Electrodo frontal con capa de película delgada de metal y capa de tampón de alta función de trabajo para uso en dispositivo fotovoltaico y procedimiento de fabricar el mismo.

Un dispositivo fotovoltaico que comprende:

un sustrato de vidrio frontal (1),

una película semiconductora activa (5),

una estructura de electrodo frontal eléctricamente conductor y sustancialmente transparente ubicado entre al menos el sustrato de vidrio frontal (1) y la película de semiconductor (5), en el que la estructura de electrodo frontal comprende una película de metal sustancialmente transparente (3), y

una película de tampón de alta función de trabajo(4), en el que la película de tampón de alta función de trabajo(4) tiene una función de trabajo que es mayor que una función de trabajo de la película metálica (3), y en el que la película de tampón de alta función de trabajo( 4) se encuentra entre la película de metal (3) y una porción superior de la película semiconductora (5),

caracterizado porque

la película de metal sustancialmente transparente (3) comprende primero (3a) y segunda (3b) capas 20 sustancialmente metálicas hechas de metales diferentes

Electrodo frontal con capa de película delgada de metal y capa de tampón de alta función de trabajo para uso en dispositivo fotovoltaico y procedimiento de fabricar el mismo Esta invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico que incluye un electrodo contacto/frontal. En ciertas realizaciones de ejemplo, el electrodo frontal del dispositivo fotovoltaico incluye una película de metal altamente conductor y una fina capa de tampón de alta función de trabajo. La capa de tampón de alta función de trabajo se encuentra entre la película metálica y la capa de semiconductor más superior del dispositivo fotovoltaico con el fin de proporcionar para el emparejamiento sustancial de función de trabajo entre la película metálica y la capa de semiconductor del dispositivo más superior de alta función de trabajo con el fin para reducir una barrera de potencial para los agujeros extraídos del dispositivo por la parte delantera del electrodo/contacto. Opcionalmente, una capa tal como un óxido conductor transparente (TCO) o un dieléctrico puede estar prevista entre un sustrato de vidrio frontal y la película de metal en determinados casos de ejemplo.

Antecedentes y resumen de realizaciones de ejemplo de invención Los dispositivos fotovoltaicos se conocen en la técnica (por ejemplo, véase U.S. Patent Nos 6.784.361, 6.288.325, 6.613.603, y 6.123.824. Dispositivos fotovoltaicos de silicio amorfo, por ejemplo, incluyen un electrodo o contacto frontal. Típicamente, el electrodo frontal transparente (que puede incluir el contacto frontal como se utiliza aquí) está hecho de un óxido conductor transparente (TCO) tal como óxido de zinc u óxido de estaño formado sobre un sustrato tal como un sustrato de vidrio. En muchos casos, el electrodo frontal transparente está formada de una sola capa usando un procedimiento de pirólisis química en el que los precursores se pulverizan sobre el sustrato de vidrio a aproximadamente 400 a 600 grados C. Electrodos frontales hechos únicamente de una capa TCO de oxido de estaño F-dopado son indeseable en que tienden a sufrir de oscurecimiento en atmósferas de hidrógeno que se pueden usar durante deposición absorbedor de a-Si: H. Como otro ejemplo, electrodos frontales hechos exclusivamente de una capa TCO de óxido de zinc son problemáticos en cuanto a que tienen una conductividad insuficiente en ciertos casos.

La EP 1 300 889 A2 divulga un elemento fotovoltaico y dispositivo fotovoltaico. El elemento y dispositivo descritos en ella y comprenden una película ITO (óxido de indio estaño) como una película conductora transparente formada sobre un semiconductor o un semiconductor microcristalino, un electrodo en forma de peine de recogida formado sobre la ITO y una cubierta de vidrio que contiene iones alcalinos, se coloca sobre la película ITO y el electrodo de recogida con una película de resina hecha de EVA (etileno acetato de vinilo) entre ellos.

TCOs típicos usados para los electrodos frontales de ciertos dispositivos fotovoltaicos son de tipo n y por lo tanto, pueden crear una barrera Schottky en la interfaz entre el TCO y la capa de semiconductor más superior del dispositivo fotovoltaico (por ejemplo, capa a base de silicio de tipo p) en una dirección inversa al campo incorporado. Esta barrera puede actuar como una barrera para los agujeros extraídos del dispositivo por parte del electrodo frontal, lo que conduce a un rendimiento ineficiente.

Por lo tanto, se apreciará que existe una necesidad en la técnica de un electrodo frontal mejorado para un dispositivo fotovoltaico que puede reducir la barrera de potencial para los agujeros extraídos del dispositivo fotovoltaico por el electrodo frontal.

Con el fin de superar el problema mencionado anteriormente, la presente invención divulga un dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1 y un electrodo adaptado para un dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 8. Otras realizaciones ventajosas se describen en las reivindicaciones dependientes.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 es una vista en sección transversal de un dispositivo fotovoltaico de ejemplo de acuerdo con una realización de ejemplo de esta invención.

La figura 2 es una vista en sección transversal de un dispositivo fotovoltaico de ejemplo de acuerdo con una realización de ejemplo de esta invención.

La Figura 3 es un gráfico que ilustra la banda y las posiciones de nivel de Fermi de ciertos materiales y un a-Si:H de tipo p con respecto a un nivel de vacío y un electrodo normal de hidrógeno (NHE) .

La figura 4 (a) a 4 (b) son gráficos que ilustran las posiciones relativas de las capas separadas de TCO y las capas a-Si para ilustrar la ventaja del uso de ITO sobre ZnAlOx como un material de capa de tampón, aunque ambos pueden ser utilizados en diferentes realizaciones de ejemplo de esta invención.

Descripción detallada de realizaciones de ejemplo de la invención Haciendo referencia ahora más particularmente a los dibujos en los que números de referencia similares indican partes similares en las diversas vistas.

Dispositivos fotovoltaicos, tales como células solares convierten la radiación solar y otra luz en energía eléctrica utilizable. La conversión de energía se produce normalmente como resultado del efecto fotovoltaico. La radiación solar (por ejemplo, la luz solar) que incide sobre un dispositivo fotovoltaico y absorbida por una región activa de material semiconductor (por ejemplo, una película semiconductora que incluye una o más capas semiconductoras tales como capas de a-Si) genera pares electrón-hueco en la región activa. Los electrones y los huecos pueden estar separados por un campo eléctrico de una unión en el dispositivo fotovoltaico. La separación de los electrones y huecos la unión resulta en la generación de una corriente eléctrica y voltaje. En ciertas realizaciones de ejemplo, los electrones fluyen hacia la región del material semiconductor que tiene conductividad de tipo n, y de los agujeros fluyen hacia la región del semiconductor que tiene conductividad de tipo p. La corriente puede fluir a través de un circuito externo que conecta la región de tipo n a la región de tipo p como la luz continúa generando pares electrón-hueco en el dispositivo fotovoltaico.

En ciertas realizaciones de ejemplo, los dispositivos fotovoltaicos de silicio amorfo (a-Si) con unión única incluyen tres capas semiconductoras. En particular, una capa p, una capa n y una capa i que es intrínseca. La película de silicio amorfo (que puede incluir una o más capas tales como capas de tipo p, n e i) puede ser de silicio amorfo hidrogenado en determinados casos, pero también puede ser de o incluir carbono de silicio amorfo hidrogenado o germanio de silicio amorfo hidrogenado, o similares, en formas de realización de ejemplo de esta invención. Por ejemplo y sin limitación, cuando un fotón de luz se absorbe en la capa y da lugar a una unidad de corriente eléctrica (un par electrón-hueco) . Las capas p y n, que contienen iones dopantes cargados, establecen un campo eléctrico a través de la capa i que extrae la carga eléctrica de la capa i y la envía a un circuito externo opcional donde puede suministrar energía a los componentes eléctricos. Se observa que, mientras algunas formas de realización de ejemplo de esta invención se dirigen hacia dispositivos fotovoltaicos basados en silicio amorfo, esta invención no está tan limitada y puede ser utilizado en conjunción con otros tipos de dispositivos fotovoltaicos en ciertos casos que incluyen pero no se limitan a los dispositivos que incluyen otros tipos de material semiconductor, células solares de película delgada de tándem, y similares. Ciertas formas de realización de ejemplo de esta invención pueden ser aplicable a dispositivos fotovoltaicos de tipo CdS/CdTe, por ejemplo.

La figura 1 es una vista en sección transversal de un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una realización de ejemplo de esta invención. El dispositivo fotovoltaico incluye un sustrato transparente de vidrio frontal 1, capa de nucleación dieléctrica o de óxido conductor transparente (TCO) 2, película metálica de una o varias capas 3 opcionalmente caracterizada por una función de trabajo relativamente baja, la capa de tampón de alta función de trabajo 4, la película semiconductora activa 5 de una o más capas semiconductoras, electrodo o contacto posterior 7 que puede ser de un TCO o un metal, un encapsulante 9 o adhesivo opcional de un material tal como acetato de etilo vinilo (EVA) o similar, y un sustrato superior opcional 11 de un material tal como vidrio. El electrodo frontal en la realización de la fig. 1 puede ser de o incluir película de metal 3, y, opcionalmente, también puede incluir la capa de barrera de alta función de... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo fotovoltaico que comprende:

un sustrato de vidrio frontal (1) ,

una película semiconductora activa (5) ,

una estructura de electrodo frontal eléctricamente conductor y sustancialmente transparente ubicado entre al menos el sustrato de vidrio frontal (1) y la película de semiconductor (5) , en el que la estructura de electrodo frontal comprende una película de metal sustancialmente transparente (3) , y

una película de tampón de alta función de trabajo (4) , en el que la película de tampón de alta función de trabajo (4) tiene una función de trabajo que es mayor que una función de trabajo de la película metálica (3) , y en el que la película de tampón de alta función de trabajo ( 4) se encuentra entre la película de metal (3) y una porción superior de la película semiconductora (5) ,

caracterizado porque la película de metal sustancialmente transparente (3) comprende primero (3a) y segunda (3b) capas sustancialmente metálicas hechas de metales diferentes.

2. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la película de tampón de alta función de trabajo (4) comprende uno de: una película de TCO, óxido de indio y estaño o de indio-estaño-óxido (ITO) rico en oxígeno.

3. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la película metálica (3) tiene una función de trabajo de no más de aproximadamente 4, 2 eV, y la película de tampón de alta función de trabajo (4) tiene una función de trabajo de al menos 4, 3 eV.

4. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la película de tampón de alta función de trabajo (4) tiene una función de trabajo de al menos aproximadamente 4% mayor que la de la película metálica (3) , más preferiblemente al menos 6% mayor, y más preferiblemente a al menos aproximadamente 10% mayor.

5. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la película de tampón de alta función de trabajo (4) tiene una función de trabajo de aproximadamente 4, 0 a 5, 7 eV, preferiblemente de aproximadamente 4, 3 a 5, 2 eV, y más preferiblemente de aproximadamente 4, 5 a 5, 0 eV.

6. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la película metálica (3) es de aproximadamente 2 a 60 nm (20 a 600 angstroms) de espesor, y la película de tampón de alta función de trabajo (4) es de aproximadamente 1 a 100 nm (10 a 1.000 angstroms ) de espesor, y preferiblemente en el que la película metálica (3) es de alrededor de 4 a 20nm (4 a 200 angstroms) de espesor, y la película de tampón de alta función de trabajo (4) es de aproximadamente 1 a 10nm (10 a 100 angstroms) de espesor.

7. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la película de tampón de alta función de trabajo (4) es un dieléctrico y tiene un grosor de aproximadamente 05 a 3 nm (angstroms 5-30) .

8. Una estructura de electrodo adaptado para su uso en un dispositivo fotovoltaico, la estructura de electrodo que comprende:

un sustrato de vidrio (1) ,

una película de metal sustancialmente transparente (3) soportado por el sustrato de vidrio (1) ,

una película de tampón de alta función de trabajo (4) soportado por el sustrato de vidrio (1) , en el que la película de tampón de alta función de trabajo (4) tiene una función de trabajo que es mayor que una función de trabajo de la película metálica (3) , y la película metálica (3) está situado entre por lo menos la película tampón de alta función trabajo (4) y el sustrato de vidrio (1) ,

caracterizado porque la película de metal (3) comprende primera y segunda capas diferentes sustancialmente metálicas.

9. La estructura de electrodo de la reivindicación 8, en el que la película de tampón de alta función de trabajo (4) comprende una película de TCO.

10. La estructura de electrodo de la reivindicación 8, en el que la película de tampón de alta función de trabajo (4) está en contacto directo con la película metálica (3) y también está adaptado para contactar directamente con una película semiconductora (5) del dispositivo fotovoltaico.

11. La estructura de electrodo de la reivindicación 8, en el que la película metálica (3) tiene una función de trabajo de no más de aproximadamente 4, 2 eV, y la película de tampón de alta función de trabajo (4) tiene una función de trabajo de al menos 4, 3 eV, y en el que la alta película de tampón de alta función de trabajo tiene una función de trabajo de al menos aproximadamente 4% mayor que la de la película de metal.

12. La estructura de electrodo de la reivindicación 8, en el que la película metálica (3) es de alrededor de 4 a 20nm (40 a 200 angstroms) de espesor, y película de tampón de alta función de trabajo (4) es de aproximadamente 1 a 10nm (10 a 100 angstroms) de espesor.