacto interior (16) del segundo sistema de contacto (13) , o viceversa.

7. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 5, caracterizado porque la capa emisora (07, 51, 61, 72) está dispuesta en el lado del módulo solar (00) de capas delgadas que queda vuelto hacia la incidencia (05) de la luz o alejado de ésta.

8. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 1, caracterizado porque está prevista una configuración pin con una capa absorbedora (70) intrínseca o débilmente dopada y al menos dos capas dopantes (71, 72) de dopado contrario a ambos lados de la capa absorbedora (70) para la separación de los portadores de carga sobrantes generados por la incidencia (05) de la luz en la capa absorbedora (70) .

9. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 8, caracterizado porque una de las dos capas dopantes (72) o una capa funcional correspondiente (65) conductora de portadores de carga es contactada a través de los elementos de contactado (14) del primer sistema de contacto (12) que atraviesan en forma aislada las capas situadas sobre ella, y la otra capa dopante (71) o una capa funcional correspondiente conductora de portadores de carga es contactada con la capa de contacto interior (16) del segundo sistema de

contacto (13) .

10. Modulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 1, caracterizado porque están previstas como capa funcional adicional una capa antirreflejos, una capa de semillas, una capa de pasivación superficial (08, 41, 56) , una capa de pasivación de campo (11, 35, 40, 52) , una capa conductora (34) y/o una capa tampón.

11. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 1, caracterizado porque la al menos una capa dopante (07, 71, 72) consiste en un material semiconductor idéntico (homorrealización) o diferente (heterorrealización) con respecto al material semiconductor de la capa absorbedora (06, 70) .

12. Módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa absorbedora (06, 70) consiste en silicio cristalino (c-Si) o en silicio policristalino (poli-Si) , la capa emisora (07, 51, 61) o las capas dopantes (71, 72) consisten en silicio amorfo enriquecido en hidrógeno (a-Si:H) o en silicio policristalino (poli-Si) , las capas de pasivación de campo (35, 40, 52) consisten en silicio amorfo enriquecido en hidrógeno (a-Si:H) , las capas tampón consisten en silicio intrínseco amorfo (i-a-Si) , la capa de aislamiento (17) consiste en resina u óxido de silicio, la capa conductora (65) cosiste en óxido transparente conductivo (TCO) o molibdeno, las capas de pasivación superficial, de reflexión y antirreflejos (08, 41, 56) consisten en nitruro de silicio (SiN) , el superestrato (03) o el substrato consisten en vidrio y los sistemas de contacto (12, 13) consisten en aluminio u óxido transparente conductivo (TCO) .

13. Procedimiento para fabricar un módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque se fabrica el primer sistema de contacto (12) con sus elementos de contactado (14) y su capa de contacto exterior (15) por

- generación de estructuraciones (75) en el paquete (04) de capas delgadas hasta la capa dopante o funcional (07, 35, 51, 52, 61, 70, 71) - que se debe contactar - por medio de perforación, corrosión o ablación con láser,

- aislamiento eléctrico de las estructuraciones (75) dejando que fluya material aislante líquido y

- metalización no estructurada de toda la extensión de la superficie del paquete (04) de capas metálicas y de las estructuraciones (75) .

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque se realiza antes de la metalización una deposición no estructurada de una capa funcional adicional (11) sobre toda la superficie.

15. Procedimiento para fabricar un módulo solar de capas delgadas contactado en un solo lado según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque se generan mediante quemado con láser los elementos de contactado (14) del primer sistema de contacto (12) y/o los contactos en serie eléctricos (22) para el conexionado en serie de las zonas de célula solar (01) .

Estado de la Técnica Estado de la Técnica


 

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