SISTEMA PARA LA FABRICACIÓN DE MULTICAPAS PARA CÉLULAS SOLARES Y PROCEDIMIENTO PARA LA FABRICACIÓN DE ÉSTAS.
Sistema para la fabricación de multicapas para células solares y procedimiento para la fabricación de éstas.
Sistema para la fabricación de multicapas para células solares destinado a la fabricación de células solares de CdTe mediante un procedimiento de sublimación en espacio reducido. Comprende una cámara central (1) en el interior de la que se desplazan un dispositivo de calentamiento superior (5) en el que se dispone el material destinado a sustrato de la célula solar, unos dispositivos de calentamiento inferiores (6) en los que se disponen los materiales destinados a fuente de las capas de la célula solar y unos obturadores sobre los dispositivos de calentamiento inferiores (6) para controlar la deposición del material de la fuente en el sustrato. Adicionalmente comprende un mecanismo de desplazamiento vertical de los dispositivos de calentamiento (5, 6) que permite su acercamiento, y un mecanismo de desplazamiento horizontal del dispositivo de calentamiento superior (5) que permite su movimiento horizontal en condiciones de vacío de la cámara central (1).
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201331206.
Solicitante: UNIVERSIDAD AUTONOMA DE MADRID.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: DIEGUEZ DELGADO, ERNESTO, MEDINA DE TERÁN,Juan, RUBIO AGUADO,Sandra, PLAZA CANGA-ARGÜELLES,José Luis, SKHIR,Mohd.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L31/18 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). › Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas.
Fragmento de la descripción:
OBJETO DE LA INVENCiÓN
La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los sistemas para fabricación de multicapas destinados a su aplicación en células solares. Más concretamente las multicapas fabricadas son para células solares de Teluro de Cadmio (CdTe) por sublimación en espacio reducido (CSS) .
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
El silicio es el material más empleado en la fabricación de células solares debido a que el material de partida procede de la sílice, que es uno de los compuestos más abundantes en la Tierra. Las células solares de silicio presentan una alta eficiencia pero tienen un elevado coste de producción debido a que su fabricación requiere el consumo de mucha energia. Además estas células son relativamente frágiles en condiciones extremas.
Sin embargo, las células solares fabricadas a partir de lámina delgada permiten reducir los costes de fabricación y crear células solares adaptadas a cualquier tipo de superficie ya que se pueden depositar las láminas sobre un sustrato flexible. En este sentido, las células solares que se obtienen a partir de materiales calcogenuros como el teluro de cadmio (CdTe) son una alternativa a las células solares de silicio. En este tipo de célula solar, el CdS es el material de tipo n (capa ventana) y el CdTe es el material de tipo p (capa absorbente) .
Es conocido que el CdTe es un material semiconductor adecuado para su uso en células solares debido a que su anchura de banda prohibida es de 1, 45 eV con una coincidencia casi perfecta con el espectro solar, es decir, puede absorber la mayoria de este espectro energético y por eso su aplicación en células fotovoltaicas flexibles se está extendiendo actualmente.
Las células solares de lámina delgada de CdTe se fabrican habitualmente mediante la técnica de sublimación en espacio reducido (CSS) . ~sta es una técnica de deposición en la que la fuente y el sustrato se encuentran a una distancia muy próxima de entre 1 y 6 mm, consiguiendo así la sublimación del material a depositar sobre el substrato elegido.
En esta técnica las moléculas del material utilizado como fuente se transfieren de manera muy eficiente hacia el sustrato donde se condensan. De esta forma se pueden obtener unas capas densas y continuas de espesor controlado. Las ventajas de esta técnica son las elevadas velocidades de crecimiento debido a la proximidad entre la fuente y el sustrato, la realización de la deposición de película delgada a temperaturas no muy elevadas en comparación con la temperatura de fusión de la fuente, y al mismo tiempo se permite la re-cristalización de la película debido al control de la temperatura del sustrato. Como resultado se obtienen láminas delgadas con un tamaño de grano elevado.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
La presente invención propone un sistema para la fabricación de multicapas para células solares mediante la técnica de sublimación en espacio reducido (CSS) . El sistema desarrollado tiene como objetivo principal permitir una deposición de multicapas sin romper el vacío. La deposición de todos los materiales fuente sobre el material de sustrato se realiza en el interior de una cámara sin necesidad de introducir o extraer ninguno de los elementos durante el procedimiento y sin necesidad de tener que romper el vacío hasta el final d el proceso.
En una realización preferente de la invención el sistema se emplea para fabricar células solares de Teluro de Cadmio (CdTe) . Este tipo de célula solar comprende CdS como material en la capa ventana y CdTe como material en la capa absorbente. Y preferentemente se emplea CdCI2 para realizar la activación del CdTe mediante tratamiento térmico.
El sistema de la invención permite reducir al máximo la oxidación de la capa de CdS que podría provocar pérdidas en la eficiencia de la célula, y al mismo tiempo realizar tratamientos térmicos en diversas capas de CdS y CdTe para mejorar la eficiencia de la célula. Con el presente sistema se pueden depositar incluso tres capas consecutivas y
realizar tratamientos térmicos in situ.
El sistema comprende una cámara central en el interior de la que se disponen unos dispositivos de calentamiento de los que uno de ellos es un dispositivo, con posibilidad de desplazamiento vertical y horizontal, situado en la parte superior de la cámara y está destinado a alojar el material de sustrato. Los restantes dispositivos están situados en la parte inferior, tienen posibilidad de desplazamiento vertical, y contienen los materiales a depositar sobre el material de sustrato, es decir, los materiales fuente. La distancia de separación entre el dispositivo de calentamiento superior y los dispositivos de calentamiento inferiores se modifica desplazándolos verticalmente para optimizar la capa depositada.
El elemento calefactor de los dispositivos de calentamiento consiste en unas lámparas halógenas embebidas en material de grafito conductor y aislante. El sistema dispone adicionalmente de un obturador que está situado sobre cada dispositivo de calentamiento inferior y está destinado a evitar que el material se deposite sobre el substrato antes de llegar a la temperatura a la que se va a realizar la deposición. Así se obtiene una deposición más homogénea del material fuente sobre el material de sustrato.
Gracias a que todos los dispositivos de calentamiento en los que se depositan el material fuente y el material de sustrato están en el interior de la cámara central en la que se crea un vacío para realizar correctamente las deposiciones. Asi pues no es necesario romper el vacío entre deposiciones de las diferentes capas de material fuente por lo que se reduce la oxidación de dicho material. Además en la propia camara se realizan los tratamientos térmicos necesarios mediante los dispositivos de calentamiento.
Es también un objeto de la presente invención un procedimiento para la fabricación de multicapas para células solares que comprende las etapas de colocar los materiales fuente en los dispositivos de calentamiento inferiores y cerrar unos obturadores situados en dichos dispositivos de calentamiento inferiores para evitar que se realice la deposición antes de que llegue a la temperatura adecuada. Posteriormente se dispone el material de sustrato en el dispositivo de calentamiento superior.
Para realizar la deposición se realiza vacío en el interior de la camara del sistema y se calientan los dispositivos de calentamiento hasta la temperatura adecuada de deposición que depende de cada material y de las propiedades que se quieran obtener. La deposición se realiza abriendo los obturadores y acercando el dispositivo de calentamiento superior a los dispositivos de calentamiento inferiores y se introducen gases en la cámara para favorecer el enfriamiento una vez hecha la deposición. Cuando se ha depositado el material fuente de uno de los dispositivos de calentamiento inferiores se desplaza el dispositivo de calentamiento superior sobre otro para realizar una nueva deposición. Se repiten estas etapas hasta depositar todas las capas y se retira la multicapa del sistema ya tenninada.
DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las caracteristicas de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Muestra una vista de la cámara central desde el exterior.
Figura 2. Muestra una vista en sección de la cámara central.
Figura 3. Muestra una vista de unos puertos inferiores de la cámara central.
Figura 4. Muestra una vista del manipulador para el desplazamiento del dispositivo de calentamiento superior.
Figura 5a. Muestra una vista en perspectiva de los dispositivos de calentamiento superior e inferiores durante la deposición.
Figura 5b. Muestra una vista en sección del dispositivo de calentamiento superior.
Figura 6a. Muestra una vista del interior de la cámara central con el dispositivo de calentamiento superior situado sobre un dispositivo de calentamiento inferior.
Figura 6b. Muestra una vista del interior de la cámara central con el dispositivo de calentamiento superior habiéndose desplazado respecto a la posición mostrada en la figura 6a y situado sobre el dispositivo de calentamiento inferior central.
Figura 6c. Muestra una vista del interior de la cámara central con el dispositivo de calentamiento superior habiéndose desplazado respecto a la posición mostrada en la figura 6b y situado sobre el...
Reivindicaciones:
1. Sistema para la fabricación de multicapas para células solares destinado a la fabricación de células solares de CdTe mediante un procedimiento de sublimación en espacio reducido, en el que se emplea un material de sustrato y al menos un material fuente para las capas, caracterizado por que comprende una cámara central (1) con unas bridas laterales (1.3) destinadas a unirse con un equipo de vacío, y en el interior de la cámara central (1) se disponen:
-un dispositivo de calentamiento superior (5) y que comprende una barquilla (5.9) en la
que se dispone el material destinado a sustrato de la célula solar y una placa de sujeción de la barquilla (5.4) , que permite sujetar el substrato a la barquilla (5.9) y
evitar que el material fuente se deposite en los bordes del substrato,
-unos dispositivos de calentamiento inferiores (6) , que comprenden unas barquillas
(5.9) , en las que se disponen los materiales destinados a fuente de las capas de la célula solar,
-unos obturadores situados sobre los dispositivos de calentamiento inferiores (6)
destinados a controlar la deposición del material de la fuente en el sustrato, los dispositivos de calentamiento (5, 6) están conectados a elementos calefactores, y el sistema comprende adicionalmente: -un mecanismo de desplazamiento vertical de los dispositivos de calentamiento (5, 6) que permite su acercamiento, y -un mecanismo de desplazamiento horizontal del dispositivo de calentamiento superior
(5) que permite su movimiento horizontal en condiciones de vacío de la cámara central (1) .
2. Sistema para la fabricación de multicapas para células solares según la reivindicación 1 caracterizado por que el mecanismo de desplazamiento vertical (3.5) comprende unas varillas roscadas (3.6) en las que se disponen unas luercas (3.7) sobre las que se apoya una plataforma (3.4) de forma que el giro de las tuercas (3.7) sobre las varillas roscadas (3.6) provoca el desplazamiento de la plataforma (3.4) .
3. Sistema para la fabricación de multicapas para células solares según la reivindicación 1 caracterizado por que el mecanismo de desplazamiento horizontal comprende un manipulador
(4) de accionamiento manual conectado en su extremo con un par de cojinetes (4.1) que se deslizan a lo largo de un par de barras fijas (4.2) , que se extienden a lo largo de la cámara central (1) , entre posiciones enfrentadas a los dispositivos de calentamiento inferiores (6) .
4. Sistema para la fabricación de multicapas para células solares según la reivindicación 1 caracterizado por que los dispositivos de calentamiento inferiores (6) están unidos a una plataforma (3.4) de los puertos inferiores (3) que se une a la cámara central (1) mediante unas varillas roscadas que permiten regular su posición en dirección vertical.
5. Sistema para la fabricación de multicapas para células solares según la reivindicación 1 caracterizado por que los elementos calefactores de los dispositivos de calentamiento (5, 6) son unas lámparas halógenas embebidas en material de grafito conductor y aislante.
6. Procedimiento para la fabricación de multicapas para células solares utilizando el sistema de las reivindicaciones 1 a 5 en el que la multicapa comprende al menos un material de sustrato sobre el que se deposita una pluralidad de materiales fuente, caracterizado por que comprende las siguientes etapas:
- colocar un material fuente en la barquilla (5.9) de cada uno de los dispositivos de calentamiento inferiores (6) , -cerrar los obturadores para evitar la deposición del material fuente sobre el sustrato antes de alcanzar la temperatura adecuada, -colocar el material de sustrato en la barquilla (5.9) del dispositivo de calentamiento superior (5) , -colocar sobre el material de sustrato la placa de sujeción de la barquilla (5.4) , -conectar un equipo de vacío a través del puerto para la conexión de un equipo de bombeo (1.5) hasta alcanzar la presión adecuada para la deposición o para introducir una atmósfera controlada de gas, -desplazar el dispositivo de calentamiento superior (5) con el sistema de movimiento horizontal (4) hasta colocarlo sobre un dispositivo de calentamiento inferior (6) , -calentar los dispositivos de calentamiento superior (5) y de calentamiento inferior (6) hasta la temperatura adecuada de deposición, -abrir el obturador, desplazar verticalmente los dispositivos de calentamiento (5, 6) hasta depositar el material fuente sobre el material de sustrato, -introducir gases en el interior de la cámara central (1) a través del puerto de entrada
y/o salida de gases (1.4) para favorecer el enfriamiento, -desplazar el dispositivo de calentamiento superior (5) hasta colocarlo sobre otro dispositivo de calentamiento inferior (6) y repetir las tres etapas anteriores, -repetir la etapa anterior hasta depositar todos los materiales fuente sobre el material
de sustrato y retirar la multicapa del sistema.
7. Procedimiento para la fabricación de multicapas para células solares según la reivindicación 6 caracterizado por que se fabrican células de CdS/CdTe con CdCI2 como activador y la etapa de colocación del material fuente en la barquilla (5.9) de cada dispositivo de calentamiento inferior (6) comprende los pasos de: -colocar CdS en la barquilla (5.9) de un primer dispositivo de calentamiento inferior (6) , -colocar CdTe en la barquilla (5.9) de un segundo dispositivo de calentamiento inferior (6) , -colocar CdCI2 en la barquilla (5.9) de un tercer dispositivo de calentamiento inferior (6)
destinado a realizar la activación del CdTe mediante tratamiento térmico.
8. Procedimiento para la fabricación de multicapas para células solares según la reivindicación 7 caracterizado por que el orden de deposición de las capas fuente es primero depositar del CdS sobre el material de sustrato, segundo depositar el CdTe sobre la capa de CdS y tercero despositar el CdCb sobre la capa de CdTe.
9. Procedimiento para la fabricación de multicapas para células solares según la reivindicación 8 caracterizado por que el sustrato es un sustrato de vidrio sobre el que se deposita un óxido conductor transparente.
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