Celdas solares de bajo coste y métodos para su producción.

Una celda solar que comprende:

un sustrato 500; 600; 700; 800;

1000; 1100; 1200; 1300; 1300' que comprende un silicio grado metalúrgico dopado;una primera estructura de película delgada (505, 510; 605, 610; 705, 710; 805, 810; 1005, 1010; 1105, 1115; 1105',1115'; 1205', 1215'; 1305, 1315; 1305', 1310') formada sobre y en contacto con el lado superior del sustrato,una primera estructura de película delgada formada sobre y en contacto con el lado superior del sustrato, formandopor lo tanto una unión p-i-n con el sustrato;

un contacto conductor superior (520; 620; 780; 820; 1020, 1025; 1135, 1160; 1135', 1140; 1235, 1240; 1235', 1240';1320; 1320') formados por encima de la estructura de película delgada; conductora

un contacto conductor inferior (525; 625; 725; 735; 825, 835; 1030; 1145; 1245; 1325; 1325') formados sobre el ladoinferior del sustrato; y,

en donde el sustrato está dopado como uno de un tipo p o n; y donde la estructura de película delgada comprendeuna capa intrínseca (505; 605; 705; 805; 1005; 1105; 1105' 1205; 1205'; 1305; 1305') formada por encima y encontacto con el sustrato y una capa delgada de contacto dopada (510; 610; 710; 810; 1010; 1115; 1115'; 1215;1310; 1310') de polaridad opuesta del sustrato formado sobre y en contacto con la capa intrínseca.

Celdas solares de bajo coste y métodos para su producción.

Solicitudes relacionadas Esta solicitud reivindica el beneficio de prioridad de la solicitud provisional de los Estados Unidos número de serie 60/986/996, presentada el 9 de Noviembre de 2007, cuya divulgación se incorpora aquí en su totalidad.

Antecedentes

1. Campo de la invención

La presente invención se relaciona con celdas fotovoltaicas solares y, más específicamente, con métodos para manufacturar materiales base de bajo coste para tales celdas y métodos para manufacturar celdas de bajo conste y la estructura del dispositivo de celdas resultante.

2. Técnica relacionada

La generación de energía convencional a partir de combustibles fósiles representa el reto más grande desde la última edad de hielo para el bienestar del planeta. Entre todas las fuentes de energía alternativas, próximas a la conservación, las celdas fotovoltaicas solares son sin duda las más limpias, ubicuas y potencialmente más confiables, alternativa en comparación con otras metodologías tales como etanol, potencia hídrica y potencia del viento. El concepto es una unión p-n en estado sólido sencilla que convierte la luz en un pequeño voltaje dc. Las celdas pueden ser apiladas para cargar una batería de automóvil o alimentar una red de energía a través de un inversor DC/AC. De los diversos materiales semiconductores disponibles para este propósito, el silicio comanda el 99% de la producción de celdas solares fotovoltaicas. En comparación con otras celdas solares basadas en compuestos semiconductores, las cuales tienen eficiencias de conversión más altas, especialmente celdas de área pequeña, el silicio es mucho más abundante en la corteza terrestre y proporciona confiabilidad probada de hasta 30 años en un techo golpeado por el tiempo en diversos climas alrededor del mundo. Además, las técnicas de fabricación comercial a gran escala que utilizan silicio han sido empleadas durante decenas de años y están bien desarrolladas y entendidas. Consecuentemente, el silicio probablemente seguirá siendo el material de base dominante para las celdas solares.

Sin embargo, a pesar de los más de 30 años de trabajo, las celdas solares con base en silicio no se han desarrollado hasta su potencial para generación de energía a gran escala. Una barrera principal para tal aceptación es el coste asociado con la fabricación de celdas solares, y especialmente el coste de la materia prima base (sustratos) utilizado para fabricar las celdas solares. El material representa más de la mitad del coste de la fabricación de la celda solar, en comparación con solo aproximadamente 10% en el caso de los microchips semiconductores, irónicamente, debido a la enorme demanda y a los altos costes de producción, el precio del material de silicio para celdas solares actualmente se incrementa en conjunción con el precio del petróleo. Por ejemplo, durante los últimos pocos años, el costo por kg de material de polisilicio utilizado para producir galletas de silicio solar se ha incrementado dramáticamente, y para las celdas solares de película fina el coste del gas silano utilizado para depositar la película así como el del gas NF3 para limpiar un reactor después de la deposición se han incrementado de la misma forma. En contraste, los precios de chips semiconductores (esto es, unidad de memoria o función lógica) han disminuido exponencialmente durante los últimos 30 años, siguiendo la ley de Moore. Esta diferencia en las curvas de aprendizaje puede estar relacionada con las diferencias principales en la tecnología y las contribuciones de coste relativa de los materiales versus el proceso y el diseño para incluso densidad de dispositivo creciente por unidad de área.

De acuerdo con el estado actual de la técnica, la producción de celdas solares basadas en polisilicio se hace en tres etapas principales. Primero, grandes cantidades de galletas de silicio son producidas para el sustrato – típicamente un millón de galletas por mes para una fabrica de capacidad modesta de 25 MW. Segundo, estas galletas son procesadas en celdas solares formando una unión p-n y metalización. Tercero, estas galletas luego son “empacadas” en un módulo para instalación en las instalaciones del usuario.

Las galletas de silicio base para las celdas solares se hacen descomponiendo térmicamente gases nocivos que contienen Si-H-Cl, tales como diclorosilano y triclorosilano, para producir polisilicio de alta pureza, en general denominado como el de nueve nueves, esto es, 99.9999999% puro. Estos gases son tanto inflamables como tóxicos. Sin embargo, debido a los riesgos ambientales y de salud en la gasificación del silicio, operan pocas fábricas en el mundo, por lo cual se produce un cuello de botella para la industria de semiconductores y celdas solares. Fábricas para gasificación de silicio recientemente propuestas enfrentan la resistencia de las comunidades locales con base en preocupaciones ambientales y de seguridad. Estas fábricas también requieren grandes inversiones de capital y largos tiempos de desarrollo. Consecuentemente, siempre hay un desbalance entre la demanda y el suministro de galletas de silicio desnudo.

El silicio puro (llamado polisilicio, después de la desgasificación y descomposición de los compuestos basados en silano) se provee en general en la forma de pellas apropiadas para aplicaciones de semiconductores y celdas solares. Las pellas son entonces fundidas como utilizando una semilla, un bolo de cristal individual o halando cintas multicristalinas. Alternativamente, el polisilicio es fundido en forma cilíndrica. El cilindro halado es cortado con una sierra, conformado el pulido en galletas redondas de 5 - 6 pulgadas, las cuales después de esto pueden ser cortadas en galletas cuadradas. Se aplica entonces para textura un grabado en un agente químico alcalino tal como KOH. Las uniones p-n se forman con difusión en horno de POCl3. La pasivación del recubrimiento antirreflectiva se aplica entonces con PECVD SiON. Se aplica la pasta de impresión de plata a la superficie tipo n y se aplica pasta de aluminio en la superficie tipo p. La pasta es entonces sinterizada para formar contactos eléctricos. Finalmente, las celdas son probadas y distribuidas de acuerdo con sus características como por ejemplo, su curva I-V.

Los procesos anteriores son bien conocidos y han sido practicados en la industria por muchos años. Sin embargo, mientras que en los semiconductores la mayor parte del coste (esto es, el valor) está en el proceso que transforma la galleta de silicio pulida en un circuito integrado funcional, en la fabricación de celdas solares el proceso que transforma la galleta pulida en una celda solar funcional es menos costoso que el proceso para producir las galletas pulidas en sí mismas. Esto es, en términos comerciales, el proceso de transformar una galleta de silicio en celdas solares no es una etapa de valor agregado alto en la cadena completa de la fabricación de paneles solares. Por lo tanto, cualquier mejoramiento o reducción en los costes para la manufactura de las galletas de partida – en oposición a la mejora de la tecnología de fabricación de celdas - permitiría una reducción drástica en la reducción en el precio de los paneles solares terminados. El documento US 2003/203547 divulga una estructura de celda solar.

Para superar el problema de la materia prima de silicio para las celdas solares, se han hecho esfuerzos agresivos junto con dos metodologías principales para reducir la cantidad de silicio consumido por vatio de la celda solar. Estos son:

1. Reducción del espesor de la galleta del estándar de 500 μm a aproximadamente 300 μm. Esta metodología está limitada por la resistencia de las galletas, las cuales tienden a romperse durante el trasporte a alta velocidad a través del equipo de procesamiento.

2. El uso de películas delgadas de diversos materiales para celdas solares tales como silicio, CdTe, CulnGaSe, típicamente sobre vidrio y otros sustratos más baratos. Para permitir la irradiación de luz sobre la celda solar, uno de los electrodos está hecho de un sólido transparente conductor (CTO) , tal como InSnOx o ZnO2.

Entre diversos materiales para celdas solares de película delgada, de nuevo el silicio es el material más efectivo en costes. En la estructura solar, el espesor se reduce a aproximadamente 1 - 10 μm desde 300 - 500 μm para galletas. De estos 1 - 10 μm, la mayor parte del espesor de la película depositada consiste típicamente de una capa amoría intrínseca no dopada de un polímero se Si-H, abreviada como capa ia-Si:H. Esta capa ia-Si:H es colocada en sándwich entre las películas dopadas tipo n a-Si:H tipo p a-Si:H, provee el volumen... [Seguir leyendo]

1. Una celda solar que comprende:

un sustrato 500; 600; 700; 800; 1000; 1100; 1200; 1300; 1300’ que comprende un silicio grado metalúrgico dopado;

una primera estructura de película delgada (505, 510; 605, 610; 705, 710; 805, 810; 1005, 1010; 1105, 1115; 1105’, 1115’; 1205’, 1215’; 1305, 1315; 1305’, 1310’) formada sobre y en contacto con el lado superior del sustrato,

una primera estructura de película delgada formada sobre y en contacto con el lado superior del sustrato, formando por lo tanto una unión p-i-n con el sustrato;

un contacto conductor superior (520; 620; 780; 820; 1020, 1025; 1135, 1160; 1135’, 1140; 1235, 1240; 1235’, 1240’; 1320; 1320’) formados por encima de la estructura de película delgada; conductora

un contacto conductor inferior (525; 625; 725; 735; 825, 835; 1030; 1145; 1245; 1325; 1325’) formados sobre el lado inferior del sustrato; y,

en donde el sustrato está dopado como uno de un tipo p o n; y donde la estructura de película delgada comprende una capa intrínseca (505; 605; 705; 805; 1005; 1105; 1105’ 1205; 1205’; 1305; 1305’) formada por encima y en contacto con el sustrato y una capa delgada de contacto dopada (510; 610; 710; 810; 1010; 1115; 1115’; 1215; 1310; 1310’) de polaridad opuesta del sustrato formado sobre y en contacto con la capa intrínseca.

2. La celda solar de la reivindicación 1, en donde al menos una de la capa intrínseca y la capa delgada dopada comprende una capa de silicio amorfo.

3. La celda solar de la reivindicación 2, en donde al menos una de la capa intrínseca y la capa delgada dopada comprende átomos de hidrógeno dispersados dentro de una capa de silicio.

4. La celda solar de la reivindicación 3, en donde el contacto conductor inferior (725, 735, 825, 335) comprende un dopado del sustrato y la capa conductora (735; 835) de la misma polaridad que el sustrato (700; 800) formado sobre el lado inferior del sustrato y la capa metálica (725; 835) formada sobre la capa conductora dopada, sobre la conductora.

5. La celda solar de la reivindicación 3, en donde el contacto conductor superior comprende un conductor transparente formado sobre la capa delgada dopada.

6. La celda solar de la reivindicación 4, que comprende adicionalmente una capa intrínseca amoría (730; 830) formada entre el lado inferior del sustrato (700; 800) y la capa conductora dopada (735; 835) .

7. La celda solar de la reivindicación 1 en donde el sustrato comprende silicio grado metalúrgico de pureza de tres a cuatro nueves.

8. La celda solar de la reivindicación 1, en donde la primera estructura de película delgada (1105, 1115, 1205, 1215) comprende una primera intrínseca y en contacto con la cubiertar y una capa (1102; 1205) formada sobre un contacto con el sustrato (1100; 1200) y una primera capa tipo n (1115; 1215) formada sobre y en contacto con la capa intrínseca, y comprende adicionalmente una segunda estructura de película delgada (1120, 1125; 1220, 1225) formada sobre la primera estructura de película delgada y comprendiendo una capa tipo p (1120; 1220) formada sobre y en contacto con la primera capa tipo n (1115; 1215) , una segunda capa intrínseca (1125; 1225) formada sobre la capa tipo p (1120; 1220) y que tiene un espesor más alto que la primera capa intrínseca (1105; 1205) y una segunda capa tipo n (1130; 1230) .

9. La celda solar de la reivindicación 8, que comprende adicionalmente una capa de difusión (1260; 1260’) formada en sustrato (1000; 1200) siendo la capa de difusión de un tipo o un tipo p.

10. Método para fabricar una celda solar que comprende:

formar (920) un sustrato que comprende un silicio de grado metalúrgico dopado con un tipo p;

formar (935, 930) , una primera estructura delgada sobre y en contacto con el sustrato, comprendiendo la estructura de primera película:

la formación (925) de una primera capa intrínseca que comprende una capa de Si:H amoría no dopada sobre y en contacto con el sustrato;

formar (930) una primera capa dopada que comprende a-Si:H dopado en n sobre y en contacto con la capa intrínseca; y,

formar el contacto inferior 950 en el lado inferior del sustrato.

11. El método de la reivindicación 12, que comprende adicionalmente:

formar una segunda estructura de película delgada que comprende una segunda capa dopada sobre la primera capa dopada; formar una segunda capa intrínseca sobre y en contacto con la segunda capa dopada; y

formar una tercera capa delgada dopada sobre y e contacto con la segunda capa intrínseca.

12. El método de la reivindicación 11, en donde el sustrato comprende silicio grado metalúrgico de pureza de tres a cinco nueves.

13. Método de la reivindicación 12, que comprende adicionalmente formar una segunda estructura de película delgada sobre la primera estructura de película delgada.