Célula solar con zonas de pasivación contiguas eléctricamente aislantes dotadas de una alta carga superficial de polaridad opuesta y procedimiento de fabricación.
Célula solar (01) que comprende
- una capa de absorbedor semiconductora fotoactiva (03,
20) que sirve para generar portadores de carga excedentes de polaridad opuesta por efecto de luz incidente, en la situación de funcionamiento, sobre el lado delantero (13) de la capa de absorbedor (03, 20),
- la formación de al menos un campo eléctrico (08) en la capa de absorbedor (03, 20), que sirve para la separación de los portadores de carga excedentes fotogenerados de polaridad opuesta, que pueden recorrer al menos una longitud de difusión efectiva mínima Lef,min en la capa de absorbedor (03, 20),
- unos primeros elementos de contacto (09) que sirven para derivar los portadores de carga excedentes de una polaridad en el lado trasero (02) de la capa de absorbedor (03, 20) que queda alejado de la luz en la situación de funcionamiento,
- unos segundos elementos de contacto (10) que sirven para derivar los portadores de carga excedentes de polaridad opuesta, y
- al menos una primera región de pasivación eléctricamente aislante (04) no dopada, aplicada sobre el lado trasero (02) de la capa de absorbedor (03, 20) y hecha de un primer material no semiconductor con una carga superficial de una polaridad tan alta que se provoque una torsión de banda de la capa de absorbedor (03, 20) en una dirección hasta su desnaturalización o casi hasta ésta, y
- al menos una segunda región de pasivación eléctricamente aislante (05) no dopada y hecha de un segundo material no semiconductor con una carga superficial de polaridad opuesta tan alta que se provoque una torsión de banda de la capa de absorbedor (03, 20) en la dirección opuesta hasta la desnaturalización o casi hasta ésta,
- una disposición también de los segundos elementos de contacto (10) sobre el lado trasero (02) de la capa de absorbedor (03, 20),
- al menos una primera abertura de contacto (11) en cada primera región de pasivación eléctricamente aislante (04) para la conexión de un primer elemento de contacto (09);
caracterizada por
- una disposición contigua alternante de varias primeras y segundas regiones de pasivación eléctricamente aislantes (04, 05) en el lado trasero (02) de la capa de absorbedor (03, 20) con un espesor Lx de 0< Lx 5 Lef,min,
- al menos una segunda abertura de contacto (12) en cada segunda región de pasivación eléctricamente aislante (05) para la conexión de un segundo elemento de contacto (10) y
- una distancia Ly entre cada primero y cada segundo elemento de contacto (09, 10) de 0< Ly ≤ 2 Lef,min.
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DE2010/000625.
Solicitante: HELMHOLTZ-ZENTRUM BERLIN FUR MATERIALIEN UND ENERGIE GMBH.
Nacionalidad solicitante: Alemania.
Dirección: HAHN-MEITNER-PLATZ 1 14109 BERLIN ALEMANIA.
Inventor/es: STANGL, ROLF, RECH,BERND.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L31/0224 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 eléctricas 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). › Electrodos.
- H01L31/062 H01L 31/00 […] › siendo las barreras de potencial únicamente del tipo metal-aislante-semiconductor.
PDF original: ES-2453073_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Célula solar con zonas de pasivación contiguas eléctricamente aislantes dotadas de una alta carga superficial de polaridad opuesta y procedimiento de fabricación.
La invención se refiere a una célula solar que comprende
-una capa de absorbedor semiconductora fotoactiva que sirve para generar portadores de carga excedentes de polaridad opuesta por efecto de la luz que incide, en la situación de funcionamiento, en el lado delantero de la capa de absorbed or,
-la formación de al menos un campo eléctrico en la capa de absorbedor que sirve para la separación de los portadores de carga excedentes fotogenerados de polaridad opuesta, que pueden recorrer al menos una longitud de difusión efectiva mínima Lef, min,
-unos primeros elementos de contacto que sirven para derivar los portadores de cargas excedentes de una polaridad en el lado trasero de la capa de absorbedor alejado de la luz en la situación de funcionamiento, -unos segundos elementos de contacto que sirven para derivar los portadores de carga excedentes de polaridad opuesta, y
-al menos una primera zona de pasivación eléctricamente aislante, no dopada, aplicada sobre el lado trasero de la capa de absorbedor y hecha de un primer material no semiconductor con una carga superficial tan alta de una polaridad que se provoque una torsión de banda de la capa de absorbedor en una dirección hasta o casi la desnaturalización, y
-al menos una segunda zona de pasivación eléctricamente aislante, no dopada y hecha de un segundo material no semiconductor con una carga superficial tan alta de polaridad opuesta que se provoque una torsión de banda de la capa de absorbedor en la dirección contraria hasta o casi la desnaturalización,
-una disposición también de los segundos elementos de contacto en el lado trasero de la capa de absorbedor, -al menos una primera abertura de contacto en cada primera zona de pasivación eléctricamente aislante para la conexión de un primer elemento de contacto,
así como a un procedimiento para fabricar células solares de esta clase.
Las estructuras de componentes fotoactivos que se materializan (por ejemplo, fotodiodos, células solares) con ayuda de semiconductores (por ejemplo, silicio) utilizan en general una transición semiconductor-semiconductor altamente dopada (por ejemplo estructuras pn o pin) o una transición metal-semiconductor (contacto de Schottky) o bien una transición metal muy delgado-aislador (óxido de túnel) -semiconductor (contacto MIS) para la separación selectiva de los portadores de carga excedentes fotogenerados. En este caso, se aprovecha para la separación selectiva de portadores de carga excedentes fotogenerados el campo eléctrico que se forma a consecuencia de las transiciones citadas en la capa de absorbedor semiconductora fotoactiva. En particular, el campo eléctrico se genera aquí siempre primordialmente a través de una capa de contacto conductora (capa de emisor o capa metálica o capa de metal/óxido de túnel) que se encuentra al menos en zonas localizadas sobre el fotoabsorbedor (la capa de óxido de túnel en el caso de un contacto MIS se conceptúa aquí como capa de contacto efectivamente conductora a pesar del carácter en sí aislante de un óxido) , ya que el óxido de túnel tiene que procesarse en forma tan delgada que sea posible un flujo de corriente significativo hacia el metal a consecuencia de procesos de transporte de túnel. Por tanto, todas las transiciones citadas (transición pn, contacto de Schottky, contacto MIS) generan concretamente un campo eléctrico o una zona de carga espacial en el fotoabsorbedor que se utiliza después para la separación de los portadores de carga fotogenerados.
Si la consigna objetivo es conseguir una acumulación lo más eficiente posible de los portadores de carga excedentes fotogenerados (por ejemplo, el desarrollo de células solares de alta eficiencia, por ejemplo a base de pastillas de silicio) , las capas semiconductoras altamente dopadas (especialmente la capa de emisor en estructuras pn) y la recombinación de contacto (en el contacto metal-semiconductor altamente dopado o en el contacto metalsemiconductor o en el contacto metal-óxido de túnel-semiconductor) representan entonces, a consecuencia de su alta actividad de recombinación, un factor limitativo del rendimiento de la célula solar. Un difundido concepto auxiliar es el aprovechamiento de contactos puntuales para minimizar las inevitables regiones de contacto con una alta actividad de recombinación. En este caso, se pasiva el fotoabsorbedor (por ejemplo, la pastilla de silicio) en toda su superficie por medio de una capa de pasivación eléctricamente aislante (por ejemplo, un óxido térmicamente crecido) y a continuación se le abre localmente en algunas regiones (contactos puntuales o contactos en forma de tiras) . En estas regiones tiene lugar entonces la generación anteriormente descrita de una zona de carga espacial para la separación de los portadores de carga excedentes fotogenerados. En particular, la capa de pasivación eléctricamente aislante tiene que presentar aquí una baja velocidad de recombinación superficial (por ejemplo, < 30 cm/s) .
Las capas de pasivación reducen la velocidad de recombinación superficial del absorbedor de células solares. Pueden estar configuradas como conductoras (por ejemplo, silicio amorfo hidrogenado intrínseco o dopado, a-Si:H)
o como no conductoras (por ejemplo, óxidos, nitruros) . La mayoría de las capas de pasivación funcionan principalmente por medio de una saturación (reducción) de los defectos superficiales del fotoabsorbedor (por ejemplo, un óxido térmicamente crecido sobre una pastilla de silicio por saturación de los "enlaces colgantes"
abiertos. Sin embargo, es posible también lograr una pequeña velocidad de recombinación superficial por medio de una carga superficial muy alta dentro de la capa de pasivación. La carga superficial de la capa de pasivación conduce entonces también a una formación de una zona de carga espacial en el fotoabsorbedor. Si la carga superficial es muy alta, se puede impulsar entonces la torsión de banda resultante del absorbedor hasta la desnaturalización o casi la desnaturalización (torsión de banda completa, el canto de la banda de valencia o de la banda de conducción toca entonces el nivel de energía de Fermi del semiconductor en la superficie de dicho semiconductor) . La densidad de una clase de portadores de carga queda entonces muy incrementada localmente en la superficie del semiconductor. Según el material utilizado, sólo está disponible allí entonces cada vez una clase de portadores de carga excedentes fotogenerados (bien solamente electrones excedentes o bien solamente huecos excedentes, equivalente a "una polaridad" y una "polaridad opuesta") , de modo que, a pesar de una alta densidad de defectos superficiales eventualmente existente, no es posible ninguna recombinación superficial. Ejemplos conocidos de tales capas de pasivación son, por ejemplo, nitruro de silicio (SiN (acrónimo, no fórmula estequiométrica) , carga superficial positiva muy alta) depositado sobre silicio, por ejemplo por deposición química de fase gaseosa asistida por plasma (PECVD) , u óxido de aluminio (AlO (acrónimo, no fórmula estequiométrica) , carga superficial negativa muy alta) depositado sobre silicio por "deposición de capa atómica" (ALD) .
Estado de la técnica
Se conoce por el documento DE 196 02 313 A1 una célula solar con una transición pn y un contactado bilateral. Para suprimir la recombinación de portadores de carga en el contacto del lado trasero alejado de la luz, la célula solar está equipada con un electrodo de campo externamente activable. Éste está situado entre los dedos de contacto de una capa de aislamiento dispuesta sobre la capa de absorbedor y está unido con una fuente de tensión exterior. El electrodo de campo puesto a un potencial negativo genera en la superficie límite semiconductor-aislante un campo eléctrico que hace que los portadores de carga minoritarios que se difunden en esta región sean impulsados hacia atrás en dirección a la transición pn, mientras que los portadores de carga mayoritarios son acelerados hacia el contacto del lado trasero. Para reducir la velocidad de recombinación en el lado delantero de la célula solar puede estar previsto allí también un electrodo de campo externamente activable de polarización opuesta, mediante cuya acción de campo los portadores de carga mayoritarios sean impulsados hacia el contacto trasero y los portadores de carga minoritarios sean impulsados hacia el contacto delantero. Sin embargo, la separación de portadores de carga se efectúa exclusivamente en la transición pn.
Se conoce por el documento WO 2007/022955 A1 una célula solar... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Célula solar (01) que comprende
-una capa de absorbedor semiconductora fotoactiva (03, 20) que sirve para generar portadores de carga excedentes de polaridad opuesta por efecto de luz incidente, en la situación de funcionamiento, sobre el lado 5 delantero (13) de la capa de absorbedor (03, 20) ,
-la formación de al menos un campo eléctrico (08) en la capa de absorbedor (03, 20) , que sirve para la separación de los portadores de carga excedentes fotogenerados de polaridad opuesta, que pueden recorrer al menos una longitud de difusión efectiva mínima Lef, min en la capa de absorbedor (03, 20) ,
-unos primeros elementos de contacto (09) que sirven para derivar los portadores de carga excedentes de una 10 polaridad en el lado trasero (02) de la capa de absorbedor (03, 20) que queda alejado de la luz en la situación de funcionamiento, -unos segundos elementos de contacto (10) que sirven para derivar los portadores de carga excedentes de polaridad opuesta, y -al menos una primera región de pasivación eléctricamente aislante (04) no dopada, aplicada sobre el lado
trasero (02) de la capa de absorbedor (03, 20) y hecha de un primer material no semiconductor con una carga superficial de una polaridad tan alta que se provoque una torsión de banda de la capa de absorbedor (03, 20) en una dirección hasta su desnaturalización o casi hasta ésta, y
-al menos una segunda región de pasivación eléctricamente aislante (05) no dopada y hecha de un segundo material no semiconductor con una carga superficial de polaridad opuesta tan alta que se provoque una torsión 20 de banda de la capa de absorbedor (03, 20) en la dirección opuesta hasta la desnaturalización o casi hasta
ésta, -una disposición también de los segundos elementos de contacto (10) sobre el lado trasero (02) de la capa de absorbedor (03, 20) , -al menos una primera abertura de contacto (11) en cada primera región de pasivación eléctricamente aislante 25 (04) para la conexión de un primer elemento de contacto (09) ;
caracterizada por
-una disposición contigua alternante de varias primeras y segundas regiones de pasivación eléctricamente aislantes (04, 05) en el lado trasero (02) de la capa de absorbedor (03, 20) con un espesor Lx de 0 < Lx 5 Lef, min, -al menos una segunda abertura de contacto (12) en cada segunda región de pasivación eléctricamente aislante 30 (05) para la conexión de un segundo elemento de contacto (10) y -una distancia Ly entre cada primero y cada segundo elemento de contacto (09, 10) de 0 < Ly ! 2 Lef, min.
2. Célula solar (01) según la reivindicación 1, caracterizada por una configuración en forma de puntos o de tiras de los elementos de contacto primeros y segundos (09, 10) especialmente constituidos por dos metales con un trabajo de salida diferente de conformidad con la polaridad de los portadores de carga excedentes a evacuar.
3. Célula solar (01) según la reivindicación 1, caracterizada por una disposición de las aberturas de contacto (11, 12) al menos en la zona de los centros de gravedad de la superficie de las regiones de pasivación primeras y segundas (04, 05) .
4. Célula solar (01) según la reivindicación 1, caracterizada por una disposición de un gran número de aberturas de contacto estocásticamente distribuidas (11, 12) con nanodimensiones en las regiones de pasivación primeras y 40 segundas (04, 05) .
5. Célula solar (01) según la reivindicación 1, caracterizada por una capa de pasivación plana (14) en el lado delantero (13) de la capa de absorbedor (03, 20) , constituida especialmente por unas superficies de pasivación primera y segunda alternantes eléctricamente aislantes (40, 42) de alta carga superficial con polaridad opuesta a la de las regiones de pasivación primeras y segundas (04, 05) .
(15) preferiblemente a-Si:H intrínseco.
8. Célula solar (01) según la reivindicación 1, caracterizada por una capa de absorbedor dopada (20) y unas capas de emisor adicionales (22, 24, 25, 29) opuestamente dopadas y heterogéneamente aplicadas o difundidas al menos 55 en las aberturas de contacto (11, 12) de las regiones de pasivación primeras o segundas (04, 05) con una carga
superficial idéntica a la del dopado del absorbedor.
9. Célula solar según la reivindicación 1, caracterizada por una capa de absorbedor dopada (20) y unas capas BSF adicionales (21, 23) igualmente dopadas, heterogéneamente aplicadas o local o planamente difundidas al menos en las aberturas de contacto (11, 12) de las regiones de pasivación primeras o segundas (04, 05) con una carga superficial opuesta a la del dopado del absorbedor.
10. Célula solar según las reivindicaciones 8 y/o 9, caracterizada por una extensión de las capas de emisor (22, 24, 25, 29) y las capas BSF (21, 23) desde las aberturas de contacto (11, 12) hasta las regiones de pasivación primeras y/o segundas (04, 05) sin un contacto mutuo.
11. Célula solar (01) según la reivindicación 6, caracterizada por una capa de absorbedor dopada (20) y unas capas de emisor adicionales (22, 24, 25, 29) opuestamente dopadas, heterogéneamente aplicadas o difundidas sobre la capa de pasivación intrínseca eléctricamente conductora (15) plana o estructurada.
12. Célula solar según la reivindicación 6, caracterizada por una capa de absorbedor dopada (20) y unas capas BSF adicionales (21, 23) igualmente dopadas, heterogéneamente aplicadas o local o planamente difundidas sobre la capa de pasivación intrínseca eléctricamente conductora (15) plana o estructurada.
13. Célula solar según la reivindicación 1, caracterizada por una capa de absorbedor (03, 30) , un conducto de paso
(27) de las aberturas de contacto (12) en las regiones de pasivación primeras o segundas (04, 05) hasta el lado delantero (13) de la capa de absorbedor (20) , y un recubrimiento de las aberturas de contacto atravesadas (27, 12) y del lado delantero (13) de la capa de absorbedor (20) con el material de las regiones de pasivación primeras o segundas (04, 05) .
14. Célula solar según la reivindicación 1, caracterizada por silicio intrínseco o dopado como material para la capa de absorbedor (03, 20) , nitruro de silicio (SiN) con una alta carga superficial positiva y óxido de aluminio (AlO) con una alta carga superficial negativa como materiales para la regiones de pasivación primeras y segundas eléctricamente aislantes (04, 05) , y un metal (aluminio (Al) ) o un óxido transparentemente conductivo (TC0) (óxido de zinc (ZnO) u óxido de indio-estaño ITO) ) como material para los elementos de contacto primeros y segundos (09, 10) .
15. Procedimiento de fabricación de una célula solar (01) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 con una disposición de un gran número de aberturas de contacto estocásticamente distribuidas (11, 12) en las regiones de pasivación primeras y segundas (04, 05) , caracterizado por los pasos de procedimiento siguientes:
-deposición en el lado trasero de una capa de pasivación eléctricamente aislante (30) con una alta carga superficial de una polaridad, con un espesor de capa d1, directamente sobre la capa de absorbedor (03) y estructuración de la capa de pasivación eléctricamente aislante (30) en las segundas regiones de pasivación eléctricamente aislantes de una polaridad (05) ,
-deposición en el lado trasero de una capa de pasivación eléctricamente aislante (32) con una alta carga superficial de polaridad opuesta, con un espesor de capa d2, directamente sobre la capa de absorbedor (03) y directamente sobre las segundas regiones de pasivación (05) y estructuración de la capa de pasivación eléctricamente aislante (32) en las primeras regiones de pasivación eléctricamente aislantes (04) ,
-deposición sobre toda la superficie de una matriz (39) de un material resistente a la corrosión con plasma, especialmente de ZnO, y estructuración subsiguiente de la matriz (39) ,
-corrosión parcial de la matriz (39) hasta que ésta se haya erosionado por completo en sitios estocásticamente distribuidos y
-corrosión selectiva en un plasma que ataca las regiones de pasivación primeras y segundas (04, 05) , pero no la matriz (39) , habiéndose elegido los espesores de capa d1, d2 de las regiones de pasivación primeras y segundas (04, 05) en función de sus tasas de corrosión de modo que en ambas regiones de pasivación (04, 05) se formen aberturas de contacto (11, 12) hasta la capa de absorbedor (03) .
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