Célula fotovoltaica de heterounión con doble de dopaje y procedimiento de fabricación.

Célula fotovoltaica que comprende una heterounión entre un sustrato semiconductor cristalino (210) de un primer tipo de conductividad y una primera capa amorfa (220),

sobre una primera cara del sustrato, del mismo material semiconductor y de un segundo tipo de conductividad, opuesto al primero y que presenta un nivel de dopaje comprendido entre 1.1019 y 1.1022 átomos/cm3, estando recubierta la segunda cara del sustrato, opuesta a la primera cara, por una tercera capa amorfa (260) del mismo material que el sustrato y del mismo tipo de conductividad, con un nivel de dopaje comprendido entre 1.1019 y 1.1022 átomos/cm3, caracterizada porque comprende además una segunda capa amorfa (225) del mismo tipo de conductividad que la primera capa y que presenta un nivel de dopaje comprendido entre 1.1016 y 1.1018 átomos/cm3, estando depositada dicha segunda capa directamente sobre la primera cara del sustrato y estando recubierta por dicha primera capa.

Célula fotovoltaica de heterounión con doble de dopaje y procedimiento de fabricación

Campo técnico La presente invención se refiere de manera general al dominio de las células fotovoltaicas y, más particularmente, al de las células fotovoltaicas de heterounión de tipo amorfo/cristalino.

Estado de la técnica anterior

Una célula fotovoltaica se basa generalmente en una unión entre un semiconductor de tipo P y un semiconductor de tipo N. Cabe recordar que en una célula de este tipo, los fotones incidentes generan en el semiconductor pares electrón-hueco que seguidamente son separados por el campo eléctrico presente en la zona de carga espacial. Los portadores de carga así separados son recogidos por dos electrodos colectores dispuestos sobre las caras frontal y posterior de la célula.

Entre las células fotovoltaicas, convencionalmente se distingue entre aquellas de homounión, en las cuales los semiconductores que constituyen la unión son materiales de composición y estructura atómica idénticas, y aquellas de heterounión, en la que estos semiconductores son materiales de composición y/o estructura atómica diferente (s) .

Un caso particular de una célula fotovoltaica de heterounión se refiere a una unión entre un semiconductor monocristalino de un primer tipo de conductividad, y una capa amoría del mismo semiconductor, de un segundo tipo de conductividad opuesto al primero.

En los últimos años, las células fotovoltaicas de heterounión de silicio amorfo (a-Si) /silicio monocristalino (mono-Si) o de silicio amorfo (a-Si) /silicio policristalino (poli-Si) han sido objeto de una investigación considerable. Una de las principales líneas de investigación se ha centrado en mejorar el rendimiento de conversión fotoeléctrica, rendimiento que está limitado en particular por la recombinación de los pares electrón-hueco en la interfase. En efecto, las uniones entre los granos de silicio policristalino o los defectos del silicio amorfo crean estados localizados en la banda prohibida y constituyen sitios de recombinación de los pares electrón-hueco.

En el documento US-B-5213628 se ha propuesto una estructura de célula fotovoltaica de heterounión a-Si/mono-Si o poli-Si que permite reducir la tasa de recombinación de los portadores y se ilustra en la figura 1A. Esta célula, 100,

comprende entre el sustrato monocristalino (o policristalino) , 110, de tipo N y la capa de silicio amorfo, 120, de tipo P, una capa delgada de silicio intrínseco, 125, que tiene un grosor inferior a 250 Å. Dado que la capa de silicio amorfo intrínseco es de mejor calidad que una capa de silicio amorfo dopado, la tasa de recombinación en aquella es menor y, por consiguiente, el rendimiento de conversión fotoeléctrica de la célula es más elevado.

De manera convencional, la cara superior de la capa está recubierta por una capa conductora transparente 130, por ejemplo de ITO (óxido de estaño e indio, del inglés Indium Tin Oxide) , sobre la cual están dispuestos unos electrodos colectores 140. La capa de ITO, 130, está expuesta a la luz. La cara inferior del sustrato también está recubierta por un electrodo posterior, 180, por ejemplo de aluminio.

Fuera de la zona de carga espacial en la unión PN, en la que el transporte de los portadores es esencialmente debido al campo eléctrico, el transporte dentro del sustrato está regulado por la difusión. En este caso, los portadores mayoritarios y minoritarios ya no están separados de manera eficaz y se puede producir una recombinación en el electrodo posterior. Como solución, se conoce el procedimiento consistente en depositar sobre la cara posterior del sustrato una capa altamente dopada, que tiene el mismo tipo de conducción que el sustrato. El

campo creado en la interfase entre esta capa dopada y el sustrato, también llamado BSF (campo superficial posterior, del inglés Back Surface Field) , repele los portadores minoritarios enviándolos de nuevo hacia la unión PN y, por consiguiente, reduce la tasa de recombinación en el electrodo posterior.

En el documento US-B-5705828 se describe un ejemplo de una célula fotovoltaica de heterounión y con campo BSF,

que se ilustra esquemáticamente en la figura 1B. Los elementos idénticos a los de la figura 1A están designados por los mismos números de referencia. La estructura de la célula se diferencia de la que aparece en la figura 1A en que una capa de silicio amorfo dopado N+, 160, está presente sobre la cara posterior del sustrato. Como en el caso de la cara delantera, se puede reducir la tasa de recombinación en la interfase con el sustrato intercalando una capa de a-Si intrínseco, 165, de entre 20 y 400 Å, entre el sustrato y la capa de a-Si dopado, 160.

El depósito de las capas de a-Si 125 y 265 sobre el sustrato se lleva a cabo a temperatura relativamente baja. Por consiguiente, es difícil eliminar completamente el agua y la materia orgánica presente sobre el sustrato antes del depósito. Como resultado, existen impurezas, principalmente de oxígeno, en las interfases entre estas capas y el sustrato. Con el objetivo de compensar el dopaje parásito debido a estas impurezas de tipo N, la solicitud de patente 65 EP-A-1320134 propone la incorporación de una cantidad mínima de dopante P (boro) en estas interfases.

Aunque esta técnica permite mejorar la tensión de circuito abierto de la célula gracias a una pasivación de los estados superficiales en las interfases entre las capas 125, 165 y el sustrato, resulta relativamente compleja, ya que requiere la formación de tres capas distintas de silicio amorfo sobre cada una de las caras del sustrato. Además, la adición de una pequeña cantidad de dopante en las interfases es difícil de controlar. Finalmente, el factor de forma (parámetro FF o Fill Factor) , de una célula de este tipo no es muy bueno. Cabe recordar que el parámetro FF indica la diferencia entre la característica real de la célula y una característica ideal rectangular. Más precisamente, se P

define como la relación FF = opt en la que Popt es la potencia suministrada por la célula en el punto óptimo de IV

cc co energía de la característica (producto de intensidad y tensión máximas) , Icc es la corriente de cortocircuito y Vco tensión en circuito abierto.

Un primer objeto de la presente invención consiste en proponer una estructura de célula fotovoltaica de heterounión de tipo amorfo/cristalino, con o sin un campo BSF, que presente una baja densidad de estados superficiales en la interfase y que pueda ser producida con mayor facilidad que en la técnica anterior.

Un segundo objeto de la presente invención consiste en mejorar el factor de forma de la característica de la célula, conservando al mismo tiempo un valor elevado de la tensión de circuito abierto.

Exposición de la invención La presente invención está definida por una célula fotovoltaica que comprende una heterounión entre un sustrato semiconductor cristalino de un primer tipo de conductividad y una primera capa amoría, sobre una primera cara del sustrato, del mismo material semiconductor y de un segundo tipo de conductividad, opuesto al primero y que presenta un nivel de dopaje comprendido entre 1.1019 y 1.1022 átomos/cm3, estando recubierta la segunda cara del sustrato, opuesta a la primera cara, por una tercera capa amoría del mismo material que el sustrato y del mismo tipo de conductividad, con un nivel de dopaje comprendido entre 1. 1019 y 1. 1022 átomos/cm3. Esta célula comprende además una segunda capa amoría del mismo tipo de conductividad que la primera capa y que presenta un nivel de dopaje comprendido entre 1. 1016 y 1. 1018 átomos/cm3, estando depositada dicha segunda capa directamente sobre la primera cara del sustrato y estando recubierta por dicha primera capa.

De acuerdo con una primera variante, el dopaje dentro de las capas primera y segunda es gradual, aumentando el nivel de dopaje en una dirección que va desde la segunda capa hasta la primera capa.

De acuerdo con una segunda variante, el nivel de dopaje en cada una de las primera y segunda capas es constante.

La primera capa tiene típicamente un grosor inferior a 50 nm y la segunda capa un grosor inferior a 10 nm.

Ventajosamente, de acuerdo con una segunda forma de realización, la célula fotovoltaica comprende además una cuarta capa amoría, del mismo material semiconductor que el sustrato y del mismo primer tipo de conductividad, depositándose dicha cuarta capa directamente sobre la segunda cara del substrato y estando recubierta por dicha tercera capa.

De acuerdo con una primera variante de la segunda forma de realización, el dopaje dentro de las tercera y cuarta capas es gradual,... [Seguir leyendo]

1. Célula fotovoltaica que comprende una heterounión entre un sustrato semiconductor cristalino (210) de un primer tipo de conductividad y una primera capa amoría (220) , sobre una primera cara del sustrato, del mismo material 5 semiconductor y de un segundo tipo de conductividad, opuesto al primero y que presenta un nivel de dopaje comprendido entre 1.1019 y 1.1022 átomos/cm3, estando recubierta la segunda cara del sustrato, opuesta a la primera cara, por una tercera capa amoría (260) del mismo material que el sustrato y del mismo tipo de conductividad, con un nivel de dopaje comprendido entre 1.1019 y 1.1022 átomos/cm3, caracterizada porque comprende además una segunda capa amoría (225) del mismo tipo de conductividad que la primera capa y que presenta un nivel de dopaje comprendido entre 1.1016 y 1.1018 átomos/cm3, estando depositada dicha segunda capa directamente sobre la primera cara del sustrato y estando recubierta por dicha primera capa.

2. Célula fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el dopaje dentro de las primera y

segunda capas es gradual, aumentando el nivel de dopaje en una dirección que va desde la segunda capa hasta la 15 primera capa.

3. Célula fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el nivel de dopaje en cada una de las primera y segunda capas es constante.

4. Célula fotovoltaica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la primera capa tiene un grosor inferior a 50 nm y la segunda capa tiene un grosor inferior a 10 nm.

5. Célula fotovoltaica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende además una cuarta capa amoría (265) , del mismo material semiconductor que el sustrato y del mismo primer tipo de conductividad, depositándose dicha cuarta capa directamente sobre la segunda cara del substrato (210) y estando recubierta por dicha tercera capa.

6. Célula fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque el dopaje dentro de las tercera y

cuarta capas es gradual, aumentando el nivel de dopaje en una dirección que va desde la cuarta capa hasta la 30 tercera capa.

7. Célula fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque el nivel de dopaje en cada una de las tercera y cuarta capas es constante.

8. Célula fotovoltaica de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizada porque la tercera capa tiene un grosor inferior a 50 nm y la cuarta capa tiene un grosor inferior a 10 nm.

9. Célula fotovoltaica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicha primera capa está recubierta por una primera capa de óxido transparente conductor (230) sobre la que están dispuestos los 40 primeros electrodos colectores (240) .

10. Célula fotovoltaica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicha tercera capa está recubierta por una segunda capa de óxido transparente conductor (270) sobre la que están dispuestos los segundos electrodos colectores (280) .