BR9808074B1 - componente semicondutor, em particular uma cÉlula solar. - Google Patents
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Description
"COMPONENTE SEMICONDUTOR, EM PARTICULAR UMA CÉLULASOLAR".
A presente invenção refere-se a um componentesemicondutor, em particular uma célula solar, com pelo menosum material de base semicondutor consistindo de umaestrutura mono ou policristalina, que consiste, pelo menosem parte, de pirita, com a composição química FeS2 e que épurificada para alcançar um grau de pureza definido.
Inúmeros componentes semicondutores oufotocomponentes semicondutores genéricos já sãoreconhecidamente usados comercialmente, dado um nível deeficácia de aproximadamente 15%, baseado no efeitofotoelétrico interno da energia de radiação do sol ou daluz. Monocristais finos de arsenieto de silício ou gálio eferro, com zonas condutoras ρ e n, são usadospredominantemente como materiais semicondutores.
As células solares de camadas finas também são, nocaso em que as camadas semicondutoras estão posicionadassobre um portador por meio de metalização ou técnicasimilar, reconhecidas por produzirem uma espessura na faixados micrômetros (1 a 50 μπι). Os materiais, tais comosulfeto de cádmio, telureto de cádmio, sulfeto de cobre ousimilares, são usados em camadas semicondutoras. Essescomponentes semicondutores são capazes de atingir umaeficácia de somente 5 a 8%. Entretanto, eles têm umarelação potência-peso útil e a produção é essencialmentemenos dispendiosa do que os monocristais de silício.
De acordo com o relatório descritivo da patente n2EP-A 0 173 642, uma célula solar genérica consiste de umacamada de pirita fotoativa com a fórmula química FeS2 ,quetem uma concentração de impurezas xndesejaveis < 10 por cme um dopador de manganês (Mn) ou arsênico (As) e/ou cobalto(Co) ou cloro (Cl). Na prática, parece que uma célula solarcom esta composição não consegue alcançar o nível deeficiência requerido.
Em contrapartida, o objeto desta invenção consisteem criar um componente semicondutor, particularmente umacélula solar, baseado no tipo mencionado acima, que pode serusado para alcançar uma eficiência mais alta do que aradiação conhecida do sol ou da luz. Além disso, os custosde produção, com relação a este componente semicondutor,serão suficientemente baixos para que este tipo de célulasolar possa ser apropriado para produção em massa. Um outroobjeto da invenção reside em usar um material semicondutorque possa ser descartado facilmente de modo inofensivo aomeio ambiente.
A invenção é capaz de atender ao objetivo de que omaterial semicondutor de base, que consiste, pelo menos emparte, de pirita com a composição química FeS2, é combinadoou dopado pelo menos com boro e fósforo, respectivamente.Sendo um tipo muito vantajoso, o materialsemicondutor de base é produzido a partir de pelo menos umacamada de pirita junto com os elementos boro e fósforo.Usado dessa maneira, consegue-se uma composição ótima eextremamente eficiente, especialmente para células solares.
Esses componentes semicondutores, de acordo com ainvenção, podem ser usados para produzir células solares quetêm eficiência maior do que outras células solaresconhecidas. A pirita usada como material semicondutor tem avantagem de ser um material natural que também pode serproduzido sinteticamente. Os custos de produção podem sermantidos em um nivel tal que, dado o nível maior deeficiência, pode-se obter um uso lucrativo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Os exemplos típicos da invenção e outras vantagensda mesma estão explicados mais detalhadamente abaixo, com oauxílio dos desenhos, os quais ilustram:
A Figura 1 é um corte transversal esquemáticoatravés de um componente semicondutor, de acordo com ainvenção, ilustrado em escala ampliada;
A Figura 2 é uma vista esquemática da divisão deenergia das condições "d" do Fe em campo ligante octaédricoe octaédrico deformado da pirita;
A Figura 3 é um corte transversal esquemáticoatravés de um componente semicondutor, de acordo com ainvenção, com uma heterojunção, ilustrado em escalaampliada; e
A Figura 4 é uma vista esquemática das faixas deenergia com uma heterojunção de um componente semicondutor,de acordo com a invenção.
A Figura 1 é um esquema de um componentesemicondutor 10, de acordo com a invenção, que é formado,particularmente, como uma célula solar. No exemplo típicoilustrado, este componente semicondutor 10 tem uma estruturade múltiplas camadas e pode, por exemplo, junto com um certonúmero de células adjacentes, ser chapeado em uma carcaçametálica formada como um quadro, que não está ilustradodetalhadamente. A célula solar tem, de preferência, umaplaca de cobertura de um material transparente, como porexemplo, uma lâmina de vidro 11 ou similar, que fornece paraesta célula uma proteção geral contra os efeitos de forçasmecânicas, tais como impactos, etc., contra umidade e/oucondições climáticas adversas. Uma camada laminada 12, deresina por exemplo, junto com um isolante 14 colocado sobreo lado inferior, como por exemplo, uma placa de cerâmica,circunda a célula solar, de modo que o interior da célulasolar é fechado, e portanto, impermeável à umidade, água oufatores similares.
De acordo com a invenção, o material semicondutorde base 20 consiste de pirita ou pirita de ferro, que tem acomposição química FeS2. 0 material semicondutor de base 20é combinado ou dopado com pelo menos boro ou fósforo, com oque, no exemplo ilustrado, o material semicondutor de baseconsiste de uma camada 20 de FeS2-
O componente semicondutor 10, formado como umacélula em estado sólido, consiste de uma camada do materialsemicondutor de base produzido a partir de pirita, umacamada de fósforo 21 e uma camada de boro 22. Essa camadade fósforo 21 e essa camada de boro 22 são aplicadas nasuperfície correspondente da camada de pirita 20, de talmodo que produz-se uma ligação, no sentido de um dopador,entre o material semicondutor de base e o fósforo (P), juntocom o boro (B). De preferência, essas camadas de fósforo 21e boro (22) são aplicadas em uma camada muita fina de algunsmicrômetros, através de um processo descrito abaixo.
Assim sendo, deriva-se a função necessária destecomponente semicondutor 10, formado como uma célula solar, apartir da qual, junto com a radiação da luz solar, produz-seuma corrente elétrica que sofre oportunamente uma derivaçãopelos materiais condutores 13 e 15, que estão dispostosacima e abaixo das camadas do semicondutor, por um métodoconhecido, em que o material condutor é protegido peloisolador 14. Esses materiais condutores estão conectados auma unidade do consumidor, ou similar, por meio decabeamento, cujo diagrama não está ilustrado.A Figura 1 está ilustrada como célula solar comuma estrutura simples, de acordo com a invenção.
Evidentemente, tanto os materiais condutores quanto também acamada semicondutora podem ser fornecidas em váriasconfigurações e em várias quantidades.
Este tipo de componente semicondutor pode serusado como vários tipos de células solares, seja paracélulas muito pequenas, como por exemplo, calculadoras, ouem células solares para aquecimento doméstico e fábricas delarga escala, em cujo caso elas são usadas, particularmente,para converter energia solar em energia elétrica.
A pirita e a pirita de ferro, como rochasnaturais, são os sulfetos mais comuns no planeta e elasexistem na Espanha, por exemplo, como uma área de minériohidrotérmico. Os cristais individuais de pirita tem cor debronze ou argamassa, com um alto grau de dureza, isto é,aproximadamente 6 a 6,5 na escala Mohs de dureza. A piritatem um coeficiente de expansão térmica de 4,5xl0~6 K"1 emtemperaturas de 90 até 300 °K, e de 8,4xl0~6 K"1 emtemperaturas de 300 até 500 °K. A pirita de composiçãoquimica FeS2 tem uma célula elementar de 12 átomos e umcomprimento unitário de célula de aproximadamente 5,4185unidades angstrons. 0 formato básico típico do hábito doscristais de pirita é hexaédrico, um formato cúbico,pentagonal, um dodecágono ou um octaedro. Uma outravantagem deste componente semicondutor é que esta pirita éextremamente compatível com o meio ambiente.
Em termos de eficiência desta célula solar 10,como descrita pela invenção, de acordo com as regras geraisda mecânica quântica, somente são efetivos aqueles fótonscuja energia é pelo menos equivalente à amplitude da zonaisolante e não mais do que equivalente à diferença deenergia entre o limite inferior da faixa de valência e olimite superior da faixa de condução. A quantidade dosportadores de carga resultantes é dependente não somente daenergia e do número de fótons irradiados por unidade desuperfície, mas também do coeficiente de absorção á dosemicondutor. Comparado com materiais semicondutorestradicionais, a pirita tem um coeficiente de absorção muitoalto, que no limite da faixa, com um coeficiente de absorçãoá > IO5 cm-1, tem um valor de λ < 1 μπι. Criando osemicondutor 10 de acordo com a invenção, faz-se ótimo usodessas propriedades da pirita.
De acordo com a Figura 2, a divisão de energia dascondições "d" do Fe pode ser observada no campo ligante Ohoctaédrico e D3d octaédrico deformado da pirita. Cria-seuma faixa isolante no material semicondutor de basedividindo as condições "d" do Fe nas condições t2g ocupada eeg desocupada, com o que esta faixa isolante pode ser de até0,7 eV ou mais. A faixa de valência tem uma amplitude de0,8 eV ou mais e o grupo básico é separado por uma faixa,também de 0,8 eV. As condições tcifta da faixa de conduçãosão baseadas nas condições de Fe 4s e 4p. Na área da teoriamolecular orbital, as faixas isolantes de energia no caso dapirita são produzidas por divisão das condições de 3d doferro em condições energeticamente inferiores de t2g ocupadae eg desocupada. A divisão é causada pelo campo do liganteoctaédrico do enxofre, que é ligeiramente deformado e queleva a uma ulterior, e neste caso, não-significativa divisãodo nivel de energia.
A Figura 3, por outro lado, ilustraesquematicamente uma seção transversal de um componentesemicondutor 50, de acordo com a invenção, que é formado apartir de pelo menos uma camada superior de pirita 51, queforma o material semicondutor de base 40, e que consiste deuma camada de boro 52 e uma camada de fósforo 53. A pirita51 está disposta sobre o lado superior, que inicialmenteaceita os efeitos da radiação solar ou similar. Entretanto,com esse arranjo de camadas, de acordo com a invenção,forma-se um composto com o material básico adjacente depirita 51, ou o fósforo 53 e o boro 52 são integrados aomaterial básico adjacente de pirita. Os elementos
condutores podem ser dispostos de tal modo que eles entremem contato com as camadas 51, 52 e 53, para os quais não sefornece maiores detalhes.Em contraste com o material semicondutor de base40, produzido em camadas, como ilustrado na Figura 3, uma oumais camadas de boro e/ou uma ou mais camadas de fósforopodem ser dispostas lateralmente no alvo de pirita produzidocomo um cristal único, por exemplo.
Os materiais semicondutores de base 20 e/ou 4 0para essas células solares 10 e 50, de acordo com ainvenção, podem ser produzidos por vários métodos. A piritana composição de FS2 pode ser obtida como material naturalou produzida sinteticamente a partir de ferro e enxofre.
Ao usar os cristais de pirita natural comomaterial semicondutor de base, esta pirita, que tem umaconcentração liquida de portadores de cargas deaproximadamente IO15 cm-3, precisa ser tratada por umprocesso de purificaçao multizonal conhecido, de modo queela alcance uma pureza definida de 99,9%. Além disso, osmateriais do composto ou dopador, o fósforo e o bororespectivamente, devem alcançar também uma pureza de 99,9%,para serem capazes de produzir as células, de acordo com ainvenção, da mais alta qualidade.
Vários métodos podem ser usados para a produçãoartificial ou síntese da pirita do material semicondutor debase, pelos quais o material de base também é tratado por umprocesso de purificação multizonal, para alcançar o grau depureza mais alto possível do composto químico.O método de produção é apropriado para transporteem fase gasosa (CVT), para o "qual o gradiente detemperaturas para produzir o composto de ferro-enxofre deveser entre 250 0C e 1.200 °C. Caso a pirita for usada comomaterial de base natural, a temperatura no lado doresfriador pode variar entre 250 0C e 850 °C. Como meio detransporte para alimentar o enxofre no ferro, pode-se usarbromo (Br2, FeBr3) ou outro material.
A síntese dos cristais pode ocorrer, por exemplo,em uma solução de polissulfeto de sódio. A pirita pode sersintetizada a partir de elementos de base purificados, ferroe enxofre, ambos com gradientes de temperaturas padrõesentre 260 0C e 1.200 °C, e também com um gradiente de 200 0Caté 1.400 °C. Os métodos de CVT oferecem melhorreprodutibilidade durante a produção, e pode-se conseguircristais absolutamente puros desta maneira.
Para conseguir peças de um único cristal depirita, pode-se usar o método de produção que utiliza umasolução fundida de telúrio, BrCl2, Na, S2, ou materiaissimilares.
Existe outra variante para a produção de pirita, obombardeio de RF. Isto ocorre em uma unidade de bombardeioonde um alvo de pirita é bombardeado com um plasma deargônio-enxofre. A vazão do argônio é usualmente entre 0,1e 300 ml/min. e o enxofre é obtido por vaporização deenxofre elementar. Durante a separação, a pressão detrabalho de 0,01 mbar ou mais, oü mesmo mais baixa, émantida. 0 potencial da corrente continua deautopolarização é ajustado em 0 a 400 volts. A temperaturado substrato é selecionada na faixa entre 80 0C e 950 °C.Com esse processo, em principio, pode-se produzir umaestrutura policristalina.
Para produzir os componentes semicondutores, deacordo com a invenção, como película fino, pode-se usar umsistema de material incongruente. O bombardeio reativoproduzido a partir de um alvo de pirita, os métodos MOCVD epirólise de spray são apropriados. Além disso, o método deevaporação térmica, auxiliado por um sistema transportadorque transporta quantidades pequenas de um composto em pó atéa fonte de evaporação aquecida, garante que o material,dependendo da alta temperatura, seja quase que completamentevaporizado. Este tipo de vaporização oferece o benefício deque pode-se exercer influência sobre a estequiometria, bemcomo sobre um dopador em potencial, já que, por exemplo, odopador pode ser adicionado diretamente ao composto em pó.Caso películas de ferro forem sulfurizadas, sejaexclusivamente por via térmica, ou com auxílio de plasma, épossível partir de materiais de base puros.
A espessura da camada ativa tem uma influênciaimportante sobre a eficiência da célula solar. Para estimara eficiência e os parâmetros necessários da célula, pode-seespecificar áreas-limite apropriadas:
Para dopar ou combinar o material semicondutor debase com fósforo e boro, respectivamente, é preferível usareste último em uma porcentagem de massa de IO"6 a 20% domaterial de base. Isso depende das propriedades requeridasdo componente semicondutor acabado.
O componente semicondutor, de acordo com ainvenção, pode ser produzido também com uma assim denominadacélula em tandem. Neste caso, uma camada dopadora de piritae uma outra camada "p" e "n" de outro cristal semicondutor,como silício, arsenieto de gálio ou outro materialdisponível, pode criar um efeito combinado. Com este tipode componente semicondutor, pode-se fazer uso máximo doespectro, caso esses vários materiais semicondutores de baseforem capazes de cobrir a faixa isolante entre 1,0 e 1,8 eV.
De acordo com a Figura 4 e dentro do âmbito destainvenção, pode-se usar heterojunções entre várioscomponentes semicondutores, como explicado detalhadamenteacima, com relação à variante típica ilustrada na Figura 3.Entretanto, a condição é que as constantes de treliça e oscoeficientes de expansão térmica dos dois materiais nãovariem muito. Como exemplo, de acordo com a invenção, umsemicondutor-p 31 de pirita pode ser combinado com umsemicondutor-n 32 de um material diferente. Estaheterojunção causa uma descontinuidade de faixa que é usadade maneira inovadora para influenciar o transporte doportador de carga. Com esses dois materiais semicondutoresseparados, 31 e 32, as faixas isolantes Eg, a função detrabalho Õ, e a afinidade dos elétrons χ são diferentes.
Conhece-se métodos de crescimento epitaxialespecialmente desenvolvidos para produzir heterojunções, quesão usados também com relação ao material semicondutor debase usado nesta invenção. Tanto a epitaxia de feixemolecular (BEM) quanto a epitaxia gasosa (MOCVD) existem naforma de deposição gasosa a partir de compostos organo-metálicos.
No caso da célula solar de fina película com umaheterojunção, o fósforo e o boro são, de preferência,integrados ou dopados através de um implante iônico sobre asuperfície da pirita do material semicondutor de base, queocorre com o auxílio de aceleradores de partículas. Assimsendo, depois da ionização, os átomos do dopador sãoelevados até um nível alto de energia e injetados nomaterial de base, onde, depois de uma profundidade depenetração característica, eles são detidos e permanecem.Com este processo de implante, a treliça do cristalsemicondutor sofre dano considerável e tem de ser regeneradapor tratamento térmico. Assim sendo, as impurezasimplantadas difundem-se e são integradas simultaneamente àtreliça. Consequentemente, formam-se perfis compostos apartir dos implantes de ions e das di-fusões das impurezas.
0 processo de epitaxia de feixe molecular (BEM) éum método especial de deposição de vapor. 0 material évaporizado em tubos aquecidos de formato cilíndrico com umaabertura frontal pequena. 0 tamanho desta abertura e apressão de vapor criada no forno pelo calor determinam otransporte do material para o alvo. Um vácuo ultra-alto,controlado por um analisador de massas, e uma placa deblindagem resfriada criam camadas de cristais muito puros.
A estrutura dessas camadas de cristais pode ser controladaquase on-line pelas assim denominadas medições de RHEED(Difração de Elétrons de Alta Energia Refletida) e asespessuras das camadas são criadas precisamente por umaregulagem da temperatura e fusão rápida a uma camada deátomos.
No caso de uma estrutura de múltiplas camadas, ocomponente semicondutor pode ter até cem camadas. Seria,portanto, factível que o componente semicondutor ilustradona Figura 3 fosse criado a partir de mais do que trêscamadas diferentes, e desta maneira várias camadas depirita, e caso apropriado, várias camadas de boro e/oufósforo poderiam ser usadas.
O componente semicondutor usado como pirita,conforme descrito acima, pode ser criado, dentro do escopoda invenção, não somente como uma célula solar de matériasólida em camada única ou em múltiplas camadas, mas tambémcomo uma célula solar de película fina, como uma célulasolar de MIS, uma célula fotoquímica, ou similar.
O componente semicondutor, de acordo com ainvenção, é usado com mais vantagens como uma célula solarporque, como tal, ele alcança um grau de eficiênciaextraordinariamente alto. Evidentemente, este componentesemicondutor pode ser usado também para outros propósitos,tais como diodo, semicondutor biestável ou similar.
Um componente semicondutor, de acordo com ainvenção, pode funcionar também, teoricamente, caso umacamada de pirita e um composto com a mesma fosse produzido àbase de boro (B) ou fósforo (P).
Claims (2)
1. Componente semicondutor, em particular umacélula solar, com pelo menos um material semicondutor debase (20, 40) consistindo de uma estrutura mono oupolicristalina, que consiste, pelo menos em parte, de piritacom a composição química FeS2, que é purificada com opropósito de alcançar um grau de pureza definido,CARACTERIZADO pelo fato de que o dito material semicondutorde base (20, 40) é combinado ou dopado com boro (52) efósforo (53).
2. Componente semicondutor, de acordo com qualqueruma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fatode que a concentração de cada um dos elementos integrados aomaterial de base tem uma porcentagem de massa entre 10-6 e 20.
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