Convertidor fotoeléctrico apilado.

Un dispositivo de conversión fotoeléctrica del tipo capa apilada que comprende una pluralidad de unidades deconversión fotoeléctrica (3;

5) apiladas sobre un sustrato (1), cada una de las cuales incluye una capa del tipo deconductividad única (31; 51), una capa de conversión fotoeléctrica (32; 52) del semiconductor sustancialmenteintrínseco, y una capa del tipo de conductividad opuesta (33; 53) en este orden desde un lado de incidencia de luz,en donde

por lo menos una de dicha capa del tipo de conductividad opuesta (33) en una unidad de conversión fotoeléctrica deprimer nivel delantera (3) se dispone más cerca al lado de incidencia de luz y dicha capa del tipo de conductividadúnica (51) en una unidad de conversión fotoeléctrica de primer nivel posterior (5) se dispone adyacente a dichaunidad de conversión fotoeléctrica de primer nivel delantera (3) incluye una capa compuesta de silicio (4) por lomenos en una parte de esta, y caracterizado porque

dicha capa compuesta de silicio (4) tiene un espesor de más de 20 nm y menos de 130 nm y una concentración deoxígeno de más de 25% atómico y menos de 60% atómico, e incluye partes de fase rica en silicio en una fase dealeación amorfa de silicio y oxígeno.

Convertidor fotoelectrico apilado Campo tecnico La presente invencion se relaciona con mejoras de eficiencia de conversion de un dispositivo de conversion fotoelectrico de pelicula delgada, y mas particularmente con la mejora de eficiencia de conversion de un dispositivo de conversion fotoelectrico de pelicula delgada del tipo de capa apilada, que tiene una pluralidad de unidades de conversion electrica apiladas. Aqui, los terminos "cristalino" y "microcristalino" se utilizan tambien para indicar un estado solido que incluye parcialmente partes amorías, como se utiliza de manera general en la tecnica.

Tecnica Antecedente En anos recientes, para alcanzar simultaneamente menores costes y mayor eficiencia de un dispositivo de conversion fotoelectrica, los dispositivos de conversion fotoelectrica de pelicula delgada casi no tienen problema desde el punto de vista de recursos que llamen la atencion, y se ha tratado energicamente su desarrollo. Se ha esperado la aplicacion de dispositivos de conversion fotoelectrica de pelicula delgada a diversos usos tales como baterias solares, sensores opticos, pantallas y otros. Un dispositivo de conversion fotoelectrico de silicio amorfo como uno del tipo de los dispositivos de conversion fotoelectricos de pelicula delgada se puede formar a baja temperatura, sustrato de area grande tal como sustrato de vidrio o sustrato de acero inoxidable, con lo que se espera la reduccion del corte.

Un dispositivo de conversion fotoelectrico de pelicula delgada incluye de manera general un primer electrodo, una o mas unidades de conversion fotoelectrica de pelicula delgada del semiconductor, y un segundo electrodo, que se apilan sucesivamente sobre un sustrato que tiene una superficie aislante. Cada unidad de conversion fotoelectrica de pelicula delgada incluye una capa tipo i intercalada entre una capa tipo p y una capa tipo n.

La capa tipo i, que es una capa de semiconductor sustancialmente intrinseca con, ocupa la mayor parte del espesor de la unidad de conversion fotoelectrica de pelicula delgada. La conversion fotoelectrica concurre principalmente en esta capa tipo i. Sin embargo, se prefiere una capa de conversion fotoelectrica mas delgada tipo i desde el punto de vista de absorcion de luz, aunque una capa innecesariamente gruesa conduce a un aumento de costes y tiempo para depositarlos alli.

De otra parte, las capas conductoras tipo p y tipo n sirven para generar difusion potencial en la unidad de conversion fotoelectrica. La magnitud del potencial de difusion influencia el valor del voltaje de circuito abierto que es una de las caracteristicas criticas del dispositivo de conversion fotoelectrico de pelicula delgada. Estas capas conductoras, sin embargo, son capas indicadoras que no contribuyen a la conversion fotoelectrica. La luz absorbida por las impurezas introducidas en las capas conductoras se pierde sin contribuir a la generacion de energia electrica. Como tal, se prefiere que las capas conductoras tipo p y tipo n sean tan delgadas como sea posible dentro de un rango que asegure la generacion de suficiente potencial de difusion.

Una unidad de conversion fotoelectrica o una bateria solar de pelicula delgada se denomina una unidad de conversion fotoelectrica amoría o una bateria solar de pelicula delgada amoría en el caso en que esta incluya una capa de conversion fotoelectrica amoría tipo i que ocupe su parte principal ya sean sus capas conductoras tipo p y tipo n amorías o cristalinas, y se denomina una unidad de conversion fotoelectrica cristalina o una bateria solar de pelicula delgada cristalinas en el caso de que esta incluya una capa cristalina tipo i.

En general, en un semiconductor utilizado para la capa de conversion fotoelectrica, el coeficiente de absorcion de luz disminuye cuando aumenta la longitud de onda de la luz. En particular, cuando el material de conversion fotoelectrico esta en un estado de pelicula delgada, no se espera suficiente absorcion de luz en la region de longitud de onda del coeficiente de absorcion pequeno, y de esta manera se restringe la cantidad de conversion fotoelectrica dependiendo del espesor de la capa de conversion fotoelectrica. Por lo tanto, se han tomado medidas para generar una gran cantidad de fotocorriente, al formar una estructura de dispersion de los para evitar que la luz que ha entrado en el dispositivo de conversion fotoelectrico salga facilmente al exterior, aumentando por lo tanto la longitud de ruta optica sustancial y provocando suficiente absorcion. Por ejemplo, cuando la luz es incidente sobre un costado del sustrato transparente, se utiliza una pelicula conductora transparente texturizada que tiene irregularidad fina como un electrodo de costado incidente.

Adicionalmente, como una forma para mejorar la eficiencia de conversion del dispositivo de conversion fotoelectrico de pelicula delgada, es conocido dar forma a un dispositivo de conversion fotoelectrico de pelicula delgada del tipo de capa apilada que tiene por lo menos dos unidades de conversion fotoelectrica apiladas. En tal forma, una unidad de conversion fotoelectrica frontal incluye una capa de conversion fotoelectrica que tiene un gran espacio de banda dispuesto sobre un costado incidente de luz del dispositivo de conversion fotoelectrico, y las unidades de conversion fotoelectrica posteriores incluyen una capa de conversion fotoelectrica (de, por ejemplo, aleacion de Si-Ge) que tiene un espacio de banda mas pequeno que a su vez esta dispuesto sucesivamente sobre la parte posterior de la unidad delantera con el fin de posibilitar la conversion fotoelectrica sobre un amplio rango de longitud de onda de la luz incidente, para mejorar por lo tanto la eficiencia de conversion del dispositivo completo. De los dispositivos de conversion fotoelectricos del tipo de capa apilada, uno que incluye las unidades de conversion fotoelectrica cristalina y amoría se denomina un dispositivo de conversion fotoelectrico de tipo hibrido. En el dispositivo de conversion fotoelectrico de tipo hibrido, la longitud de onda de luz fotoelectricamente convertible con el silicio amorfo es de aproximadamente 800 en el lado mayor de longitud de onda, mientras que la luz de mayor longitud de onda de hasta aproximadamente 1100 nm se puede convertir fotoelectricamente mediante silicio cristalino, de tal manera que la conversion fotoelectrica efectiva se hace posible sobre un rango de longitud de onda mas amplio de luz incidente.

En el dispositivo de conversion fotoelectrico de tipo capa apilada, se conectan las unidades de conversion fotoelectrica en serie. Se restringe la densidad de corriente de corto circuito (Jsc) del dispositivo de conversion fotoelectrico a uno de los valores mas pequenos de los valores de corriente generados por las unidades de conversion fotoelectrica alli. Sin embargo, es preferible que los valores de corriente de las unidades de conversion fotoelectrica sean tan uniformes como sea posible. Adicionalmente, la mejora de la eficiencia de conversion se espera con el mayor valor absoluto de corriente. En el dispositivo de conversion fotoelectrico de tipo capa apilada, puede interponer una capa reflectiva intermedia que tiene propiedades de reflexion y transmision de luz entre las unidades de conversion fotoelectrica. En este caso, la luz que ha alcanzado la capa reflectiva intermedia se refleja parcialmente y asi es posible aumentar la cantidad de absorcion de luz y luego aumentar la corriente generada dentro de la unidad de conversion fotoelectrica delantera ubicada mas cerca al costado incidente de luz que la capa reflectiva intermedia. Esto significa que el espesor efectivo de la unidad de conversion fotoelectrica delantera se aumenta evidentemente.

Por ejemplo, en el caso de que se inserte una capa reflectiva intermedia en un dispositivo de conversion fotoelectrica tipo hibrido de una unidad de conversion fotoelectrica de silicio amoría delantera y una unidad de conversion fotoelectrica cristalina de silicio posterior, la corriente generada en la unidad de conversion fotoelectrica delantera se puede aumentar sin incrementar el espesor de la capa de conversion fotoelectrica de silicio amoría. Adicionalmente, cuando se incluye la capa reflectiva intermedia, el espesor de la capa de conversion fotoelectrica de silicio amorfo necesaria para obtener el mismo valor de corriente se puede reducir en comparacion con el caso en que no se incluye la capa intermedia. Como tal, es posible restringir el deterioro en propiedades de la unidad de conversion fotoelectrica de silicio amorfo debido al deterioro optico (efecto Sraebler-Wronsky) que es considerable de acuerdo con el aumento en el espesor de la capa de silicio amorfo.

Frecuentemente se forma una capa reflectiva intermedia convencional de TCO (oxido conductivo transparente) tal como ITO (oxido de estano indio) policristalino o ZnO, particularmente... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada que comprende una pluralidad de unidades de conversion fotoelectrica (3; 5) apiladas sobre un sustrato (1) , cada una de las cuales incluye una capa del tipo de conductividad unica (31; 51) , una capa de conversion fotoelectrica (32; 52) del semiconductor sustancialmente intrinseco, y una capa del tipo de conductividad opuesta (33; 53) en este orden desde un lado de incidencia de luz, en donde por lo menos una de dicha capa del tipo de conductividad opuesta (33) en una unidad de conversion fotoelectrica de primer nivel delantera (3) se dispone mas cerca al lado de incidencia de luz y dicha capa del tipo de conductividad unica (51) en una unidad de conversion fotoelectrica de primer nivel posterior (5) se dispone adyacente a dicha unidad de conversion fotoelectrica de primer nivel delantera (3) incluye una capa compuesta de silicio (4) por lo menos en una parte de esta, y caracterizado porque dicha capa compuesta de silicio (4) tiene un espesor de mas de 20 nm y menos de 130 nm y una concentracion de oxigeno de mas de 25% atomico y menos de 60% atomico, e incluye partes de fase rica en silicio en una fase de aleacion amoría de silicio y oxigeno.

2. El dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde dicha parte de fase rica en silicio incluye una fase de cristal de silicio.

3. El dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde dicha parte de fase rica en silicio incluye silicio amorfo dopado.

4. El dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde indice de refraccion de dicha capa compuesta de silicio con respecto a la luz de 600 nm de longitud de onda es mayor de

1.º y menor de 2.5.

5. El dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde dicho sustrato es transparente, y un espectro reflexion de luz que ha pasado a traves del sustrato e ingresa a dichas unidades de conversion fotoelectrica apiladas tiene por lo menos un valor maximo y por lo menos un valor minimo de reflectancia en un rango de longitud de onda de 500 nm a 800 nm, y una diferencia entre dicho valor maximo y dicho valor minimo es por lo menos 1%.

6. El dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la conductividad en oscuridad de dicha capa compuesta de silicio es mayor de 10-8 S/cm y menor de 10-1 /cm.

º. El dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde en dicha capa compuesta de silicio, una relacion de intensidad de un pico de modo TO derivado de las partes de fase de silicio cristalino a un pico de modo TO derivado de dicha fase de aleacion amoría, medida por dispersion Raman, es mayor de 0.5 y menor de 10.

8. El dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde un espacio de energia optica de dicha capa compuesta de silicio es por lo menos 2.2 eV.

9. El dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde en dicha capa compuesta de silicio, una diferencia de energia entre la energia mas superior de un fotoelectron que ha experimentado la perdida de excitacion interbanda de O1s y de energia pico del fotoelectron O1s, medido por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, es por lo menos 2.2 eV.

10. El dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde una concentracion de atomo dopante en dicha capa compuesta de silicio esta en un rango de 3 x 1020 cm-3 a 1.8 x 1021

-3

cm.

11. Un metodo para formar el dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de la reivindicacion 1, en donde dicho sustrato, que tiene dicha capa compuesta de silicio depositada con una parte de su espesor total en una camara de reaccion CVD de plasma, se toma temporalmente para exponer una superficie de dicha capa compuesta de silicio al aire ambiente, y despues dicho sustrato se introduce de nuevo en una camara de reaccion CVD de plasma, se deposita la parte restante del espesor total de dicha capa compuesta de silicio.

12. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 11, en donde dicho sustrato de toma de dicha camara de reaccion CVD de plasma al aire ambiente despues de que se deposita por lo menos 60% del espesor total de dicha capa compuesta de silicio.

13. Un metodo para formar el dispositivo de conversion fotoelectrica del tipo capa apilada de la reivindicacion 1, en donde una relacion de mezcla del gas de fuente dopante al gas de la fuente de silicio para- deposicion de dicha capa compuesta de silicio en una camara de reaccion CVD de plasma esta en un rango de 0.012 a 0.0º.

14. Un modulo de conversion fotoelectrica del tipo integrado, en donde

una primera capa de electrodo (103) , una pluralidad de capas de unidad de conversion electrica (104a; 104b) y una segunda capa de electrodo (106) apiladas sucesivamente sobre un sustrato (102) se separan por una pluralidad de ranuras de aislamiento (121; 122) para formar una pluralidad de celdas de conversion fotoelectrica (110) , y las celdas se conectan electricamente en serie entre si a traves de una pluralidad de ranuras de conexion (123) ,

cada una de celdas de conversion fotoelectrica tiene una pluralidad de unidades de conversion fotoelectrica apiladas, cada una incluye una capa del tipo de conductividad unica, una capa de conversion fotoelectrica del semiconductor sustancialmente intrinseco y una capa del tipo de conductividad opuesta en este orden del lado de incidencia de luz

por lo menos una de dicha capa del tipo de conductividad opuesta en una unidad de conversion fotoelectrica de primer nivel delantera (104a) dispuesta mas cerca al lado de incidencia de luz y dicha capa del tipo de conductividad

unica en una unidad de conversion fotoelectrica de primer nivel posterior (104b) dispuesta adyacente a la unidad de conversion fotoelectrica de primer nivel delantera incluye una capa compuesta de silicio (10º) por lo menos en una parte de esta, y

caracterizado porque dicha capa compuesta de silicio (10 ) tiene un espesor de mas de 20 nm y menos de 130 nm y una concentracion de oxigeno de mas de 25% atomico y menos de 60% atomico, e incluye partes de fase rica en silicio en una fase de aleacion amoría de silicio y oxigeno.

15. El modulo de conversion fotoelectrica del tipo integrado de acuerdo con la reivindicacion 14, en donde dicha primera capa de electrodo (103) se separa en una pluralidad de regiones que corresponden a dicha pluralidad de celdas de conversion fotoelectrica (110) mediante una pluralidad de primeras ranuras de aislamiento (121) , dicha pluralidad de capas de unidad de conversion electrica (104a; 104b) y 25 dicha segunda capa de electrodo (106) se separan en una pluralidad de regiones que corresponden a dicha pluralidad de celdas mediante una pluralidad de segundas ranuras de aislamiento (122) , y una ranura de conexion (123) se proporciona entre dicha primera ranura de aislamiento (121) y dicha segunda ranura de aislamiento (122) para conectar electricamente dicho primer electrodo de una de dichas celdas con dicho segundo electrodo de su celda vecina.

Si CRISTALINO PARA MODO PICO

SiAMORFO PARA MODO PICO

INTENSIDAD DE SENAL (VALOR RELATIVO)

-1

DESPLAZAMIENTO RAMAN (cm )

iNDICE REFRACTIVO CON RESPECTO A LA LUZ DE 600 nM DE LONGITUD DE ONDA

CONCENTRACIONDEOXiGENOENPELiCULA (" at.)

FOTOELECTRON DE ORBITAINTERNA

INTENSIDAD [UNIDADARBITRARIA]

FOTOELECTRON DE ORBITAINTERNA QUE HAEXPERIMENTADO PERDIDA DE EXCITACION INTERBANDA

ENERGiADE ENLACE [eV]