Célula fotovoltaica de emisor distribuido en un substrato y procedimiento de realización de una célula de ese tipo.

Célula fotovoltaica (100) que incluye un substrato (102) a base de semiconductor de un primer tipo de conductividad que incluye dos caras principales (104,

106) paralelas entre sí, comprendiendo el substrato (102) una pluralidad de orificios ciegos (108) cuyas aberturas están dispuestas a nivel de una sola (106) de las dos caras principales, estando los orificios ciegos (108) rellenos con un semiconductor (110) de un segundo tipo de conductividad opuesta al primer tipo de conductividad, que forma el emisor de la célula fotovoltaica (100), formando el substrato (102) la base de la célula fotovoltaica (100), caracterizada porque la célula fotovoltaica (100) incorpora además, sobre la cara principal (106) del substrato (102) que incluye las aberturas de los orificios ciegos (108), primeros dedos de colecta (112) a base de al menos un semiconductor del segundo tipo de conductividad, en contacto con el emisor (110) de la célula fotovoltaica (100), y segundos dedos de colecta (114) a base de al menos un semiconductor del primer tipo de conductividad en contacto con el substrato (102) e interdigitados con los primeros dedos de colecta (112).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2009/065521.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: BATIMENT "LE PONANT D" 25, RUE LEBLANC 75015 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: FEDERZONI, LUC, GARANDET,JEAN-PAUL, VESCHETTI,YANNICK.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01L31/0352 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 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). › caracterizados por su forma o por las formas, dimensiones relativas o disposición de las regiones semiconductoras.
  • H01L31/0384 H01L 31/00 […] › comprendiendo otros materiales no cristalinos, p. ej. partículas semiconductoras incorporadas en un material aislante (H01L 31/0392 tiene prioridad).
  • H01L31/068 H01L 31/00 […] › siendo las barreras de potencial únicamente del tipo PN a homounión, p.ej. células solares PN a homounión de sílice homogéneo o de láminas de sílice policristalino.
  • H01L31/072 H01L 31/00 […] › siendo las barreras de potencial únicamente del tipo PN a heterounión.

PDF original: ES-2400989_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Célula fotovoltaica de emisor distribuido en un substrato y procedimiento de realización de una célula de ese tipo.

Campo técnico

La invención se refiere al sector de las células fotovoltaicas, y en especial al de las células fotovoltaicas de contactos traseros, es decir, de contactos situados en la cara de la célula que no recibe los fotones. La invención se refiere igualmente a la realización de células fotovoltaicas a partir de semiconductores de calidad inferior a la calidad estándar utilizados en microelectrónica.

Estado de la técnica anterior

Las células fotovoltaicas se fabrican principalmente a partir de substratos de silicio monocristalino o policristalino, obtenidos al solidificar lingotes a partir de un baño líquido de silicio, y a continuación cortando en lonchas este lingote para obtener los substratos, o placas. A continuación se llevan a cabo diferentes técnicas de depósito sobre estas placas de silicio en “cuarto limpio” para realizar las células fotovoltaicas.

Durante la realización de una célula fotovoltaica mediante la tecnología clásica conocida como “homounión”, los lingotes de silicio cristalizados son todos cortados inicialmente en placas sobre las que se fabrican las células. Estas placas son texturadas a continuación por ataque químico para mejorar la captura de la luz por las células fotovoltaicas que se realizarán a partir de estas placas. Las uniones p-n se realizan a continuación por difusión gaseosa en estas placas. A continuación se realiza un depósito PECVD para mejorar las propiedades antireflectantes de la célula y para pasivar los defectos recombinantes. A continuación se depositan capas conductoras mediante serigrafía sobre las dos caras para permitir la colecta de portadores foto-generados y la disposición de los contactos eléctricos de la célula fotovoltaica.

Sin embargo, con este tipo de tecnología conocida como “homounión”, los rendimientos energéticos alcanzados a nivel industrial son limitados, típicamente del orden del 15%, y lo mismo ocurre con un silicio de base de calidad “microelectrónica”.

Para obtener rendimientos superiores al 20%, es necesario recurrir a células fotovoltaicas de estructura diferente, tal como las células fotovoltaicas con heterouniones (Si amorfo / Si cristalino) y/o células de tipo RCC (Rear Contact Cell, o célula con contactos traseros) , que permiten en particular librarse de la sospecha asociada a la presencia de conductores de colecta en la cara delantera de la célula (todos los contactos se encuentran entonces en la cara trasera de la célula) .

Cualquiera que sea el tipo de célula que se realice, la obtención de resultados energéticos interesantes supone que el máximo de portadores minoritarios foto-generados en el núcleo de la célula deben poder alcanzar la unión p-n para ser recolectados, y por tanto que su longitud de difusión sea superior al espesor de la placa. Éste es en particular el caso en que las células RRC, en la medida en que los portadores son generados principalmente en las primeras micras del silicio iluminado, a nivel de la cara delantera de la célula, y por tanto deben atravesar toda la placa antes de ser recogidos. La realización de una célula de tipo RCC necesita así la utilización de monocristales elaborados a partir de silicio de calidad microelectrónica que ofrezca una gran longitud de difusión de los portadores minoritarios, pero que tiene el inconveniente de ser más costoso.

Existen otros tipos de silicio menos costosos pero presentan una pureza menor, lo que se traduce en una longitud de difusión de los portadores minoritarios reducida. Estos silicios de calidad menos buena no pueden ser por tanto utilizados para la realización de células de tipo RCC.

Existen asimismo células fotovoltaicas de tipo EWT (Emitter Wrap Through) . Estas células se realizan a partir de una placa de silicio, por ejemplo de tipo p. Se realizan orificios (cuyo diámetro es igual a aproximadamente 60 μm, y separados 2 mm aproximadamente) mediante grabado con láser a través de la placa de silicio. El emisor de la célula se forma a continuación mediante la realización de una capa de tipo n+ por difusión gaseosa sobre la cara delantera, en las paredes de los orificios, así como sobre una parte de la cara trasera de la célula. De ese modo, se reparte la unión p-n+ en el volumen de la célula por zonas, permitiendo reducir la distancia a recorrer pon un portador minoritario con anterioridad a su colecta.

Tales células EWT tienen siempre el inconveniente principal de tener un coste de fabricación elevado debido a su realización que debe hacerse necesariamente en cuarto limpio, y a la utilización de un láser para la realización de orificios en el substrato.

Se conocen células fotoeléctricas tales como las descritas en el preámbulo de la reivindicación 1 en virtud del documento JP 61292381 A.

Exposición de la invención Un objeto de la presente invención consiste en proponer una nueva arquitectura de célula fotovoltaica que optimice la colecta y el transporte de los portadores de carga minoritarios en la célula fotovoltaica, y cuyo coste de realización sea reducido y que pueda ser realizada a partir de un semiconductor de calidad inferior a la calidad microelectrónica.

Para ello, la presente invención propone una célula fotovoltaica según la reivindicación 1.

El emisor de esta célula fotovoltaica está distribuido a modo de varias porciones semiconductoras repartidas en orificios ciegos, en el corazón del substrato. De ese modo, con relación a las arquitecturas existentes de células fotovoltaicas, esta disposición de uniones p-n en la célula fotovoltaica permite optimizar la colecta y el transporte de portadores de cargas minoritarias en el interior de la célula fotovoltaica, permitiendo así la utilización de semiconductores de calidad inferior a la calidad microelectrónica para su realización, como por ejemplo los polvos de semiconductor mezclados por ejemplo con polímeros. Esta célula puede ser así realizada a bajo coste gracias por ejemplo a técnicas derivadas del micro-plástico.

Además, con relación a las células fotovoltaicas de tipo EWT, la célula fotovoltaica según la invención ofrece mayores posibilidades de ajuste de dimensiones, de posicionamientos y de espaciamiento de las porciones del semiconductor que forman el emisor de la célula. Con relación a la tecnología EWT, esta arquitectura de célula fotovoltaica permite además la utilización de niveles bajos de dopaje de los semiconductores para una conductancia equivalente.

Cada orificio ciego puede incluir un eje de simetría central sensiblemente perpendicular a las dos caras principales del substrato. El emisor de la célula está así formado por porciones longitudinales de semiconductor dispuestas en el substrato de la célula fotovoltaica.

Cada orificio ciego puede incluir, en un plano que pasa por la cara principal del substrato que comprende las aberturas de los orificios ciegos, una sección de superficie superior a la superficie de la pared de fondo de dicho orificio ciego. De ese modo, seleccionando tales orificios ciegos, y por tanto tales porciones de semiconductor para formar el emisor de la célula fotovoltaica, la superficie de la sección de estos orificios ciegos varía con la altura del orificio ciego en el substrato para tomar en consideración la absorción espectral de los fotones incidentes por parte del semiconductor dispuesto en el substrato, lo que permite mejorar el transporte de los portadores de cargas minoritarios.

En este caso, por cada orificio ciego, la relación entre la superficie de la sección de dicho orificio ciego a nivel del plano que pasa por la cara principal del substrato que comprende las aberturas de los orificios ciegos y la superficie de la pared de fondo de dicho orificio ciego, puede estar comprendida entre 1 y 3.

Cada orificio ciego puede tener una forma sensiblemente cónica o de ojiva truncada.

Cada orificio ciego puede incluir, en un plano paralelo a una de las caras principales del substrato, una sección de forma poligonal, o por ejemplo en forma de estrella. Así, eligiendo perfiles particulares para las porciones de semiconductor que forman el emisor de la célula, se aumenta la probabilidad de colecta de los portadores de cargas minoritarios con el aumento de la superficie del emisor con relación a un volumen dado en el substrato, por medio de formas transversales originales de estas porciones semiconductoras que forman el emisor de la célula fotovoltaica.

Al menos una de las caras principales del substrato puede estar estructurada, mejorando con ello la captura de la... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Célula fotovoltaica (100) que incluye un substrato (102) a base de semiconductor de un primer tipo de conductividad que incluye dos caras principales (104, 106) paralelas entre sí, comprendiendo el substrato (102) una pluralidad de orificios ciegos (108) cuyas aberturas están dispuestas a nivel de una sola (106) de las dos caras principales, estando los orificios ciegos (108) rellenos con un semiconductor (110) de un segundo tipo de conductividad opuesta al primer tipo de conductividad, que forma el emisor de la célula fotovoltaica (100) , formando el substrato (102) la base de la célula fotovoltaica (100) , caracterizada porque la célula fotovoltaica (100) incorpora además, sobre la cara principal (106) del substrato (102) que incluye las aberturas de los orificios ciegos (108) , primeros dedos de colecta (112) a base de al menos un semiconductor del segundo tipo de conductividad, en contacto con el emisor (110) de la célula fotovoltaica (100) , y segundos dedos de colecta (114) a base de al menos un semiconductor del primer tipo de conductividad en contacto con el substrato (102) e interdigitados con los primeros dedos de colecta (112) .

2. Célula fotovoltaica (100) según la reivindicación 1, en la que cada orificio ciego (108) incluye un eje de simetría central perpendicular a las dos caras principales (104, 106) del substrato (102) .

3. Célula fotovoltaica (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en la que cada orificio ciego (108) incluye, en un plano que pasa por la cara principal (106) del substrato (102) que comprende las aberturas de los orificios ciegos (108) , una sección de superficie superior a la superficie de la pared de fondo de dicho orificio ciego (108) .

4. Célula fotovoltaica (100) según la reivindicación 3, en la que, por cada orificio ciego (108) , la relación entre la superficie de la sección de dicho orificio ciego (108) a nivel del plano que pasa por la cara principal (106) del substrato (102) que comprende las aberturas y la superficie de la pared de fondo de dicho orificio ciego (108) , está comprendida entre 1 y 3.

5. Célula fotovoltaica (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en la que cada orificio ciego (108) tiene una forma cónica u ojival truncada.

6. Célula fotovoltaica (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en la que cada orificio ciego (108) incluye, en un plano paralelo a una de las caras principales (104, 106) del substrato (102) , una sección de forma poligonal.

7. Célula fotovoltaica (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos una de las caras principales (104, 106) del substrato (102) está estructurada.

8. Célula fotovoltaica (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en la que la concentración de átomos dopantes por centímetro cúbico en el semiconductor (110) del segundo tipo de conductividad del emisor está comprendida entre 1016 y 1021, o comprendida entre 1018 y 1020, y la concentración de átomos dopantes por centímetro cúbico en el semiconductor del primer tipo de conductividad del substrato (102) está comprendida entre 1015 y 1018, o comprendida entre 1016 y 1017.

9. Célula fotovoltaica (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en la que el espesor del substrato (102) es inferior a 300 μm y la profundidad de cada orificio ciego (108) es superior a la mitad del espesor del substrato (102) .

10. Célula fotovoltaica según una de las reivindicaciones anteriores, en la que las concentraciones de átomos dopantes por centímetro cúbico en los semiconductores del primer tipo de conductividad de los segundos dedos de colecta (114) y del segundo tipo de conductividad de los primeros dedos de colecta (112) , está comprendida entre 1019 y 1021.

11. Procedimiento de realización de una célula fotovoltaica (100) que incluye al menos las etapas de:

a) realización de un substrato (102) a base de semiconductor de un primer tipo de conductividad, que incluye dos caras principales (104, 106) paralelas cada una con la otra;

b) realización de una pluralidad de orificios ciegos (108) en el substrato (102) , estando las aberturas de los orificios ciegos (108) dispuestas a nivel de una sola (106) de las dos caras principales;

c) rellenado de los orificios ciegos (108) con un material a base de un semiconductor de un segundo tipo de conductividad, opuesta al primer tipo de conductividad, que forma el emisor (110) de la célula fotovoltaica (100) ,

en el que la etapa c) de rellenado realiza además, sobre la cara principal (106) del substrato (102) que incluye las aberturas de los orificios ciegos (108) y a través de una primera máscara dispuesta contra la citada cara (106) del substrato (102) que incluye las aberturas de los orificios ciegos (108) , primeros dedos de colecta (112) a base de al menos un semiconductor del segundo tipo de conductividad en contacto con el emisor (110) de la célula (100) , y que incluye además, tras la etapa c) , la retirada de la primera máscara y la realización de segundos dedos de colecta (114) a base de al menos un semiconductor del primer tipo de conductividad en contacto con el substrato (102) e interdigitados con los primeros dedos de colecta (112) mediante inyección a través de una segunda máscara dispuesta contra la citada cara (106) del substrato (102) que incluye las aberturas de los orificios ciegos (108) .

12. Procedimiento de realización según la reivindicación 11, en el que la etapa a) se lleva a cabo mediante una inyección de un material a base de semiconductor de un primer tipo de conductividad en un molde.

13. Procedimiento de realización según una de las reivindicaciones 11 ó 12, en el que el substrato (102) y/o el emisor (110) y/o los dedos de colecta (112, 114) se realizan a partir de una mezcla de materiales a base de polvos de semiconductores y de polímeros, y el procedimiento incluye además, tras la etapa c) de rellenado, una etapa de eliminación de ligante de la mezcla realizada a una temperatura comprendida entre alrededor de 300 ºC y 600 ºC, durante un intervalo de tiemplo comprendido entre alrededor de 12 horas y 36 horas, y una etapa de sinterización de los polvos obtenidos tras la eliminación del ligante realizada a una temperatura comprendida entre 1.000 ºC y 1.350 ºC, durante un intervalo de tiempo de entre 1 hora y 8 horas.

14. Procedimiento de realización según la reivindicación 13, en el que la etapa de eliminación de ligante y/o la etapa de sinterización se realizan bajo atmósfera reductora.


 

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