ES2236854T3 - Celula solar y procedimiento de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
SE PROPONE UNA CELULA SOLAR (1) CON POR LO MENOS UNA SUPERFICIE SEMICONDUCTORA (2) QUE LLEVA FORMADOS UNAS ARISTAS (3) SEGUIDAS DE UNA ZONA (4) A MODO DE FLANCO QUE VA ESENCIALMENTE PARALELO A LA PERPENDICULAR AL SUSTRATO, Y SOBRE LA CUAL ESTAN SITUADOS LOS CONTACTOS (5) ELECTRICAMENTE CONDUCTORES. CON EL FIN DE PODER FABRICAR CON UNA TECNOLOGIA SENCILLA UNAS CELULAS SOLARES DE ALTO GRADO DE RENDIMIENTO SE APLICA MATERIAL ELECTRICAMENTE CONDUCTOR, UNA VEZ FORMADAS LAS ZONAS DE LOS FLANCOS, SOBRE LAS ZONAS A MODO DE FLANCOS (6) Y TAMBIEN SOBRE UNA PARTE DE LAS ZONAS QUE NO FORMAN FLANCOS. A CONTINUACION SE ELIMINA EL MATERIAL ELECTRICAMENTE CONDUCTOR SIN MASCARAS Y DE FORMA SELECTIVA DE LAS ZONAS QUE NO FORMAN FLANCOS, DE MANERA QUE LOS CONTACTOS ELECTRICAMENTE CONDUCTORES SE MANTIENEN EXCLUSIVAMENTE EN LAS ZONAS A MODO DE FLANCOS.
Description
Célula solar y procedimiento de fabricación.
La invención se refiere a una célula solar que
comprende un material semiconductor para un sustrato semiconductor
en el que, mediante la energía de radiación incidente, pueden
generarse portadores de carga que pueden separarse por medio de un
campo eléctrico y, después, pueden conducirse por medio de primeros
y segundos contactos conductores eléctricos presentes en el
sustrato semiconductor, de modo que en una primera superficie del
sustrato semiconductor están previstas depresiones en forma de
surcos con como mínimo una zona en forma de flanco en cada caso que
discurre perpendicular o casi perpendicular al plano descrito por la
primera superficie semiconductora, y de modo que en una o varias de
las zonas en forma de flanco esté aplicado material conductor
eléctrico para configurar el primer contacto conductor eléctrico,
que se extiende exclusivamente en la zona correspondiente en forma
de flanco. Además, la invención hace referencia a un procedimiento
para la fabricación de una célula solar que comprende un material
semiconductor para un sustrato semiconductor en el que, mediante la
energía radiación incidente, pueden generarse portadores de carga
que pueden separarse por medio de un campo eléctrico y, después,
pueden conducirse por medio de primeros y segundos contactos
conductores eléctricos presentes en el sustrato semiconductor, de
modo que en una primera superficie del sustrato semiconductor se
configuran depresiones en forma de surcos con primeras zonas en
forma de flancos en las que se aplica exclusivamente material
conductor eléctrico para configurar el primer contacto conductor
eléctrico.
Para la fabricación industrial de los contactos
metálicos de las células solares cristalinas convencionales de
silicio, el procedimiento más difundido es el de la metalización
mediante impresión serigráfica. En éste, una pasta con contenido
metálico se presiona mediante un tamiz configurado en forma de
plantilla y se aplica así en las superficies de las células solares
en los puntos deseados. A continuación, las pastas se sinterizan a
temperatura elevada (aproximadamente 700ºC - 800ºC) para expulsar
los disolventes presentes en las pastas, así como para generar, en
la mayor medida posible, un contacto buen conductor eléctrico y
mecánicamente estable para la superficie de silicio. La ventaja
principal de este procedimiento radica en su simplicidad y en los
reducidos costes de producción que resultan de ello. Sin embargo,
este procedimiento también presenta numerosas desventajas. Las
líneas serigrafiadas de los contactos presentan normalmente una
anchura, condicionada normalmente por la fabricación, de más de 100
\mum. A partir de ello resulta el sombreado de una superficie
relativamente grande de la superficie sensible a la luz de la
célula solar, el cual constituye aproximadamente el 12%. Además, la
alta proporción de superficie sombreada exige una separación de los
dedos de como mínimo 3mm. Esto requiere a su vez una intensa
difusión de los portadores para mantener en un alcance convenido
las pérdidas de resistencia en la capa difundida. Otra área
problemática de las células solares con contactos serigráficos es
la alta resistencia del contacto
metal-semiconductor. Así, para conseguir
resistencias de paso suficientemente pequeñas de los semiconductores
es necesario garantizar una alta concentración superficial de
átomos dopantes en la red metálica. No obstante, estos requisitos de
intensa difusión de portadores y alta concentración superficial
conducen a una mala sensibilidad en el área de radiación de onda
corta de la luz solar. Esto puede explicarse porque la radiación de
onda corta se absorbe muy cerca debajo de la superficie de las
células solares y genera allí pares electrón - hueco que, debido al
alto dopado con átomos extraños en esta zona, se recombinan muy
rápido sin contribuir a la corriente fotógena de la célula
solar.
Un enfoque para reducir los problemas
anteriormente mencionados de las células solares por impresión
serigráfica viene representado por la denominada célula solar
"Buried Contact" (BCSC, célula solar de contacto grabado)
(US-PAT 4726850). En este tipo de célula se generan
en la superficie surcos estrechos y profundos (anchura : profundidad
1:2 - 1:7) que predeterminan el lugar y la forma de la
metalización. Ésta se aplica, tras formar los surcos, con ayuda del
procedimiento de galvanoplastia sin corriente. En este caso, el
metal depositado llena total o casi totalmente los surcos. Mediante
la formación de surcos muy estrechos (20-50 \mum)
podrían reducirse las pérdidas por sombreado, en comparación con
las células por impresión serigráfica, aunque este procedimiento
para la fabricación de células solares también presenta numerosas
desventajas. Para poder emplear el procedimiento aparentemente
sencillo de la galvanoplastia sin corriente para la metalización de
estas células solares es necesaria una serie de etapas de proceso
adicionales que consumen energía. Además de la etapa a alta
temperatura necesaria para la difusión de portadores (a
aproximadamente 850ºC), para la fabricación de las células BCSC
convencionales se requiere además como mínimo otras dos etapas a
altas temperaturas que consumen tiempo y energía (en cada caso,
varias horas a aproximadamente 1000ºC) (C.B. Honsberg et
al., Conf. Rec. 24th IEEE Photovoltaic Specialists Conference,
Hawaii, 1994, pp. 1473-1476). La primera de estas
dos etapas adicionales a alta temperatura sirve para la fabricación
de una barrera de difusión, compuesta por un óxido térmico denso
para la subsiguiente difusión profunda en los surcos. La segunda es
la difusión profunda en los propios surcos. Ésta sirve
fundamentalmente para la reducción de cortocircuitos ocasionados
por la corrosión en la zona de los dedos de metal depositados por
galvanoplastia, que normalmente están hechos de níquel, cobre y
plata. Asimismo, esta etapa de metalización está unida con grandes
cantidades de deposiciones y baños galvánicos que se consideran
ecológicamente dudosos. Además, este tipo de metalización en el que
la forma y la dimensión de los contactos vienen determinadas
exclusivamente por la de los surcos conduce a una superficie de
contacto relativamente grande semiconductores- metal, lo que tiene
como consecuencia una reducción de la tensión del funcionamiento en
vacío y, con ello, del rendimiento.
Se conoce de forma general el hecho de que los
contactos metalizados al vacío presentan las mejores propiedades de
contacto en comparación con los contactos anteriormente
mencionados, elaborados por impresión serigráfica o deposición
galvánica. Como posibilidad prometedora para fabricar contactos de
metal en células solares se conoce el procedimiento de la
metalización al vacío con un ángulo pequeño respecto a la
superficie de las células solares (Borden et al. Proc. 16th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, 1982, pp. 574
y siguientes, y Hezel Proc. 13th European Photovoltaic Solar Energy
Conference, Nice, 1995, pp. 115-118). En este caso,
la superficie de las células solares se dota de surcos que
discurren paralelamente unos junto a otros con poca separación, los
cuales están configurados normalmente en forma de V o de
semicírculo. Por tanto, las elevaciones muy estrechas formadas de
esta manera sirven como cantos de distribución de sombras durante la
metalización al vacío subsiguiente del material de contacto
metálico con un ángulo plano respecto a la superficie del sustrato.
Mediante este procedimiento de la metalización oblicua al vacío se
evitan las desventajas habituales de la metalización perpendicular
convencional por medio de una máscara de sombras dado que, mediante
la configuración de las elevaciones que proyectan sombra por sí
mismas, por una parte, puede prescindirse del uso de una máscara de
sombras para definir la rejilla de contacto y, por otra parte, puede
aumentarse considerablemente el flujo de deposición en comparación
con una metalización al vacío que tiene lugar de forma
perpendicular dado que las células solares están dispuestas de forma
muy cercana en un ángulo muy plano respecto a la dirección de la
metalización (Hezel Proc. 13th European Photovoltaik Solar Energy
Conference, Nice, 1995, p. 115). También aquí se aprovecha el
material de metalización al vacío mucho mejor que en la metalización
al vacío perpendicular, en la que la mayor parte del metal
precipita en las máscaras y debe eliminarse nuevamente de éstas con
mordiente y requiere un intenso trabajo. El procedimiento aquí
presentado permite una variación del ancho de los dedos
fundamentalmente mediante una variación del ángulo de metalización
al vacío, dado que la anchura de los surcos viene determinada en la
mayoría de los casos por la herramienta empleada (por ejemplo, una
hoja de sierra dotada de diamantes, alambre con medios de
rectificación). Asimismo, la separación de los dedos de contacto
individuales en estas estructuras viene dada directamente por el
ancho de la herramienta. Las células de este tipo alcanzan
actualmente rendimientos del 18,6% (Verbeek et al., Proc.
25th IEEE Photovoltaik Specialists Conference, Washington D.C.,
1996, p. 521). Mediante la divergencia del haz de metalización al
vacío en función de la presión en la cámara de metalización al
vacío, de la extensión de la fuente de metalización y de la
dispersión del material en los cantos de distribución de sombras
sólo puede conseguirse una distribución definida de las sombras de
las elevaciones hasta una separación de aproximadamente 500 \mum.
Por tanto, la máxima separación de los dedos de este tipo de célula
está limitada a menos de 500 \mum. Asimismo, en los surcos en
forma de V se presenta un sombreado relativamente alto a causa de
los dedos de metal, dado que éstos discurren en planos que
normalmente presentan un ángulo de aproximadamente 35º respecto a
la normal del sustrato. Además, en las estructuras anteriormente
mencionadas, la eliminación necesaria del silicio es realmente alta
dado que las ranuras discurren densamente unas junto a otras. Esto
conduce a un elevado desgaste de las herramientas empleadas para la
estructuración, así como a elevados gastos de tratamiento.
A partir del documento EP 0 561 615 A2 ha de
desprenderse una conexión de detectores IR independientes para
formar una disposición ventajosa densa y compacta. En este caso,
para conectar los componentes individuales, los contactos
eléctricos pueden discurrir verticales a la superficie de los
componentes, una medida como esta se conoce a partir de la conexión
de células solares individuales a módulos de células solares. En
este caso no es necesario que el contacto conductor eléctrico
necesario para unir los componentes discurra sobre la longitud total
de las superficies correspondientes de los componentes.
En el documento US 4.379.944 se describe una
célula solar con surcos en forma de V que discurren por el lado de
la superficie. En este caso, en un flanco de los surcos está
aplicado un material conductor eléctrico para configurar un primer
contacto conductor eléctrico. Para conseguir un aprovechamiento
óptimo con un sombreado mínimo de la célula solar ocasionado por
los contactos conductores eléctricos, la célula solar se dirige
hacia la radiación incidente. La separación de los surcos en forma
de V viene dada en límites muy estrechos por la orientación y el
grosor del sustrato, de modo que la separación máxima puede ser de
2,7 veces la profundidad de los surcos.
La presente invención se basa en el problema de
perfeccionar una célula solar, así como un procedimiento para
fabricar una célula solar del tipo descrito al principio, de tal
manera que mediante tecnología sencilla y, dado el caso, empleando
métodos de tratamiento de gran superficie y, especialmente, muy
sencillos y económicos, puedan fabricarse células solares de forma
muy eficaz. Además, debe ser posible que pueda aplicarse en todos
los tipos de semiconductores, semiconductores elementales y
semiconductores compuestos, tanto en forma monocristalina de
cualquier orientación superficial, en forma policristalina de
cualquier tamaño de grano y orientación, como también en estado
amorfo, en una realización autoportante (gruesa), como también con
semiconductores de película delgada en sustrato externo. Además,
debe ser posible que pueda variarse en gran medida en relación con
la configuración de los contactos conductores eléctricos que
conducen los portadores de carga eléctricos. No debe ser
dependiente de una orientación de los cristales. Independientemente
de ello, debe ser posible un sombreado mínimo del material del
sustrato semiconductor. Asimismo, debe crearse adicionalmente la
posibilidad de absorber de forma óptima las radiaciones
incidentes.
Según la invención, el problema se soluciona
gracias a una célula solar del tipo descrito al principio porque,
entre las depresiones sucesivas, discurre una zona en forma de
meseta que se extiende en el plano descrito por la superficie
semiconductora, o aproximadamente en éste, y/o una superficie del
lado del fondo que discurre paralela o casi paralela al plano
descrito por la superficie semiconductora.
A diferencia del documento US 4.379.944, que
forma el estado de la técnica genérico, entre las depresiones en
forma de ranura discurren zonas en forma de meseta o secciones del
fondo a lo largo del plano que se extiende desde la primera
superficie semiconductora. Con ello se obtiene la ventaja de que la
separación de los primeros contactos conductores eléctricos puede
seleccionare relativamente grande, con lo que se reduce el número
de dedos, que conducen a un sombreado, y, con ello, se aumenta la
corriente de cortocircuito de la célula.
Un procedimiento para fabricar una célula solar
del tipo mencionado al principio se caracteriza porque las zonas en
forma de flancos están configuradas de tal manera que discurren de
forma perpendicular o casi perpendicular al plano descrito por la
primera superficie del sustrato semiconductor, de manera que el
material conductor eléctrico para configurar los primeros contactos
eléctricos se elimina por corrosión, sin máscara y de forma
selectiva, de las zonas de la superficie semiconductora que
discurren por fuera de la zona en forma de flanco. Los
perfeccionamientos se obtienen a partir de las reivindicaciones
dependientes.
Además, preferiblemente el material que forma los
contactos conductores eléctricos se aplica sobre la zona en forma
de flanco con el procedimiento de metalización al vacío, sin
emplear una máscara especial, con un ángulo plano respecto al plano
del sustrato.
Gracias a la enseñanza según la invención pueden
generarse, sin costosas técnicas con máscaras y, principalmente,
mediante el ajuste autónomo, sistemas de dedos de contacto
continuos con un sombreado muy pequeño de la superficie sensible a
la luz de la célula solar y, no obstante, con una gran sección
transversal de las pistas conductoras. Esto es posible dado que los
contactos conductores eléctricos de acuerdo con el procedimiento
según la invención discurren exclusivamente en zonas en forma de
flanco dispuestas de forma paralela a la normal del sustrato.
Otra característica fundamental de la idea de la
invención es configurar la estructura superficial necesaria para la
metalización al vacío oblicua de tal manera que, por una parte, el
sombreado ocasionado por los dedos metálicos, con una sección
transversal suficientemente grande de las pistas conductoras,
incida de forma tan reducida como sea posible, por otra parte, se
minimice la eliminación de material necesaria para formar la
estructura. Esto conduce, entre otras cosas, a las estructuras
descritas preferiblemente en los dibujos y en los ejemplos de
realización.
Una idea básica de la presente invención consiste
en aprovechar de forma ventajosa según la invención el crecimiento
especial de la estructura columnar de las capas de metal
metalizadas al vacío de forma inclinada. En este caso, debido al
crecimiento en aumento de la estructura columnar, en caso de ángulos
de metalización al vacío más planos, la capa depositada se vuelve
cada vez más porosa. A partir de la creciente porosidad de las
capas resulta, tal como se muestra en la figura 5, un crecimiento
drástico de la velocidad de grabado manteniendo, por lo demás, las
mismas condiciones externas. El aprovechamiento de este efecto
posibilita aprovechar de forma especialmente ventajosa las
estructuras de superficie, configuradas según la invención y
mencionadas anteriormente, dado que la capa de metal depositada en
las zonas que no tienen forma de flanco son muy fáciles de grabar.
Por tanto, el grosor del verdadero contacto de metal no tiene que
configurarse mayor para compensar la pérdida de grosor que se
origina por el grabado subsiguiente.
Además, al aplicar la enseñanza según la
invención es posible, a diferencia del estado de la técnica
discutido al principio, determinar las anchuras de los dedos sin
basarse exclusivamente en el ángulo \alpha de metalización al
vacío o en la anchura a de la herramienta, sino totalmente
independiente de estos parámetros, mediante la profundidad de la
sierra o el ancho b de los flancos, suponiendo que la tangente del
ángulo \alpha de metalización al vacío siempre es mayor que la
razón entre el ancho b de los flancos y la separación del canto de
sombreado / flanco a (véanse las figuras 4a-c).
Este hecho posibilita realizar durante la fabricación el ajuste
preciso del ángulo de metalización al vacío de forma
considerablemente poco crítica. Siempre se ajusta la misma anchura
k de los contactos, dada por el ancho k de los
flancos.
flancos.
Una característica muy importante de la idea
según la invención es crear estructuras de superficie que puedan
aplicarse de la forma más general posible, que posibiliten, a
diferencia del estado de la técnica discutido al principio, separar
también los dedos en la medida que se desee, lo que constituye una
ventaja decisiva para determinados tipos de células solares ya que
gracias a un número reducido de dedos, por una parte, se reduce el
sombreado y, con ello, se aumenta la corriente de cortocircuito de
la célula, por otra parte, no obstante, también puede reducirse la
superficie de contacto de los
semiconductores-metal, lo que tiene como
consecuencia a su vez el efecto positivo de un aumento de la
tensión del funcionamiento en vacío debido a la reducida
recombinación de los contactos de metal.
Asimismo, en comparación con las células BCSC, es
ventajoso que los requisitos respecto al ancho de la herramienta y
al desgaste sean mucho más reducidos dado que no son necesarios,
tal como en las células BCSC, surcos lo más estrechos y profundos
posibles (preferiblemente con una razón de anchura: profundidad 1:2
- 1:7), sino relativamente anchos y planos (preferiblemente con una
razón de anchura: profundidad 1:1 - 10:1). Gracias a la
configuración de surcos planos, también es posible, en
contraposición al estado de la técnica, dotar sustratos muy delgados
de una estructura superficial ventajosa según la invención.
Asimismo, según la invención, el sombreado a través de los
contactos de metal no se limita hacia abajo por el ancho de los
surcos que puede realizarse técnicamente, sino que puede
seleccionarse libremente mediante el espesor de la metalización al
vacío. Esto es especialmente ventajoso para células solares con una
reducida separación de los dedos, tal como, por ejemplo, el tipo de
células solares MIS
(metal-aislante-semiconductor).
Según la invención, a diferencia del estado de la
técnica discutido al principio, también está previsto dotar la
superficie de las células solares de una segunda estructura mucho
más pequeña, por ejemplo, ranuras, surcos o pirámides, para mejorar
así la absorción de luz de las células solares. Por tanto, los dos
parámetros (absorción de luz, distancia entre los contactos) pueden
interpretarse independientemente entre sí de forma óptima. En el
caso de las estructuras de superficie conocidas hasta el momento
que se emplean para la metalización al vacío oblicua, la estructura
utilizada para formar los contactos también servía siempre para
mejorar la absorción de luz. Dado que las estructuras necesarias
para la absorción óptima de la luz tienen unas dimensiones que
están básicamente más de un orden de magnitud por debajo de las de
las distancias entre los contactos, las dos estructuras repercuten
de forma muy desventajosa en el rendimiento en una estructura que
las combina. Esta desventaja puede eliminarse gracias a la
configuración según la invención de la estructura superficial para
la fabricación de los contactos conductores eléctricos dado que en
estas estructuras puede disponerse, de forma especialmente sencilla
y, sobre todo, también de forma en gran medida independiente de la
configuración según la invención de estas estructuras, cualquier
estructura inferior que mejore la absorción de la luz.
Otra idea de la invención consiste en construir
adicionalmente, preferiblemente en el área que se encuentra más
profunda entre dos contactos conductores eléctricos, una o varias
depresiones que, debido a su profundidad y a la unión - pn que
llega hasta el volumen del semiconductor, mejoran la colección de
los portadores de carga minoritarios en el volumen del
semiconductor. Las depresiones pueden crearse, en principio, con la
geometría que se desee. No obstante, mediante el diseño adecuado
(véase la figura 3b) puede aumentarse también la absorción de luz.
Preferiblemente, estas depresiones se generan al mismo tiempo que
las depresiones de los contactos gracias a la configuración
adecuada de la herramienta.
Otras particularidades, ventajas y
características de la invención se obtienen no sólo de las
reivindicaciones, de las características que se desprenden de
éstas, en sí mismas y/o combinadas, sino también de la siguiente
descripción de un ejemplo de realización preferido que ha de
desprenderse de los dibujos.
Muestran:
La figura 1, la disposición de contactos en una
superficie estructurada de una célula solar,
La figura 1a, un detalle a partir de la figura 1
con tres posibilidades de configuración de las zonas en forma de
flanco,
La figura 1b, un detalle a partir de la figura 1
con una flanco parcialmente pasivado,
La figura 1c, un detalle a partir de la figura 1
con contacto
metal-aislante-semiconductor,
La figura 1d, la disposición de contactos según
la figura 1 con aclaraciones,
La figura 2, las posibilidades de configuración
según la invención de la estructura superficial de las células
solares,
La figura 3a, la estructura superficial con una
segunda estructura estampada para el mejor acoplamiento de la luz
en la célula solar,
La figura 3b, la estructura superficial con una
segunda estructura estampada para mejorar la colección de los
portadores de carga minoritarios en la célula solar,
La figura 4, el procedimiento de la metalización
al vacío oblicua bajo diferentes ángulos a) tg \alpha <b/a, b)
tg \alpha=b/a y c) tg \alpha >b/a en superficies
estructuradas y los contactos conductores eléctricos resultantes de
ello según la invención,
La figura 5, velocidad de grabado del aluminio en
función del ángulo \alpha de metalización al vacío.
Las enseñanzas según la invención pueden
realizarse con cualquier célula solar, aunque se describen
únicamente para células con una unión - pn dopada. Además, en la
medida de lo posible, para los mismos elementos se utilizan los
mismos números de referencia.
La figura 1 muestra, en una representación
esquemática, un detalle de una célula (1) solar con como mínimo una
superficie (2) semiconductora en la que están configurados cantos
(3) en los que se acoplan zonas (4) en forma de flanco y están
aplicados directa o indirectamente contactos (5) conductores
eléctricos en como mínimo una parte de las zonas en forma de flanco.
Los cantos y las zonas en forma de flanco pueden formarse de forma
sencilla con ayuda de elementos de estructuración mecánicos movidos
(por ejemplo, herramientas dotadas de diamantes, alambres con
medios de rectificación) o mediante el empleo de dispositivos láser.
La metalización puede tener lugar por medio del procedimiento de
metalización al vacío, formando un ángulo pequeño respecto a la
superficie del sustrato.
La fabricación de la célula solar mostrada en la
figura 1 es muy sencilla. A continuación se describe de forma
detallada un ejemplo de una secuencia del proceso para la
fabricación, según la invención, de una célula solar pn. A este
respecto, el proceso consta básicamente de las siguientes ocho
etapas del
proceso:
proceso:
- 1.
- configuración de las zonas en forma de flanco en la superficie de las células solares
- 2.
- limpieza
- 3.
- configuración de la unión - pn por difusión de átomos extraños
- 4.
- aplicación del contacto de la parte posterior y sinterizado
- 5.
- aplicación del contacto del lado delantero mediante metalización al vacío oblicua,
- 6.
- eliminación con mordiente del metal sobrante de todas las zonas que no tengan forma de flanco
- 7.
- aplicación de una barra ómnibus
- 8.
- aplicación de una capa antirreflectante.
A este respecto se procede, según el
procedimiento, de la siguiente manera: tras configurar los cantos
(3) que discurren en paralelo y sus zonas (4) en forma de flanco,
por ejemplo, mediante una muela abrasiva dotada de diamantes, se
elimina con mordiente una delgada capa de la superficie dañada por
la sierra, dado que esta capa, con sus dislocaciones e impurezas,
tendría como consecuencia una recombinación aumentada de la
superficie y, con ello, un rendimiento reducido. Luego tiene lugar
normalmente una limpieza química por vía húmeda para eliminar de la
superficie de la célula solar todas las impurezas orgánicas y
metálicas. En una etapa subsiguiente, se dota el lado posterior de
la célula solar con una barrera de difusión, por ejemplo, de nitruro
de silicio PECVD, para sólo generar una unión - pn en el lado
delantero, por difusión de átomos extraños adecuados (por ejemplo,
fósforo, en el caso del sustrato dopado p). Tras la difusión, la
barrera de difusión se separa del lado posterior por corrosión en
ácido fluorhídrico. A continuación, se aplica y se sinteriza el
contacto metálico del lado posterior por metalización al vacío o
impresión serigráfica. Luego se lleva a cabo la configuración de los
contactos del lado delantero. Esto tiene lugar, por ejemplo, por
metalización física de una capa de metal al vacío con un ángulo
plano respecto a la superficie del sustrato, así como, seguidamente,
mediante corrosión química húmeda y selectiva del metal sobrante de
todas las zonas (6) que no presenten forma de flanco en una solución
corrosiva conocida en general y apropiada para el metal
correspondiente (por ejemplo, solución de amoniaco, ácido
clorhídrico, o solución corrosiva de aluminio). A continuación, se
unen entre sí los contactos individuales mediante la aplicación de
una unión transversal conductora eléctrica (bus bar) y se dota la
célula solar con un recubrimiento antirreflectante, por ejemplo, de
nitruro de silicio PECVD.
Para la estructuración de la superficie, como
alternativa a las herramientas dotadas de diamantes, también es
posible utilizar un alambre movido añadiéndole un medio de
rectificación o un rayo láser. Además, las áreas que se unen a las
zonas en forma de flanco pueden estar configuradas, en función de la
herramienta empleada, por ejemplo, en forma de caja, en forma de
ranuras o triangulares (véase la figura 2). Según la invención,
sólo es importante que una zona (4) en forma de flanco que discurre
paralela o casi paralela a la normal del sustrato esté configurada
con una anchura suficiente. Normalmente, dicha anchura es, en
función de la distancia del dedo, entre 5 y 50 \mum.
Ventajosamente, se trata aquí de estructuras que requieren una
eliminación lo más reducida posible del silicio para configurar las
zonas en forma de flanco dado que los costes de estructuración, en
una primera aproximación, son proporcionales al volumen de silicio
que ha de eliminarse. Además de la estructura necesaria para la
fabricación de los contactos, debe aplicarse una estructura (8)
(por ejemplo, pirámides o surcos, véase también la figura 3a)
fundamentalmente más fina que mejore la absorción de la luz de la
célula solar, de manera que esto puede tener lugar, tanto de forma
mecánica, como también de forma química, tras la fabricación de la
estructura grosera para la aplicación de los contactos.
La estructura (9), mostrada en la figura 3b, que
sirve, entre otras cosas, para mejorar la colección de los
portadores de carga minoritarios en el volumen del semiconductor,
tiene un diseño en forma de dientesde sierra, de modo que el flanco
izquierdo refleja adicionalmente la luz que entra en el sustrato (2)
semiconductor. La disposición de la unión - pn colectora en el
semiconductor puede extenderse desde aproximadamente 10 \mum
hasta aproximadamente 150 \mum. Esta doble función de la
estructura en relación con la situación óptica y eléctrica es
especialmente ventajosa para materiales semiconductores que no
pueden texturizarse químicamente y tienen longitudes de difusión
reducidas, tales como, por ejemplo, material multicristalino o en
cinta sin fin. También pueden concebirse otras formas de las
depresiones para aumentar la probabilidad de colección de los
portadores de cargas minoritarios (cuadrangulares, semicirculares,
en forma de v, entre otras).
La formación de la unión - pn en el lado
delantero de la célula solar puede llevarse a cabo, en lugar de por
difusión a partir de la fase gaseosa, también por proyección de un
líquido con sustancias de dopado (spin-on dopant).
Asimismo, puede suprimirse la aplicación de una barrera de difusión
en el lado posterior si en una etapa subsiguiente del proceso se
compensan los átomos extraños aplicados en el lado posterior
mediante un segundo tipo correspondiente de átomos extraños, por
ejemplo, mediante la generación de un campo superficial posterior de
aluminio (Back Surface Field). No obstante, la generación de la
unión - pn (11) también puede tener lugar mediante la aplicación de
cargas sólidas (iones Cs y nitruro de silicio) y mediante una
inversión resultante de ello de la superficie semiconductora.
Según la invención, deben destacarse dos
posibilidades para determinar el ancho k de los contactos (5)
conductores eléctricos al aplicar los contactos del lado delantero
en las superficies (4) en forma de flanco mediante metalización
física al vacío con un ángulo plano respecto a la superficie del
sustrato (véase la figura 4). En la primera posibilidad, el ancho k
de los contactos se determina por medio del ángulo \alpha de
metalización al vacío y mediante la separación a del canto de
distribución de las sombras desde la zona en forma de canto a
metalizar. Es válido: tg \alpha < b/a y k = a * tg \alpha,
donde b indica el ancho de la zona en forma de flanco. Por el
contrario, en la segunda posibilidad se determina el ancho k de
contacto exclusivamente mediante el ancho b de la zona en forma de
flanco. En este caso es válido: tg \alpha \geq b/a y k = b.
Esta aplicación del procedimiento según la invención se muestra
como muy ventajosa cuando en laescala de producción industrial debe
renunciarse al ajuste preciso del ángulo \alpha de metalización
al vacío. El ajuste del ancho b de las zonas en forma de flanco es
fundamentalmente más sencillo. A ello se añade que el ancho k de los
contactos está libre, por tanto, de las condiciones limitantes
(separación a reducida y divergencia reducida del haz de
metalización al vacío) para una distribución definida de las
sombras ocasionadas por los cantos de la estructura superficial.
Otra posibilidad de configuración ventajosa de la
invención incluye dotar la superficie (2) semiconductora, antes de
la aplicación de los contactos, únicamente de una capa (7) de
pasivación, luego abrirla en zonas de contacto estrechas y, después,
dotarla de contactos (5) de metal más anchos que discurran tanto en
la superficie semiconductora abierta, como también al menos
parcialmente en la capa de pasivación (véase la figura 1b). Con ello
puede reducirse drásticamente la superficie de contacto
semiconductora de metal unida a una alta recombinación de los
portadores de carga. Esto tiene como consecuencia un aumento
ventajoso de la tensión del funcionamiento en vacío y, por tanto,
del rendimiento. A diferencia de lo descrito en el documento EP
0548863, el contacto de metal conductor eléctrico no discurre,
según la invención, en zonas en forma de meseta, sino exclusivamente
en las zonas (4) en forma de flanco que discurren paralelas o casi
paralelas a la normal del sustrato. A partir de ello se obtiene un
sombreado claramente reducido ocasionado por los dedos de metal
opacos y, con ello, una ventaja en relación con el rendimiento.
Asimismo, el procedimiento según la invención
puede utilizarse para fabricar el contacto del lado posterior de
las células solares. En este caso se procede, según el
procedimiento, exactamente igual que en la fabricación de los
contactos del lado delantero. Preferiblemente, los contactos de
metal del lado posterior discurren perpendiculares a los del lado
delantero para minimizar las posibles pérdidas de la resistencia en
serie. La propuesta que crea la invención de aplicar las pistas
conductoras de forma que se ajusten de modo autónomo en las zonas
en forma de flanco que discurren paralelas o casi paralelas a la
normal del sustrato también es ventajosa por varios motivos para el
contacto posterior de las células solares. Por una parte, este
procedimiento posibilita una fabricación sencilla de células
solares sensibles a la luz por ambos lados, las denominadas
"células solares bifaciales", dado que, a diferencia de las
células solares convencionales, se recubre con metal todo el lado
posterior. Por otra parte, para el lado posterior se resaltan
totalmente todas las ventajas descritas también para el lado
delantero.
De la figura 1d puede desprenderse otra vez una
forma de realización preferida de la célula solar según la
invención. En este caso se indica con "b" la altura de la zona
4 en forma de flanco que discurre de forma perpendicular o casi
perpendicular al plano descrito por la superficie de la célula
solar. La sección 20 en forma de meseta, que discurre en el plano de
la superficie del sustrato, y que, partiendo de la superficie del
sustrato, se une a una zona 4 en forma de flanco correspondiente,
presenta una anchura h. Desde la zona 20 en forma de meseta parte
la superficie 24, que discurre hacia el borde 22 por el lado del
suelo de la zona 4 en forma de flanco. El canto SK, formado por la
unión de las superficies 20, 22, es un denominado "canto de
distribución de las sombras", que determina \alpha en función
del ángulo de metalización al vacío, por medio de cuya altura
precipita el material conductor eléctrico en la zona 4 en forma de
flanco para configurar el contacto 5 conductor eléctrico. La altura
correspondiente se indica con k.
En la proyección sobre el plano descrito por la
superficie de la célula solar, el ancho de la zona 20 en forma de
meseta es "h" y el de la superficie 24 que discurre inclinada
respecto a ésta es "a", de modo que la anchura a de la
superficie 24 es mayor que la altura b de la zona 4 en forma de
flanco, especialmente a
> 3b.
> 3b.
La separación entre zonas 4 en forma de flanco
sucesivas en las que se encuentran contactos 5 conductores
eléctricos es A, debiendo cumplirse especialmente que 100 \mum
< A < 2000 \mum. La altura b de las zonas en forma de
flanco es en sí misma, preferiblemente, 5 \mum < b < 200
\mum.
A partir de la figura 4 ha de desprenderse una
forma de realización a destacar de una célula solar según la
invención en la que las depresiones siguen una geometría en forma
de caja. Así, básicamente, cada una de las depresiones está limitada
por dos zonas 4, 26 en forma de flanco, una de las cuales está
dotada del material conductor eléctrico y discurren en cada caso de
forma perpendicular al plano descrito por la superficie 30 de la
célula solar. De forma correspondiente, las zonas 4 en forma de
flancos, dotadas del material semiconductor, de los otros ejemplos
de realización, también están alineadas perpendiculares a los
planos descritos por la superficie del material semicon-
ductor.
ductor.
Los primeros y segundos flancos 4, 26, que
presentan una altura igual o fundamentalmente igual, están unidos
por medio de una superficie 28 de la depresión por el lado del
fondo. Mediante el recorrido de los flancos 4, 26 y de la
superficie 28 del fondo se obtiene la geometría en forma de caja
deseada de la depresión.
Claims (14)
1. Célula (1) solar que comprende un material
semiconductor para un sustrato semiconductor en el que mediante la
energía radiación incidente pueden generarse portadores de carga
que pueden separarse por un campo eléctrico y, después, pueden
conducirse mediante primeros y segundos contactos (5) conductores
eléctricos presentes en el sustrato semiconductor, de modo que en
una primera superficie (2) del sustrato semiconductor están
presentes depresiones en forma de ranura con como mínimo una zona
(4) en forma de flanco en cada caso que discurre perpendicular o
casi perpendicular al plano descrito por la primera superficie
semiconductora, y de modo que en una o varias de las superficies en
forma de flanco está aplicado material conductor eléctrico para
configurar el primer contacto (5) conductor eléctrico que se
extiende exclusivamente en la zona en forma de flanco
correspondiente, caracterizada porque entre depresiones
sucesivas discurre una zona (20) en forma de meseta que discurre en
el plano descrito por la superficie semiconductora o aproximadamente
en éste y/o una superficie (28) por el lado del fondo que discurre
paralela o aproximadamente paralela al plano descrito por la
superficie semiconductora.
2. Célula solar según la reivindicación 1,
caracterizada porque la zona (20) en forma de meseta se
transforma en la superficie (24) de la célula (1) solar que
discurre hacia el borde (22) del lado del fondo de la superficie (4)
en forma de flanco, de modo que la superficie que se extiende hacia
la zona en forma de flanco describe especialmente un ángulo
\gamma, donde
60º \leq \gamma \leq 75º.
60º \leq \gamma \leq 75º.
3. Célula solar según la reivindicación 1,
caracterizada porque la zona (20) en forma de meseta se
transforma en una segunda zona (26) en forma de flanco que discurre
paralela a la primera zona en forma de flanco, la cual está unida
con la primera zona en forma de flanco mediante una superficie (28)
de la depresión por el lado del fondo que discurre especialmente de
forma perpendicular a las zonas en forma de flancos.
4. Célula solar según como mínimo una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la zona
20 en forma de meseta presenta una anchura h y la superficie (24)
en proyección sobre el plano descrito por la superficie
semiconductora una anchura a, de modo que h > 2 \mum,
especialmente 5000 \mum > h > 2 \mum, y/o la zona (4) en
forma de flanco presenta una altura b, donde b < a,
especialmente a > 3b.
5. Célula solar según como mínimo una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el
contacto (5) conductor eléctrico discurre a lo largo de la zona (4)
en forma de flanco, por toda o casi toda su longitud, y
especialmente el material conductor eléctrico para configurar uno de
los contactos (5) conductores eléctricos procede del canto (3) del
lado de la superficie, de modo que el contacto conductor eléctrico
se extiende preferiblemente por una altura k que se corresponde
aproximadamente a la altura b de la zona (4) en forma de
flanco.
6. Célula solar según como mínimo una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la zona
(4) en forma de flanco se transforma en una primera sección 10 del
fondo que discurre paralela o casi paralela al plano descrito por
la superficie semiconductora, la cual se transforma a su vez en una
sección del fondo que forma un sumidero, la cual está limitada por
una segunda zona 26 en forma de flanco de la depresión, de modo que
especialmente el sumidero configurado en corte en V o de forma
triangular presenta una profundidad T que es como mínimo
aproximadamente igual a la altura b de la primera zona (4) en forma
de flanco.
7. Célula solar según como mínimo una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las
depresiones en forma de ranura presentan en el corte una forma de
U, una sección circular o una forma triangular, y porque
especialmente la superficie semiconductora presenta, en la zona de
la zona en forma de flanco en la superficie por fuera de las
depresiones que presentan preferiblemente una geometría en forma de
caja y/o dentro de las depresiones, estructuras (8) formadas, por
ejemplo, por pirámides, surcos o ranuras, de modo que
preferiblemente las estructuras son pequeñas en comparación con la
altura b de la zona (4) en forma de flanco.
8. Célula solar según como mínimo una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la célula
solar presenta por delante y/o por detrás las zonas (4) en forma de
flancos dotadas del material conductor eléctrico.
9. Célula solar según como mínimo una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las zonas
(4) sucesivas en forma de flancos que discurren paralelas o casi
paralelas entre sí, dotadas del material conductor eléctrico,
presentan una separación A, donde 30 \mum < A < 5000 \mum,
especialmente 100 \mum < A < 2000 \mum, y/o porque la
altura b de la zona (4) en forma de flanco es de 5 \mum < b
< 200 \mum.
10. Célula solar según como mínimo una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque entre el
material conductor eléctrico y la zona (4) en forma de flanco
discurre por zonas una capa (7) de pasivación.
11. Célula solar según como mínimo una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las
depresiones que presentan las zonas (4) en forma de flancos están
configuradas por deposición de material conductor en un sustrato
que presenta estructuras correspondientes.
12. Procedimiento para fabricar una célula solar
según una de las reivindicaciones 1-11 que
comprende un material semiconductor para un sustrato semiconductor
en el que mediante la energía de radiación incidente pueden
generarse portadores de carga que pueden separarse mediante un campo
eléctrico y, después, pueden conducirse mediante primeros y segundos
contactos conductores eléctricos presentes en el sustrato
semiconductor, de modo que en una primera superficie del sustrato
semiconductor se configuran depresiones en forma de ranura con
primeras zonas en forma de flancos en las que se aplica
exclusivamente material conductor eléctrico para configurar los
primeros contactos conductores eléctricos, caracterizado
porque las zonas en forma de flancos se configuran de tal manera que
éstas discurren perpendiculares o casi perpendiculares al plano
descrito por la primera superficie del sustrato semiconductor,
porque el material conductor eléctrico para configurar los primeros
contactos conductores eléctricos se elimina por corrosión, sin
máscara y de forma selectiva, desde las zonas de la superficie
semiconductora, las cuales discurren fuera de la superficie en forma
de
flanco.
flanco.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque el material conductor eléctrico se
aplica por metalización (PVD) típica al vacío con un ángulo
\alpha respecto al plano descrito por la superficie del sustrato,
donde 90º > \alpha > 0º, preferiblemente
30º > \alpha > 1º.
30º > \alpha > 1º.
14. Procedimiento según la reivindicación 12 ó
13, caracterizado porque el material conductor eléctrico
para configurar un contacto aislante de metal (contacto MIS) se
aplica en una capa aislante de túnel que se encuentra en la
superficie semiconductora, porque la superficie semiconductora para
configurar las depresiones que presentan las zonas en forma de
flancos se trata por medio de elementos mecánicos de estructuración
movidos, mediante rayo láser o mediante técnicas de grabado por
corrosión.
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