Célula solar de película delgada y método de fabricación.

Una célula solar de película delgada que comprende un sustrato (105) y un absorbente (115) de calcopirita,

en laque se proporciona un contacto (314) posterior de material compuesto entre el sustrato (105) y el absorbente (115)de calcopirita, caracterizada por que dicho contacto (314) posterior de material compuesto comprende: una capa(311) reflectora posterior formada por ZrN y,

una capa (313, 320) de contacto que se proporciona entre la capa (311) reflectora posterior y el absorbente (115),capa de contacto que se forma de un seleniuro o sulfuro de un elemento metálico elegido del grupo IVB del sistemaperiódico, o grupo VB del sistema periódico, o grupo VIB del sistema periódico, o grupo VIIB del sistema periódico

Célula solar de película delgada y método de fabricación Campo de la invención La presente invención se refiere a una célula solar de película delgada y un método para fabricar dichas células. En particular la invención se refiere al uso de un reflector posterior en células solares de película delgada a base de Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) con capas absorbentes delgadas.

Antecedentes de la invención Las células solares proporcionan un medio para producir energía eléctrica con mínimo impacto medioambiental puesto que las células solares convierten directamente la energía en la radiación solar en electricidad. La tecnología de células solares, o fotovoltaicas (FV) , ha demostrado un desarrollo sustancial en el último año, ambas con respecto a la eficacia de las células, su fiabilidad, vida útil y el coste de producción. La tecnología de las células solares está ahora establecida y el mercado global ha mostrado altas tasas de crecimiento de 20-25% p. a. durante más de una década. Sin embargo, el alto coste de la electricidad FV aún está limitando el mercado accesible.

La tecnología de las células solares de película delgada de Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) se considera una de las candidatas más prometedoras para hacer la generación fotovoltaica de electricidad más eficaz en coste y que se extienda así accesible el mercado. Comparado con la tecnología del silicio (Si) , que domina el mercado actual, la tecnología de las películas delgadas presenta algunas ventajas inherentes en el proceso de producción, tal como consumo reducido de materiales y energía e interconexiones eléctricas simplificadas entre células solares individuales en un módulo de células solares. Entre las tres tecnologías de película delgada dominantes de hoy, es decir, CIGS, silicio amorfo (a-Si) y telururo de cadmio (CdTe) , la tecnología CIGS ha demostrado la mayor eficacia de conversión de energía, que excede ahora de 19% [1].

Una célula 100 solar CIGS de la técnica anterior típica se representa en la FIG. 1 y comprende un sustrato 105 de vidrio de un espesor de 1-3 mm, un contacto 110 posterior de Mo de un espesor de 0, 2-1 μm, una capa CIGS (absorbente) 115 de 1, 5-2, 5 μm, una capa 120 ventana que comprende la capa 122 de tampón de CdS de 40-60 nm, una capa 125 de ZnO de 50-100 nm y una capa 130 de ZnO:Al de 300-400 nm. La estructura puede variar con respecto a los espesores de capa y se pueden añadir y/o excluir capas, por ejemplo. Se usa y/o sugiere una serie de procesos de fabricación, incluyendo por ejemplo procedimientos húmedos, técnicas de pulverización y deposición tales como deposición química de vapor (CVD, por sus siglas en inglés) y deposición de capa atómica (ALD, por sus siglas en inglés) .

Dentro de la tecnología CIGS, una estrategia para reducir más los costes de fabricación es disminuir el espesor de la capa absorbente CIGS por debajo de los 1, 5-2, 5 μm, que se usa comúnmente hoy en día. Con un absorbente más delgado, se reduce el consumo de materiales relativamente escasos y caros tales como Indio (In) y Galio (Ga) . Además, a iguales velocidades de deposición, se puede hacer crecer un absorbente más delgado en menor tiempo, que se traduce en rendimiento mejorado y, por lo tanto, en coste de capital de la producción reducido.

Una clara desventaja de los absorbentes demasiado delgados es la realización reducida. Como se muestra por Lundberg y colaboradores [2], las células solares CIGS con un espesor de absorbente por debajo de 0, 5 μm se pueden fabricar con eficacia razonablemente alta (Tgt;10%) . Sin embargo, dada la estructura vidrio/Mo/CIGS/CdS/ZnO/ZnO:Al clásica, ilustrada en la FIG. 1, hay una clara disminución en eficacia comparado con dispositivos con absorbentes espesos (º1, 8 μm) . Esta caída en la eficacia se debe principalmente a una corriente de cortocircuito reducida de la célula debido a la reducida absorción en los absorbentes más delgados [2].

Para mantener una alta absorción óptica en un absorbente delgado, se sabe aplicar un esquema de captura de la luz. Un esquema de captura de la luz se puede definir como una disposición para aumentar la probabilidad de que la luz que ha penetrado en la capa absorbente se absorba en realidad en esta capa. Como se ilustra en la FIG. 2, se puede conseguir captura de la luz haciendo el desplazamiento de la luz en el absorbente 115 en un ángulo oblicuo, por ej., por dispersión en las interfases posterior y frontal absorbentes y maximizando la reflectancia Rb en la interfase absorbente/contacto posterior y la reflectancia Rf en la interfase absorbente/ventana (frontal) . Obviamente, para maximizar la absorción total de luz en el absorbente, el acoplamiento de la luz en la capa absorbente también se debería maximizar minimizando la reflectancia del sistema ventana/absorbente así como la absorción de luz en la ventana.

La captura de luz se establece dentro de la tecnología de células solares de película delgada de a-Si, véase por ej., la referencia [3] y las referencias en la misma. Para células solares CIGS hasta ahora casi no ha habido aplicaciones de captura de la luz, principalmente debido al hecho de que la absorción de fotones en la radiación solar con una energía que excede de la energía de la banda prohibida del material absorbente es casi completa ya para absorbentes CIGS tan delgados como 2 μm. Sin embargo, como se describió anteriormente, la necesidad de captura de luz en células solares CIGS llega a ser evidente para células con capas absorbentes del sub-micrómetro. Cuando la capa absorbente CIGS se fabrica más delgada que 1, 5-2, 5 μm usada comúnmente, una fracción significativa de la luz que se ha transmitido por la capa ventana al absorbente no se absorberá durante el primer pase desde la interfase ventana/absorbente a la interfase absorbente/contacto posterior. Puesto que el coeficiente de absorción del absorbente aumenta con la energía creciente de los fotones, esta pérdida de absorción es más pronunciada para longitudes de onda de fotones largas, que corresponde a energías de los fotones inferiores más próximas a la energía de la banda prohibida del absorbente.

Estudios experimentales sobre reflectores posteriores para células solares CIGS, es decir, en materiales de contacto posterior alternativos destinados a aumentar la reflectancia de contacto posterior, incluye [4] por los autores de la presente invención, en los que se investigó TiN y un estudio por Orgassa y colaboradores [5], en el que se investigaron W, Cr, Ta, Nb, V, Ti, Mn. En el último estudio se encontró que mientras los contactos de W, Ta, Nb y Mo de referencia eran casi inertes, Cr, V, Ti y Mn tendían a degradarse por reacciones químicas con Se. Entre los W, Ta y Nb, estables se espera que Nb y sobre todo Ta presenten mejores propiedades reflectoras que el Mo. Un efecto óptico en la reflectancia medida de muestras CIGS/contacto posterior fue visible pero en gran medida se ensombreció por diferencias en dispersión superficial. Para dispositivos de células solares con espesor de absorbente de 0, 9 μm, las diferencias en las propiedades electrónicas del contacto posterior dominaron sobre la diferencia óptica. Las pérdidas electrónicas en el contacto posterior podían suprimirse parcialmente añadiendo una subcapa de 0, 5 μm de espesor al absorbente CIGS con relación de [Ga]/[Ga]+[In]) creciente (graduación de Ga) y aumentando de ese modo la banda prohibida hacia el contacto posterior. Sin embargo, con esta graduación de Ga y espesor de absorbente total de 1, 4 μm no hubo ganancia significativa en la corriente de cortocircuito con los contactos posteriores alternativos.

En cuanto a las muestras en [4] con reflector posterior de TiN, se demostró claramente una ganancia óptica en el espectro de eficacia cuántica y en la corriente de cortocircuito a espesor de absorbente de 0, 5 μm y con graduación de Ga. Sin embargo, la ganancia óptica se contrarrestó por pérdidas electrónicas, conduciendo a una eficacia total de 13, 1% comparado con 13, 4% para el dispositivo de referencia con contacto posterior de Mo.

Un contacto posterior con buenas propiedades reflectoras parece ser adecuado para mantener una alta eficacia de células solares CIGS con espesor de absorbente delgado (sub-micrómetro) . Dichos materiales reflectores están disponibles, pero sólo se ha indicado eficacia de conversión de energía peor o mejorada de manera insignificante, total, con respecto a dispositivos con el contacto posterior de Mo clásico.

Células solares de calcopirita de película delgada adicionales con reflectores posteriores de TiN se desvelan en O. Lundberg, quot;Band gap profiling and high speed deposition of Cu (ln, Ga) Se2 for thin film solar cellsquot;, 21 de noviembre... [Seguir leyendo]

1. Una célula solar de película delgada que comprende un sustrato (105) y un absorbente (115) de calcopirita, en la que se proporciona un contacto (314) posterior de material compuesto entre el sustrato (105) y el absorbente (115) de calcopirita, caracterizada por que dicho contacto (314) posterior de material compuesto comprende: una capa (311) reflectora posterior formada por ZrN y,

una capa (313, 320) de contacto que se proporciona entre la capa (311) reflectora posterior y el absorbente (115) , capa de contacto que se forma de un seleniuro o sulfuro de un elemento metálico elegido del grupo IVB del sistema periódico, o grupo VB del sistema periódico, o grupo VIB del sistema periódico, o grupo VIIB del sistema periódico.

2. Célula solar de película delgada según la reivindicación 1, en la que el contacto (314) posterior de material compuesto comprende además una capa (312) de conductancia formada de Mo y proporcionada entre la capa (311) reflectora y el sustrato (105) .

3. Célula solar de película delgada según la reivindicación 1 ó 2, en la que el absorbente (115) de calcopirita es una película delgada del semiconductor tipo-p Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) o Cu (In, Ga) (Se, S) 2 o Cu (Al, In) (Se, S) 2.

4. Método de fabricación de una célula solar de película delgada, el método comprende las etapas de proporcionar un sustrato (105) y un absorbente (115) de calcopirita, caracterizado el método por proporcionar un contacto (314) posterior de material compuesto entre el sustrato y el absorbente de calcopirita por realización de las etapas de:

- (615) formación de una capa (311) reflectora posterior entre el sustrato y el absorbente de calcopirita, capa reflectora posterior que se forma de ZrN

y formación de una capa (313, 320) de contacto entre la capa (311) reflectora posterior y el absorbente (115) , capa de contacto que se forma de un seleniuro o sulfuro de un elemento metálico elegido del grupo IVB del sistema periódico, o grupo VB del sistema periódico, o grupo VIB del sistema periódico o grupo VIIB del sistema periódico.

5. Método según la reivindicación 4, que comprende además la etapa (611) de formación de una capa (312) de conductancia sobre el sustrato (105) .