METODO PARA LA FABRICACION DE UNA CELULA SOLAR LATERAL DE BANDA INTERMEDIA.

Método para la fabricación de una célula solar lateral de banda intermedia.

Para fabricar una célula solar de banda intermedia es necesario conectar al material de banda intermedia (1) un semiconductor tipo n (2) y otro tipo p (3), que actuarían como emisores. Son dichos emisores los que deben ser contactados externamente (4). Frente al diseño tradicional de capas superpuestas, en esta patente se propone una configuración lateral, quedando los 3 materiales diferentes distribuidos de forma horizontal sobre un sustrato de soporte. Con esta configuración se resuelve el problema de la inestabilidad térmica del material de BI fabricado por implantación iónica y el efecto de las colas de la implantación.

Método para la fabricación de una célula solar lateral de banda intermedia SECTOR TÉCNICO Células solares, industria fotovoltaica, energía solar.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Las células solares de banda intermedia (81) (ver patente W00077829, "Célula solar fotovoltaica de semiconductor de banda intermedia") tienen una eficiencia máxima teórica mayor que la de las células solares tradicionales de una única unión. La base de funcionamiento son los materiales de SI. Estos materiales tienen una banda adicional de estados permitidos entre las tradicionales banda de valencia y banda de conducción, la SI. De esta forma, los materiales de SI son capaces de absorber fotones con energía menor a la de la banda prohibida del semiconductor. Mediante una transición desde la banda de valencia hasta la BI y otra transición desde la BI hasta la banda de conducción un portador puede pasar desde la banda de valencia a la banda de conducción absorbiendo fotones de energía menor a la de la banda prohibida. Si estas transiciones se añaden a las transiciones directas desde la banda de valencia hasta la banda de conducción (absorción de un fotón de energía igualo mayor a la de la banda prohibida) , se obtiene un incremento de la fotocorriente generada. Si el material de BI (1) se conecta a un semiconductor tipo n (2) y a otro tipo p (3) , contactando únicamente estos últimos desde el exterior (4) , el material de BI permanece aislado. De esta manera se evita la pérdida de voltaje que se produciría si la BI fuera conectada directamente al circuito exterior, y así se maximiza la eficiencia de la célula solar.

Una posible vía para fabricar materiales de BI es la introducción de impurezas que actúen como centros profundos en un determinado semiconductor, siguiendo el método expuesto en la patente ES2276624 ("Método para la supresión de la recombinación no radiativa en materiales dopados con centros profundos") . Dicho método implica alcanzar concentraciones de impurezas muy altas, de en torno a 6xlOl9 cm-J. Debido a la alta concentración necesaria, generalmente superior al límite de solubilidad solida del centro profundo en el semiconductor, el material resultante puede ser altamente inestable a temperaturas relativamente bajas. Por esta razón, se debe minimizar la carga térmica aportada al material tras su formación. En este sentido, no son aconsejables estrategias de diseño en las que el material tipo p, o el

material tipo n, o ambos, se fabriquen después que el material de SI, y que requieran una temperatura de proceso relativamente alta en dicha fabricación.

Usando la técnica de implantación iónica se puede introducir el centro profundo requerido a la concentración necesaria en el semiconductor para fabricar un material de SI. Tras la implantación iónica, la estructura cristalina del semiconductor queda dañada, y es necesario un tratamiento térmico para reconstruirla. Debido a la alta concentración de impurezas requerida, suele ser necesaria una técnica fuera del equilibrio tennodinámico para recuperar la estructura cristalina y al mismo tiempo superar el límite de solubilidad sólida del centro profundo en el semiconductor huésped. Actualmente, la técnica idónea es el recocido con láser de excímeros, como se describe en J. Olea el. al., Journal of Applied Physics 107, 103524 (2010) . Un procedimiento para obtener un material de BI basado en silicio es la implantación de titanio en altas dosis, que actúa Como centro profundo en silicio, y el posterior recocido con láser de excímeros (ver J. Olea et. al., Joumal of Physics D: Applied Physics 42, 085110 (2009) ) .

Existen dos problemas fundamentales asociados al silicio implantado con titanio en altas dosis y recocido con láser pulsado como material de SI, que podrían ser comunes a todos los materiales de SI fabricados por implantación iónica y recocido láser. En primer lugar, debido a la alta concentración de impurezas requerida, el material puede ser inestable, y procesos térmicos posteriores a su fabricación podrían deteriorarlo. Y por otro lado, las colas de la implantación son zonas en las que la concentración del centro profundo no es lo suficientemente alta como para formar una SI. El método de fabricación que se propone en esta patente puede solucionar el primer problema y reducir o incluso eliminar los efectos del segundo.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Esta patente proporciona una estrategia de diseño alternativa para las células solares de 81, diferente de la estructura en capas superpuestas de una célula solar tradicional (como se propone en la patente W00077829) , que puede conllevar numerosas ventajas, como por ejemplo la posibilidad de obtener el material de BI en la última fase de fabricación, evitando así una posible carga térmica posterior sobre el mismo.

Como puede observarse en la figura 1, la estrategia de fabricación consiste en

disponer los tres materiales, el material de BI (1) , el semiconductor tipo n (2) y el

semiconductor tipo p (3) , en una configuración lateral sobre un sustrato determinado

(5) , formando una capa superficial heterogénea, en vez de disponerlos superpuestos

5 verticalmente como en una estructura tradicional. De esta forma el material de BI (1)

no queda oculto por ninguno de los otros dos emisores (2) , (3) . Así, se podría diseñar

un proceso en el que se fabricaran los tres materiales simultáneamente, o bien fabricar

los tres materiales en fases distintos, en el orden deseado. En la estructura tradicional

de capas superpuestas, el orden de fabricación de los tres materiales viene impuesto

10 por la disposición misma de las capas. Por otro lado, en una estructura alternativa, el

sustrato podría incluso actuar como emisor tipo n (2) o tipo p (3) , pudiendo entonces

eliminarse ese tipo de semiconductor de la capa superficial (figura 2) .

La estrategia tradicional de capas superpuestas obliga a fabricar al menos uno

de los dos emisores después de la fabricación del material de BI. Si la inestabilidad

1 S térmica del material de BI es un inconveniente, la carga térmica aportada en el

proceso podría ser importante, y el material de 81 se deterioraría. Con la estrategia

expuesta en esta patente sería posible fabricar los semiconductores tipo n (2) y tipo p

(3) antes que el material de 81 (1) , Y a continuación el material de 81 (1) , o bien

fabricar los 3 materiales en el mismo proceso, ya que están dispuestos en la misma

20 capa.

En cuanto al pasivado de la superficie del material de BI (6) , necesario para

eliminar la recombinación superficial, debe realizarse en un proceso también a baja

temperatura, por la misma razón. Es posible conseguir velocidades de recombinación

superficial extremadamente bajas en procesos a bajas temperaturas (ver S. Dauwe el.

2S aL , Proceedings of3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Vol. A

- e, 1395 -1398, (2003) ) , quedando por tanto solventado el problema de la

inestabilidad ténnica.

Por otro lado, un defecto que pueden sufrir las células solares de BI basadas en la

implantación iónica de centros profundos en altas dosis es el efecto de las colas de

30 implantación. El efecto de estas colas aumenta debido a la canalización de los iones en

la estructura cristalina del semiconductor durante la implantación. En la zona de las

colas, la concentración de impurezas no sería la suficiente como para formar una BI,

de tal fonna que se podría producir una recombinación no radiativa muy alta,

fenómeno muy pernicioso para los dispositivos fotovoltaicos. Para reducir el efecto de las colas de implantación, se puede realizar un proceso de preamorfización implantando Si. Si la dosis de implantación es lo suficientemente alta, una capa superficial será amortizada, destruyendo los canales de la estructura cristalina y reduciendo por tanto el fenómeno de canalización en la implantación del elemento de interés, en este caso un centro profundo (ver M. Kase et. al., Applied Physics Letters 56, 1231-1232 (1990) ) .

Además, al realizar la preamorfización con Si no existe contaminación en el

proceso. Posterionnente, la red cristalina es recuperada mediante un proceso de recocido láser. Este recocido láser también reduce el efecto de las colas de la implantación, ya que produce perfiles de concentración de impurezas muy abruptos. La estrategia de diseño que se propone en esta patente es novedosa en varios aspectos:

• Se diferencia de otras patentes basadas en materiales de SI en que tiene una configuración lateral, es decir, que el material de DI (1) y los semiconductores tipo n (2) y tipo P (3) se fabrican en la misma capa. Esto permite fabricar el material...

1. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI caracterizado porque comprende, al menos, las siguientes etapas:

una primera etapa de fabricación de un material semiconductor tipo n

(2) por implantación iónica; una segunda etapa de fabricación de un material semiconductor tipo p

(3) por implantación iónica; una tercera etapa de preamorfización de la capa que soportará el material de BI (1) ; una cuarta etapa de fabricación del material de BI (1) por implantación iónica de un centro profundo; una quinta etapa de recocido láser; una sexta etapa de pasivado de ambas caras de la célula (6) ; una séptima etapa de creación de una capa antirreflectante (7) en ambas caras de la célula;

donde la fabricación del material semiconductor tipo n (2) y la fabricación del material semiconductor tipo p (3) o bien se realizan con anterioridad a la cuarta etapa o bien se realizan simultáneamente a la cuarta etapa, donde la preamorfización precede a la fabricación del material de BI (1) , Y donde el material de BI (1 ) , el material del semiconductor tipo n (2) y el material semiconductor tipo p (3) se disponen en una configuración lateral sobre un sustrato de soporte (5) .

2. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI según la reivindicación 1 caracterizado porque el sustrato (5) es un material

aislante o semiaislante.

3. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI según la reivindicación 1 caracterizado porque el sustrato es un semiconductor tipo n (2) o tipo p (3) .

4. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI según las reivindicaciones 1 y 3 caracterizado porque el material del semiconductor tipo n (2) y el material de BI (1) se disponen en una configuración horizontal sobre un sustrato semiconductor tipo p (3) .

5. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI según las reivindicaciones 1 y 3 caracterizado porque el material del semiconductor tipo p (3) Y el material de BI (1) se disponen en una configuración horizontal sobre un sustrato semiconductor tipo n (2) .

6. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI, según la reivindicación 1, caracterizado porque el pasivado de ambas caras de la célula se realiza con silicio amorfo hidrogenado de alta calidad.

7. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI, según las reivindicaciones 1 y 6, caracterizado porque el pasivado de ambas caras de la célula se realiza mediante un depósito químico de silicio amorfo hidrogenado de alta calidad en fase de vapor asistido por plasma de resonancia ciclotrónica de electrones a baja temperatura.

8. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI, según las reivindicaciones 1, 6 Y 7, caracterizado porque el pasivado de ambas caras de la célula se realiza a temperaturas inferiores a 200 oC.

9. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI, según la reivindicación 1 caracterizado porque la capa antirreflectante creada en

ambas caras de la célula es de oxinitruro de silício.

10. Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI, según las reivindicaciones 1 y 9, caracterizado porque la capa antirreflectante creada en ambas caras de la célula se realiza mediante un depósito qulmico en fase de vapor asistido por plasma de resonancia ciclotrónica de electrones a baja temperatura.

11.Procedimiento para la fabricación de una célula solar de BI, según las reivindicaciones 1, 9 Y 10, caracterizado porque el depósito de la capa antirreflectante en ambas caras de la célula se realiza a temperaturas inferiores a 200 oC.