Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica.

Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica (P3) de una célula solar de lámina delgada mediante la aplicación de un láser infrarrojo pulsado en picosegundos por la cara activa de la célula,

consiguiendo así la eliminación de las capas de material semiconductor tipo p y del tipo n y de la capa del óxido transparente conductor (TCO) que forman parte de la célula solar, dejando al aire el contacto trasero de la misma, sin dañar capa barrera y/o sustrato.

PROCEDIMIENTO PARA EL AISLAMIENTO DE BORDE EN CÉLULAS SOLARES Y PARA LA TERCERA ETAPA DE UN PROCESO DE INTEGRACIÓN MONOLÍTICA

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para el aislamiento de borde y definición del final de una célula solar de lámina delgada. La invención que se propone tiene aplicación en el sector de la microelectrónica y optoelectrónica. Dentro del sector de la optoelectrónica, la presente invención tiene gran aplicación en el diseño y fabricación de módulos solares fotovoltaicos de lámina delgada, donde se hace uso del concepto de aislamiento de borde y de integración monolítica para la interconexión de células solares.

Antecedentes de la invención

La eliminación del TCO (Óxido Transparente Conductor, contacto frontal de las células solares) así como la eliminación de semiconductores tipo n y p aplicado a células solares de lámina delgada, se lleva a cabo con dos finalidades: por una parte se utiliza para unir células y formar un módulo fotovoltaico, consiguiendo mayor eficiencia en la producción de electricidad, pues al tener células conectadas en serie se produce mayor potencia en el dispositivo fotovoltaico (conocida como tercera etapa o etapa P3 del proceso de integración monolítica) y por otro lado, referido a la propia célula, se utiliza para conseguir aislamiento de borde en la etapa de definición de final de célula, siendo completamente necesario porque si no habría una resistencia de capa tan grande en el contacto frontal (TCO) que no se podría mantener la eficiencia. La técnica de integración monolítica en calcogenuros como la tecnología CIS (CIS es el acrónimo en inglés de Copper Indium Selenide -CulnSe2-, un material semiconductor tipo p que forma parte de la célula solar compuesto de Cobre, Indio, Selenio) o la tecnología CGS (acrónimo en inglés de Copper Gallium Selenide, es decir, Cobre Galio Setenio) consiste en hacer tres cortes (P1, P2 y P3) de material selectivo y transversales a la estructura de capas de la célula solar (véase figura 1). Tradicionalmente en dispositivos formados sobre un sustrato de vidrio, el primer corte (etapa P1) se realiza tras la deposición de la primera capa depositada, hasta llegar al sustrato o capa barrera si existiera entre el sustrato y el contacto trasero. Es decir, se realiza una corte en la capa de Molibdeno que es el contacto trasero de la célula (electrodo negativo). Su función es marcar el comienzo de la célula.

El segundo corte (etapa P2) se realiza sobre la capa absorbente y buffer de la célula (capas semiconductoras tipo -p y tipo -n, respectivamente). Permite el paso de corriente desde el contacto frontal (electrodo positivo) de una célula a la capa de metal empleada como electrodo inferior de la célula vecina.

El tercer corte (etapa P3) se realiza sobre la capa del contacto frontal y las capas semiconductoras. Limita el paso de corriente por el electrodo, es decir, define el final de la célula solar.

En el caso de sustratos de vidrio, el método tradicional para la conexión de células solares de lámina delgada es mediante el proceso de integración monolítica descrito anteriormente, usando fuentes láseres ns-IR para la etapa P1 y grabado mecánico para las etapas P2 y P3.

A día de hoy no existen módulos comerciales de capa delgada sobre sustratos flexibles, bien metálicos o poliméricos, que hagan uso de la integración monolítica para la interconexión de células. Esto es debido a tres limitaciones principales:

i. Una tecnológica, debido al desarrollo incipiente de fuentes láser para ablatir el material depositado: en este tipo de sustratos opacos (metálicos y poliméricos) es necesario ablatir el material por el lado de la capa activa en lugar de a través del sustrato de vidrio como se hace convencionalmente. Conseguir esta ablación sin dañar los materiales limítrofes requiere fuentes láser con pulsos más cortos que los convencionales de nanosegundos.

ii. Una conceptual debido a la falta de materiales dieléctricos para aislar eléctricamente el sustrato metálico del electrodo trasero de la célula

iii. Una científica, debido a la falta de conocimiento de cómo es la interacción materia-láser con las nuevas fuentes (picosegundos y femtosegundos) que se están desarrollando en la industria óptica.

En el caso de células de lámina delgada crecidas sobre sustratos metálicos, se conecta cada pareja de células de modo individual mediante soldadura de puntos usando conectores (bus) entre los electrodos positivo y negativo de dos células adyacentes, de manera similar a cómo se hace en la tecnología de silicio cristalino. Debido a las barreras tecnológicas identificadas anteriormente, la interconexión monolítica hasta ahora no ha sido posible en este tipo de sustratos.

Como se ha comentado anteriormente, en los métodos convencionales de integración monolítica, la etapa P1 se realiza mediante láseres, mientras que las etapas P2 y P3 mediante un grabado mecánico con punta mecánica, lo que presenta serios inconvenientes: el material de la célula se quiebra y descascarilla fácilmente, no hay control de la profundidad a la que se realiza el corte o la abrasión, se realiza un corte ancho, por lo que se pierde área efectiva de la célula, no genera un perfil de corte limpio, etc. Además no es posible utilizar punta mecánica en el caso de sustratos flexibles, pues éstos romperían fácilmente.

La distancia entre el corte realizado en la etapa P1 y etapa P3 es inactiva, es decir, los fotones que sean absorbidos en esa región del semiconductor no producen generación de pares electrón-hueco, y por tanto, tampoco se genera electricidad. Así, cuanta menor sea esta distancia, mayor será la potencia producida por el módulo fotovoltaico. Con punta mecánica esta distancia es grande ya que la punta requiere más espacio físico para hacer el corte, por lo que se consigue una menor potencia en el módulo solar. Sería deseable poder realizar los cortes lo más estrechos posibles y minimizar así las distancias entre ellos, aumentando así la potencia del módulo.

Por otra parte, en la fabricación de células solares, es necesario el aislamiento de borde de la célula, es decir, separar de forma física los materiales que forman la capa del electrodo positivo y negativo, de modo que se evite un cortocircuito en la célula. De otro modo, el dispositivo semiconductor no funcionaría.

Existen varias posibilidades para este proceso, desde punto de vista de diseño del producto:

- Eliminar todas las capas de la célula solar hasta el sustrato, con control del corte, de modo que no hay interdifusión de especies y los contactos o electrodos frontal y trasero de la célula no están en contacto

- Eliminar todas las capas de la célula solar excepto el contacto o electrodo trasero, sin dañar éste último. De este modo, el contacto frontal de la célula tampoco entra en contacto con el contacto trasero. Esta es la forma más habitual de trabajar a nivel comercial. Este proceso es idéntico al realizado en la etapa P3 de integración monolítica, si bien se realiza sobre una célula con una finalidad distinta. El aislamiento de borde conseguido en la etapa de definición de final de célula se puede llevar a cabo de la misma forma que la etapa P3 del proceso de integración monolítica.

Para conseguir el aislamiento de borde, las técnicas convencionales utilizan métodos mecánicos con los inconvenientes ya mencionados, tal y cómo se ha explicado anteriormente.

Así pues, la presente invención describe un procedimiento que permite tanto el aislamiento de borde en un proceso de definición de un final de una célula solar, como llevar a cabo la etapa P3 de un proceso de integración monolítica en un módulo solar que evita los inconvenientes de las técnicas mecánicas, donde la célula solar comprende un sustrato flexible.

Descripción de la invención

La eliminación del TCO (Óxido Transparente Conductor, contacto frontal de las células solares) así como la eliminación de semiconductores tipo n y p aplicado a células solares de lámina delgada, se lleva a cabo con dos finalidades: por una parte se utiliza para unir células y formar un módulo fotovoltaico, consiguiendo mayor eficiencia en la producción de electricidad, pues al tener células conectadas en serie se produce mayor potencia en el dispositivo fotovoltaico (conocida como tercera etapa o etapa P3 del proceso de integración monolítica) y por otro lado, referido a la propia célula, se utiliza para conseguir aislamiento de borde en la etapa de definición de final de célula.

El procedimiento de la presente invención tanto para el aislamiento de borde de una célula y la... [Seguir leyendo]

1.- Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica, donde la célula está formada por un sustrato flexible sobre el que se encuentra una capa metálica que es el contacto trasero de la célula, una capa de un material semiconductor tipo p, una capa de un material semiconductor tipo n y finalmente una capa de un óxido transparente conductor que es el contacto frontal de la célula, caracterizado dicho procedimiento porque comprende una etapa de eliminación de la capa de material semiconductor tipo p y del tipo n y de la capa del óxido transparente conductor, dejando al aire la capa metálica mediante la aplicación de un láser infrarrojo pulsado en picosegundos por el lado de la capa de material activa o electrodo positivo.

2.- Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica, según reivindicación 1, caracterizado porque la capa de semiconductor tipo p es de CIS (CulnSe2) o de un calcogenuro de las familias de CIGS (CulnGa(Se,S)2) o Kesteritas (Cu2ZnSn(Se,S)4).

3.- Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica, según reivindicación 1, caracterizado porque la capa de semiconductor tipo n es de sulfuro de cadmio (CdS), Sulfuro de zinc (ZnS), ZnS(0,H), o seleniuro de indio (ln2Se3).

4.- Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica, según reivindicación 1, caracterizado porque la capa metálica es de molibdeno (Mo).

5.- Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica, según reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato flexible es metálico o polimérico o de vidrio y de espesor comprendido entre 20 y 700 mieras.

6.- Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica, según reivindicación 1, caracterizado porque el láser IR de picosegundos se aplica con dentro de un rango de frecuencias 0,1-100 KHz, a una potencia comprendida entre 5-500 mW y a una velocidad de barrido comprendida entres 1- 3000 mm/s.

7.- Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica, según reivindicación 6, caracterizado porque el láser IR de picosegundos se aplica con una frecuencia de 1KHz, a una potencia de 30mW y a una velocidad de barrido de 40 mm/s.

8.- Procedimiento para el aislamiento de borde en células solares y para la tercera etapa de un proceso de integración monolítica, según reivindicación 1, caracterizado porque incluye además dos etapas previas, una consistente en la aplicación de un láser pulsado en ultravioleta, en régimen de nanosegundos, lo que permite definir el 5 principio de la célula solar en un módulo y una segunda etapa consistente en la realización de un grabado mecánico para conectar el contacto frontal de la célula con el contacto trasero de la célula vecina.