Procedimiento para la producción de una capa de óxido transparente y conductora.

Procedimiento para la producción de una capa de óxido de zinc conductora y transparente sobre un sustratomediante bombardeo iónico en fase gaseosa reactivo,

en donde el proceso presenta una zona de histéresis y,

- el calentador para el sustrato se ajusta de manera se ajusta una temperatura del sustrato por encima de200ºC, y

- se ajusta una tasa de deposición dinámica mayor que 50 nm*m/min, la cual corresponde a una tasa dedeposición estática mayor que 190 nm/min,

caracterizado por las etapas:

- se utiliza un objetivo de Zn metálico con una sustancia dopante, ascendiendo el contenido en la sustanciadopante del objetivo a menos de 2,3% at,

- para el control del comportamiento en el grabado ácido y de una rugosidad de la superficie resultante delmismo de la capa de ZnO se elige un punto de trabajo estabilizado dentro de la zona del proceso inestableque se encuentra entre el punto de inversión entre el proceso estable, metálico y el proceso inestable y elpunto de inflexión de la curva del proceso estabilizada,

- tiene lugar un tratamiento posterior de la capa de ZnO en forma de un grabado ácido por vía química enhúmedo o grabado ácido seco para el desarrollo de una rugosidad RMS de 30 a 300 nanómetros.

Procedimiento para la producción de una capa de óxido transparente y conductora La invención se refiere a un procedimiento de producción de una capa de óxido de zinc transparente y conductora, que es particularmente adecuada para su empleo en una celda solar de capa fina.

Estado conocido de la técnica Módulos solares a base de la tecnología de la oblea cristalina de Si han demostrado ya desde hace años su productividad y fiabilidad. Módulos de la tecnología de capa fina que se basan en semiconductores y que se aplican en una gran extensión sobre sustratos económicos tales como vidrio, láminas de metal o de plástico, no están todavía tan establecidos, pero, en virtud del menor consumo de material y de un extenso acabado, tienen un elevado potencial de reducción de costes.

En la tecnología de capa fina, el desarrollo de celdas y de módulos a base de silicio amorfo hidrogenado (α-Si:H) es la que ha avanzado en mayor medida. La base de estos conceptos de celdas de α-Si:H forma con ello, por norma general, la denominada configuración de superestructura p-i-n con la secuencia de capas sustrato (vidrio) /electrodo transparente (óxido de estaño impurificado con flúor) /carburo de silicio impurificado con p/α-Si:H no impurificado/α-Si:H impurificado con n/metal. En el caso de esta configuración, la luz solar penetra desde la cara del sustrato a la cara absorbente no impurificada activa, la mayoría de las veces de un grosor de 0, 5 μm.

Las celdas solares de capa fina de silicio requieren una capa de óxido transparente conductora (capa de TCO = siglas inglesas de óxido conductor transparente) con una superficie rugosa, la cual junto a la superficie límite hacia el silicio, dispersa en la celda solar la luz incidente de modo que ésta recorre allí varias veces la celda solar. En el caso óptimo, de esta manera la luz es absorbida de forma completa. Como una capa adecuada para ello se empleó a escala de laboratorio una capa de óxido de zinc impurificada con aluminio (ZnO:Al) que debía ser producida de forma económica en grandes cantidades. Junto a la elevada permeabilidad a la luz visible, estas capas de TCO deben presentar una escasa resistencia.

Para la producción de una capa de TCO rugosa son conocidos de la bibliografía, en principio, dos procedimientos distintos. En el primer caso, una capa de TCO de este tipo puede obtenerse mediante el desarrollo preestablecido de una capa rugosa mediante dispersión adecuada durante la producción. Con este método se producen actualmente capas de óxido de estaño rugosas de gran extensión con ayuda de la técnica CVD (siglas inglesas de deposición química en fase de vapor) .

En el caso del segundo método, se crea primeramente una capa de TCO lisa, la cual, a continuación, en un proceso de grabado ácido es posteriormente asperizada de forma correspondiente. El proceso mencionado en último lugar es actualmente investigado de forma intensa y examinado en cuanto a su transferibilidad a la producción industrial de grandes superficies. En el caso de este procedimiento se emplea óxido de zinc, en particular óxido de zinc impurificado con Al (ZnO:Al) . Con ayuda de la pulverización catódica (bombardeo iónico enfase gaseosa) se crean capas correspondientes. Éstas presentan propiedades eléctricas y ópticas claramente mejoradas con respecto a las capas desarrolladas de forma rugosa. Estas propiedades se ven afectadas significativamente por los parámetros del procedimiento, en particular la presión y temperatura durante el proceso de bombardeo iónico en fase gaseosa. Después del bombardeo iónico en fase gaseosa, estas capas no presentan, sin embargo, todavía regularmente la rugosidad requerida. Esto significa que son ópticamente lisas y no muestran ningún tipo de dispersión de la luz. En una etapa del proceso subsiguiente, para la asperización, estas capas son, por lo tanto, grabadas regularmente al ácido por vía química en húmedo. Capas de ZnO altamente conductoras y transparentes pueden ser producidas tanto a través de técnicas de bombardeo iónico en fase gaseosa de Zn metálico como también a través de técnicas de bombardeo iónica en fase gaseosa no reactivas o bien parcialmente reactivas de objetivos cerámicos.

Hasta ahora se han obtenido muy buenos éxitos con el bombardeo iónico en fase gaseosa por RF de objetivos cerámicos. En este caso, mediante el bombardeo con iones Ar se desprende un objetivo del material de la capa respectivo y se deposita sobre un sustrato dispuesto de manera enfrentada. En este caso, es posible la combinación con otros métodos, por ejemplo la vaporización de elementos individuales (bombardeo iónico en fase gaseosa híbrido) o la adición por mezcladura de un gas de reacción (N2, O2 o también ozono) al plasma (bombardeo iónico en fase gaseosa reactivo) .

En [1] se describe el estado conocido de la técnica para la producción de gran extensión de capas de ZnO con ayuda del bombardeo iónico en fase gaseosa reactivo mediante magnetrón. En este caso, la temperatura del sustrato se mantiene en como máximo 200ºC. La optimización del punto de trabajo tiene lugar mediante el control de la potencia del generador, con lo cual se puede establecer una presión parcial de oxígeno específica. En el caso de la optimización de la capa para el subsiguiente proceso de grabado ácido, se varió como parámetro central la presión del bombardeo iónico en fase gaseosa durante la producción y en intervalos estrechos la temperatura, pero no por encima de 200ºC.

Las capas de ZnO bombardeadas de forma iónica en fase gaseosa reactiva, descritas en [1], se desarrollaron con un proceso de bombardeo iónico en fase gaseosa industrial y son asimismo susceptibles de grabado ácido. Las capas producidas de este modo son bien conductoras y transparentes, pero no presentan de manera desventajosa propiedades dispersantes de la luz óptimas. El grado de eficacia de celdas solares que presentan estas capas es regularmente claramente menor que el de aquellas celdas solares en las que se emplean las capas de TCO producidas mediante bombardeo iónico en fase gaseosa por RF de objetivos cerámicos.

Misión y solución La misión de la invención es poner a disposición capas de óxido transparentes y conductoras (capas de TCO) con propiedades ópticas y eléctricas mejoradas de las capas que presenten una estructura superficial adecuada para su empleo en celdas solares de capa fina. Otra misión de la invención es habilitar un procedimiento de producción correspondientemente rápido y empleable a gran escala para la producción de gran extensión de las capas antes mencionadas.

El problema se resuelve mediante un procedimiento para la creación de una capa de TCO con la totalidad de características de acuerdo con la reivindicación principal. Formas de realización ventajosas del procedimiento se encuentran en las correspondientes reivindicaciones subordinadas.

Objeto de la invención En el caso de procesos de bombardeo iónico en fase gaseosa reactivos, el punto de trabajo se ajusta por norma general de modo que mediante el proceso de producción resultan capas con propiedades eléctricas y ópticas óptimas. La idea en la que se fundamenta esta invención se basa en que el dimensionamiento del punto de trabajo para el proceso de bombardeo iónico en fase gaseosa no se oriente exclusivamente según la capa a producir, directamente a continuación del proceso de producción, sino que incluya el proceso de grabado ácido habitualmente subsiguiente para la aplicación en celdas solares.

En el caso del presente procedimiento se trata de un procedimiento de bombardeo iónico en fase gaseosa reactivo en el que se emplea un objetivo Zn metálico. Se ajustan densidades de potencia de 5, 3 W/cm2 o bien de 13 W/cm2 con las que se alcanzan tasas de deposición estacionarias mayores que 150 nm/min o bien mayores que 400 nm/min. Estas corresponden aproximadamente a tasas de deposición dinámicas mayores que 40 nm*m/min o bien mayores que 110 nm*m/min, en el caso de utilizar dos cátodos de magnetrón.

El objetivo Zn presenta una proporción de átomos dopantes. Sustancias dopantes adecuadas son, junto al aluminio, también B, Ga, In o F. El contenido en sustancia dopante en el objetivo asciende regularmente a menos de 2, 3% at, en particular a menos de 1, 5% at y, ventajosamente, entre 0, 2 y 1% at. El contenido dopante se refiere en estos datos en cada caso sólo al componente metálico, es decir, el oxígeno no está incluido. De manera correspondiente, el contenido en aluminio se calcula según: Al/ (Al+Zn) .

El objetivo se emplea en el proceso habitualmente ya como objetivo dopado. Alternativamente, también puede tener lugar, sin embargo, una impurificación del objetivo de... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la producción de una capa de óxido de zinc conductora y transparente sobre un sustrato mediante bombardeo iónico en fase gaseosa reactivo, en donde el proceso presenta una zona de histéresis y.

5. el calentador para el sustrato se ajusta de manera se ajusta una temperatura del sustrato por encima de 200ºC, y

-se ajusta una tasa de deposición dinámica mayor que 50 nm*m/min, la cual corresponde a una tasa de deposición estática mayor que 190 nm/min, caracterizado por las etapas:

- se utiliza un objetivo de Zn metálico con una sustancia dopante, ascendiendo el contenido en la sustancia dopante del objetivo a menos de 2, 3% at,

-para el control del comportamiento en el grabado ácido y de una rugosidad de la superficie resultante del mismo de la capa de ZnO se elige un punto de trabajo estabilizado dentro de la zona del proceso inestable que se encuentra entre el punto de inversión entre el proceso estable, metálico y el proceso inestable y el

punto de inflexión de la curva del proceso estabilizada, -tiene lugar un tratamiento posterior de la capa de ZnO en forma de un grabado ácido por vía química en húmedo o grabado ácido seco para el desarrollo de una rugosidad RMS de 30 a 300 nanómetros.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 anterior, en el que se emplea un objetivo con un contenido en sustancia 20 dopante menor que 1, 5% at, en particular menor que 1% at.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que se emplea un objetivo con aluminio como sustancia dopante.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el sustrato se calienta hasta temperaturas por encima de 250ºC, en particular hasta temperaturas por encima de 300ºC.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que se ajusta una tasa de deposición dinámica mayor que 80 nm*m/min, en particular mayor que 100 nm/min, que corresponde a una tasa de deposición estática 30 de más de 300, en particular de más de 380 nm/min.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que se utiliza una disposición de magnetrón doble con excitación mf (frecuencia media) .

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, el cual se lleva a cabo como proceso continuo dinámico en el que el sustrato es movido durante el bombardeo iónico en fase gaseosa.