ES2322383T3 - Estructura de celula solar con contctos posteriores y coleccion de corriente por efecto transistor y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents
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Abstract
La estructura de célula solar está compuesta por un substrato bae, una cara frontal sobre la cual incide la luz y una cara posteior en la que se disponen todos los contactos eléctricos y que clecta los portadores fotogenerados en su cara frontal. El substrto base presenta zonas adelgazadas o de espesor reducido en las uales se constituyen transistores bipolares que transportan los ortadores fotogenerados en su cara frontal hasta la cara posterir. Cuando los substratos son de tipo p, los transistores bipolars son npn mientras que cuando los substratos son de tipo n los tansistores bipolares son pnp. Estas estructuras se pueden fabricr por métodos industriales compatible con técnicas serigráficas
Description
Estructura de célula solar con contactos
posteriores y colección de corriente por efecto transistor y
procedimiento para su fabricación.
El objeto de la invención es una célula solar
fotovoltaica y, en particular, una nueva estructura de célula solar
que posee todos sus contactos eléctricos en la cara posterior de la
célula, presentando una mayor fotocorriente y, consecuentemente,
una mayor eficiencia de conversión luz a electricidad, debido a la
desaparición de las sombras originadas por las metalizaciones de la
cara frontal.
La estructura de estas células facilitan su
interconexión para la formación de módulos fotovoltaicos, al
situarse todos sus contactos eléctricos en la cara posterior de la
célula.
Asimismo, se pueden conseguir; en base a las
células solares propuestas, módulos fotovoltaicos con una estética
mejorada, al quedar situadas todas las metalizaciones, contactos
eléctricos e interconexiones en la cara posterior de las células,
y, por tanto, ocultas desde el exterior del módulo.
Esta nueva estructura permiten también realizar
células solares para aplicaciones bajo luz concentrada, al no estar
limitadas por las pérdidas óhmicas originadas por las limitaciones
geométricas de la malla de contactos eléctricos.
Finalmente, las células solares objeto de la
invención pueden realizarse empleando materiales de baja calidad,
al estar favorecida la colección de corriente por un efecto
transistor, siendo su fabricación compatible con técnicas
industriales de bajo coste.
También es objeto de la presente invención el
método de fabricación, industrial, para la obtención de estas
células solares, como se menciona en la reivindicación 6.
Las células solares de silicio de contactos
posteriores han sido desarrolladas en el pasado, primero con
objetivos de obtener una alta eficiencia, beneficiándose de la
inexistencia de sombras en la cara frontal de las células, después
por simplificar su interconexión, abaratando la fabricación de los
módulos fotovoltaicos, al tiempo que se obtiene una mejora estética
en éstos, razón por la que su mercado se ha dirigido principalmente
hacia el sector de fachadas fotovoltaicas, muy exigente en la
estética de los proyectos.
En 1984, R. Swanson presenta la Célula Solar de
Contactos Puntuales, Point Contact Solar Cell, PCSC. Esta célula,
mejorada en su proceso de fabricación, es actualmente producida y
comercializada por la compañía SunPower de Sunnyvale, CA, EEUU.
El documento de los Estados Unidos M.A Green
et al., IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 46, nº
10, 1999 revela una célula solar de silicio con los contactos
posteriores.
La célula PCSC colecta toda la corriente
fotogenerada en la cara posterior de la célula, es decir, en la cara
en la que se sitúan los contactos eléctricos, lo cual presenta la
problemática de que los fotones, que entran en la célula a través
de su cara frontal, son absorbidos en unos pocos micrómetros desde
la superficie y los electrones de conducción, depositarios de la
energía de dichos fotones, deben recorrer una distancia apreciable
hasta ser colectados en la cara posterior de la célula y, por tanto,
ser convertidos en corriente eléctrica útil, capaz de circular por
un circuito eléctrico externo a la célula solar. Por tanto, existe
una alta probabilidad de que estos electrones, en su camino hacia
la cara posterior de la célula, cedan su energía a alguno de los
múltiples mecanismos que existen en el interior de los
semiconductores, disminuyendo la magnitud de la corriente eléctrica
generada.
Los mecanismos de cesión de energía están
asociados a la pureza y calidad del material semiconductor empleado,
motivo por el cual estas células PCSC se fabrican empleando silicio
de muy alta calidad, crecido mediante la técnica de Zona Flotante
(Floating Zone, FZ) lo que, unido a las especiales condiciones de
pureza y limpieza empleadas en su fabricación, convierte a la
célula PCSC en una célula de muy alta eficiencia (más del 20%),
pero también de un elevado coste.
Por ello, las células PCSC se dirigen
actualmente hacia mercados muy específicos, como por ejemplo en la
fabricación de aeroplanos fotovoltaicos, o sistemas fotovoltaicos
de muy alta eficiencia que trabajan bajo luz concentrada.
En 1993, J. Gee, de los laboratorios SANDIA, NM,
EE.UU, presenta la célula Emitter Wrap Through, EWT. En esta
estructura todos los contactos eléctricos, al igual que en la célula
PCSC, se sitúan sobre la cara posterior de la célula. Sin embargo,
en esta célula la mayor cantidad de corriente es colectada por la
cara frontal, próxima a la región en que son absorbidos los
fotones, lo que posibilita altas eficiencias de conversión incluso
empleando substratos de calidades inferiores.
Para la extracción de la corriente a través de
los contactos eléctricos de la cara posterior, se hace necesario
construir un camino eléctrico que conecte las caras frontal y
posterior realizándose una serie de taladros, mediante láser, que
forman orificios que conectan la región tipo n (dopada con fósforo)
de la cara frontal con las regiones tipo n de la cara posterior, en
las que se sitúan los contactos eléctricos del polo negativo de la
célula solar.
Para realizar la conexión eléctrica entre la
cara frontal y posterior, los orificios se difunden con fósforo
para crear un camino continuo, tipo n, entre ambas caras. El
substrato o material sobre el que se construye la estructura de la
célula, es del tipo p, contrario a las conexiones eléctricas
realizadas entre caras, lo que fuerza a que la principal unión pn,
en la que se produce la mayor colección de corriente, se sitúe en
la cara frontal de la célula.
La célula EWT requiere del empleo de un láser
para la realización de una multitud de orificios y además, a este
proceso de agujereado deben seguir otros de eliminación química de
zonas dañadas y difusión de los agujeros. En muchas ocasiones se
recurre a la fotolitografía para la definición de la compleja
geometría de la cara posterior. Así, deben existir regiones tipo n
bajo los orificios difundidos del mismo tipo, así como regiones
tipo p contactando el grueso del substrato o base de la célula
solar.
Por estos motivos, la célula EWT es muy adecuada
para fabricar células de contacto posterior pero su fabricación es
compleja y la realización del número de orificios necesarios
encarece su realización.
También se conocen otro tipo de estructuras
destinadas a simplificar la fabricación de las células de contacto
posteriores, con colección de corriente en su cara frontal, como en
el caso de la célula EWT pero que requieren un menor número de
orificios para el paso de la corriente como por ejemplo las
denominadas MWA (Metallization Wrap Around) y MWT (Metallization
Wrap Through) que incorporan una fina rejilla de metalización en su
cara frontal.
En estas estructuras, la corriente es colectada
en la cara frontal y dirigida hacia la rejilla metálica, al igual
que sucede en las células convencionales pero, las líneas colectoras
de corriente, en las que se soldarán las tiras de interconexión
entre células, se sitúan sólo sobre la cara posterior de la célula.
La corriente es traspasada desde la superficie frontal hasta la
posterior mediante un anillo metálico situado en la periferia de la
célula, en el caso de la célula MWA, o bien mediante orificios que
contactarán la rejilla metálica frontal con las líneas colectoras
posteriores, en el caso de las células MWT. En este último caso, los
orificios suelen estar metalizados, lo que complica su proceso de
fabricación. En la estructura MWT la corriente es guiada a través
de la superficie frontal mediante las líneas de la rejilla metálica,
por lo que las pérdidas óhmicas pueden ser muy reducidas. Además,
el hecho de que los orificios de transvase de corriente se hallen
metalizados contribuye así mismo a reducir dichas pérdidas, lo que
permite utilizar un reducido número de orificios.
La presente invención se refiere a una
estructura para una célula solar de contactos posteriores y bajo
coste.
La estructura propuesta, al igual que las
estructuras EWT, MWT, y MWA, colecta la corriente fotogenerada, en
su cara frontal, empleando para su transporte hasta la cara
posterior múltiples transistores bipolares que, en el caso de
emplear substratos tipo p serán del tipo npn.
Para que el transporte de corriente se realice
de una manera efectiva, se reduce notablemente el espesor de la
región de base, de tal manera que los transistores bipolares
presenten una elevada ganancia de corriente.
Con el empleo de los substratos de silicio
multicristalino actualmente disponibles, con un espesor de 50
micrómetros, se pueden conseguir colecciones de corriente
superiores al 95%.
Los transistores bipolares integrados en la
estructura de la célula solar, objeto de la invención, tienen la
misma función que los orificios realizados en las células con
estructura EWT pero con la particularidad de que pueden extenderse
sobre una superficie mayor de la oblea, reduciéndose las pérdidas
óhmicas originadas en las células EWT y MWT ya que, en estas
estructuras, el área total de los orificios origina una disminución
en la superficie de célula ópticamente activa de la célula y por
tanto unas pérdidas de fotocorriente generada.
En el caso de la estructura objeto de la
invención, no existe ninguna merma en la superficie activa de la
célula solar y, por tanto, es posible extender el área de transistor
a la práctica totalidad de la célula solar.
En la nueva estructura propuesta, que en
adelante denominaremos TWT (Transistor Wrap Through), los
transistores bipolares, de espesor muy reducido, están adyacentes a
porciones de célula solar de un espesor muy superior. Estas zonas o
regiones de mayor espesor y que denominaremos gruesas por
contraposición a las áreas ocupadas por transistores, se encargan
de proveer a la célula solar de la rigidez mecánica necesaria para
su fabricación en entornos industriales.
Los contactos eléctricos, todos ellos situados
en la cara posterior de la célula, se realizan sobre las regiones
gruesas pero, en el caso de substratos tipo p y transistores npn,
los correspondientes al terminal negativo pueden realizarse sobre
los mismos transistores, en un proceso de fabricación más
simple.
La figura 1 muestra de forma esquemática el
principio de funcionamiento de la estructura de célula TWT, objeto
de la invención.
La figura 2 muestra una estructura de célula
solar según el objeto de la invención en la cual los contactos
eléctricos del polo positivo se sitúan sobre las zonas gruesas de la
célula, mientras que los contactos del polo negativo se disponen en
las regiones adelgazadas de la base del substrato.
La figura 3 muestra una estructura de célula
solar según el objeto de la invención, en la cual, tanto el contacto
eléctrico del polo positivo como el del negativo se disponen sobre
zonas gruesas de la célula.
La figura 4 muestra de forma esquemática el
proceso de fabricación de una estructura celular TWT, según la
realización mostrada en la figura 1.
La figura 5 muestra de forma esquemática el
proceso de fabricación de una estructura celular TWT, según la
realización mostrada en la figura 2.
Esta invención refiere una nueva estructura de
célula solar en la que ambos contactos metálicos, que conforman los
electrodos positivo y negativo del dispositivo, se sitúan en la cara
posterior de la célula, entendiendo por cara frontal, opuesta a la
cara posterior, aquella cara del dispositivo que se enfrenta a la
radiación solar para su absorción y su posterior conversión a
electricidad.
La estructura TWT que propone la invención está
compuesta por una base o substrato que puede estar constituido por
silicio, bien tipo p o tipo n. La base de la célula estará limitada
en ambas caras por emisores, o regiones altamente dopadas, del tipo
opuesto al de base, esto es, emisores tipo n para bases tipo p o
emisores tipo p para bases tipo n.
En regiones seleccionadas de la cara posterior
se realizarán emisores del mismo tipo que la base, por ejemplo
emisores tipo p para bases tipo p, para facilitar el contacto
eléctrico de ésta.
La región de base llevará estrechamientos,
realizados por algún proceso de adelgazamiento, que aproximarán a
los emisores de ambas caras creando un transistor bipolar efectivo,
tipo npn para bases tipo p o tipo pnp para bases tipo n. Este
transistor realizará un transporte efectivo, hacia el emisor de la
cara posterior, de la corriente de portadores mayoritarios
colectada por el emisor frontal. La colección de portadores
mayoritarios por el emisor frontal, que serán los portadores
minoritarios de base, garantiza una elevada colección de
fotocorriente. La construcción de transistores muy efectivos,
basados en regiones de base muy estrechas, garantiza una buena
conducción de la corriente hacia los contactos metálicos y el
circuito eléctrico exterior.
La figura 1 muestra el principio de
funcionamiento de la estructura de célula TWT objeto de la
invención. La luz entra en el dispositivo a través de su cara
frontal y será absorbida en las proximidades de ésta. La cara
frontal de la célula incorpora una unión pn, capaz de colectar la
corriente fotogenerada, cuya parte fundamental corresponde a la
corriente de electrones, en el caso de bases tipo p, generada en la
base de la célula. Esta corriente recorrerá la superficie frontal
de la célula a través de su emisor tipo n hasta llegar a un
estrechamiento de la base, en el cual el transistor bipolar asociado
la transportará hasta el emisor tipo n situado en la cara posterior
de la célula y de ahí la corriente de electrones recorrerá
superficialmente el emisor tipo n de la cara posterior hasta
alcanzar un contacto metálico, a través del cual será suministrada
al circuito exterior.
Las figuras 2 y 3 muestran dos posibles
realizaciones de la estructura TWT objeto de la invención. En ambas
realizaciones, puede observarse que todos los contactos eléctricos,
tanto positivos como negativos, se sitúan en la cara posterior de
la célula, que coincide con la parte inferior de la célula. Entre
ambas caras frontal y posterior se realizan estrechamientos,
representados en la parte central de las figuras, y obtenidos por
adelgazamiento de su cara posterior, aunque también podrían estar
situados en zonas diferentes u obtenerse por adelgazamiento de la
cara frontal de la célula.
Los estrechamientos generan transistores npn,
para las estructuras mostradas en las figuras, es decir, con
substratos tipo p y generarían transistores pnp para el caso de
bases tipo n flanqueadas por emisiones tipo p, situados en cada
cara de la oblea.
La estructura de célula de la figura 2 usa las
regiones adelgazadas de base para colocar en ellas los contactos
eléctricos del polo negativo de la célula solar, mientras que los
electrodos que conforman el polo positivo se sitúan sobre las zonas
gruesas de la célula.
La célula de la figura 3 presenta los dos
contactos eléctricos, el positivo y el negativo, sobre zonas gruesas
de la célula. En este caso, la corriente eléctrica debida a los
electrones debe recorrer una mayor porción del emisor tipo n
posterior, por lo que su contribución a las pérdidas óhmicas será
mayor que en la célula de la figura 2.
Por el contrario, la realización de ambos
contactos sobre regiones gruesas facilitará la fabricación
industrial de estos contactos y su posterior encintado con tiras de
cobre, necesario para el interconexionado de células.
La fabricación de ambas estructuras puede
hacerse mediante técnicas consideradas como industriales,
fundamentalmente por su capacidad de ser implementadas sobre
grandes lotes de células.
A continuación, se incluyen unos ejemplos de
fabricación, representados en las figuras 4 y 5 que permiten
obtener estructuras de célula como las mostradas en las figuras 2 y
3.
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Ejemplo
1
Para la fabricación de la célula de la figura 1,
el proceso de fabricación a seguir puede ser el que se detalla a
continuación:
- a)
- La oblea de partida, tipo p en este caso, se limpia y adelgaza en un baño químico hasta que desaparezcan las trazas de grietas y microgrietas que han podido ser generadas o inducidas en procesos anteriores, como el de aserrado del lingote. La oblea se oxida en un horno a elevada temperatura y en ambiente de oxígeno o de vapor de agua o bien combinado de ambos, ya sea mediante burbujeo de gas en un matraz con agua o por recombinación de oxígeno e hidrógeno. Se obtendrá con ello una estructura como la representada en la figura 4.a.
- b)
- Con un proceso fotolitográfico o serigráfico se enmascaran pequeñas porciones de la cara posterior de la célula que constituirán las regiones gruesas de la célula, con ventanas para la introducción de la difusión tipo p. Se elimina el óxido de silicio no cubierto por el enmascarante obteniéndose una estructura como la representada en la figura 4.b.
- c)
- Se deposita selectivamente una capa de aluminio. Debido a que las dimensiones más críticas en esta estructura, ancho de las líneas de óxido y tamaño de las ventanas, pueden ser superiores a 200 micrómetros, no se precisarán precisiones de alineación mejores que +/-100 micrómetros, pudiendo emplearse la serigrafía para la deposición de estas capas de aluminio. Un proceso de alta temperatura, en el entrono de 800 a 1100ºC producirá una difusión del aluminio hacia el interior del silicio, creándose las regiones p+. Tras este proceso se habrá obtenido la estructura representada en la figura 4.c.
- d)
- Mediante un ataque químico se adelgazará la base de la célula por las regiones no protegidas por el óxido de silicio, finalizándose con un ataque anisotrópico, creándose la estructura representada en la figura 4.d.
- e)
- Una difusión de fósforo en ambiente de vapor de oxicloruro de fósforo, por ejemplo, creará emisores tipo n sobre todas las superficies no cubiertas por el óxido o por el aluminio, lo que da origen a los emisores frontal y posterior que originarán los transistores npn en las regiones estrechas de base. La estructura de la célula será como la que se indica en la figura 4.e.
- f)
- Una deposición de capas pasivadoras de las superficies y de capas antirreflectantes sobre la cara frontal de la célula aumentará la eficiencia de ésta. Por último, una serigrafía de plata creará el contacto negativo de la célula. Esta serigrafía puede extenderse, simultáneamente, sobre los depósitos de aluminio que recubren los emisores tipo p. La plata situada sobre ellos facilitará su soldadura y por tanto la conexión de las cintas de cobre empleadas en la interconexión de células. Se habrá llegado a la estructura de la figura 4.f, estando ya finalizada la célula solar.
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Ejemplo
2
Para la fabricación de la célula de la figura 2,
el proceso de fabricación a seguir puede ser el que se detalla a
continuación:
- a)
- La oblea de partida, tipo p en este caso, se limpia y adelgaza en un baño químico hasta que desaparezcan las trazas de grietas y microgrietas que han podido ser generadas o inducidas en procesos anteriores, como el de aserrado del lingote. La oblea se difunde con fósforo en un horno de alta temperatura, en la banda de los 800 a 1000ºC y en ambiente de oxicloruro de fósforo. La oblea se oxida en un horno a elevada temperatura y en ambiente de oxígeno o de vapor de agua o bien combinado de ambos, ya sea mediante burbujeo de gas en un matraz con agua o por recombinación de oxígeno e hidrógeno. Se obtendrá con ello una estructura como la representada en la figura 5.a.
- b)
- Con un proceso fotolitográfico o serigráfico se enmascaran pequeñas porciones de la cara posterior de la célula que constituirán las regiones gruesas de la célula, con ventanas para la introducción de la difusión tipo p. Se elimina el óxido de silicio no cubierto por el enmascarante obteniéndose una estructura como la representada en la figura 5.b.
- c)
- Se deposita selectivamente una capa de aluminio. Debido a que las dimensiones más críticas en esta estructura, ancho de las líneas de óxido y tamaño de las ventanas, pueden ser superiores a 200 micrómetros, no se precisarán precisiones de alineación mejores que +/-100 micrómetros, pudiendo emplearse la serigrafía para la deposición de estas capas de aluminio. Un proceso de alta temperatura, en el entrono de 800 a 1100ºC producirá una difusión del aluminio hacia el interior del silicio, creándose las regiones p+. Tras este proceso se habrá obtenido la estructura representada en la figura 5.c.
- d)
- Mediante un ataque químico se adelgazará la base de la célula por las regiones no protegidas por el óxido de silicio, finalizándose con un ataque anisotrópico, creándose la estructura representada en la figura 5.d.
- e)
- Una difusión de fósforo en ambiente de vapor de oxicloruro de fósforo, por ejemplo, creará emisores tipo n sobre todas las superficies no cubiertas por el óxido o por el aluminio, lo que da origen a los emisores frontal y posterior que originarán los transistores npn en las regiones estrechas de base. La estructura de la célula será como la que se indica en la figura 5.e.
- f)
- Una deposición de capas pasivadoras de las superficies y de capas antirreflectantes sobre la cara frontal de la célula aumentará la eficiencia de ésta. Por último, una serigrafía de plata creará el contacto negativo de la célula. Esta serigrafía puede extenderse, simultáneamente, sobre los depósitos de aluminio que recubren los emisores tipo p. La plata situada sobre ellos facilitará su soldadura y por tanto la conexión de las cintas de cobre empleadas en la interconexión de células. Se habrá llegado a la estructura de la figura 5.f, estando ya finalizada la célula solar.
Claims (8)
1. Una estructura de célula solar compuesta por
un substrato base, una cara frontal sobre la cual incide la luz y
una cara posterior en la que se disponen todos los contactos
eléctricos y que colecta los portadores fotogenerados en su cara
frontal, caracterizada porque el substrato base presenta
zonas adelgazadas o de espesor reducido en las cuales se
constituyen transistores bipolares que transportan los portadores
fotogenerados en su cara frontal hasta la cara posterior,
constituyéndose transistores bipolares npn para substratos base
tipo p y transistores bipolares pnp para los sustratos bases tipo
n.
2. Estructura de célula solar según
reivindicación 1, caracterizada porque incorpora numerosos
transistores bipolares que se extienden sobre la práctica totalidad
de la célula solar, quedando unas pocas zonas gruesas, es decir,
sin adelgazamiento, que proporcionan a la célula la rigidez mecánica
necesaria para su fabricación por métodos industriales.
3. Estructura de célula solar según
reivindicación 1, caracterizada porque el substrato base es
silicio multicristalino y las regiones adelgazadas presentan un
espesor no inferior a 50 micrómetros.
4. Estructura de célula solar, según
reivindicación 1, caracterizada porque los contactos
eléctricos correspondientes al emisor o al colector del transistor
bipolar, esto es, el terminal negativo para transistores npn y el
positivo para los pnp, se sitúa sobre la región adelgazada de la
célula solar.
5. Estructura de célula solar, según
reivindicación 1, caracterizada porque tanto los contactos
eléctricos correspondientes al polo positivo, como los del polo
negativo se sitúan sobre las regiones gruesas de la célula solar,
facilitando la interconexión eléctrica de células solares.
6. Un método de fabricación de una estructura de
célula solar que comprende la etapa de proporcionar un sustrato
base que tiene un lado frontal para recibir la luz y un lado
posterior sobre el cual se disponen los contactos eléctricos y que
colectan los portadores fotogenerados en dicho lado frontal,
caracterizado porque el método comprende, además, las etapas
de conformar al menos una zona adelgazada o zona de espesor reducido
en dicho sustrato base, y conformar transistores bipolares en dicha
zona adelgazada del sustrato base, estando dichos transistores
bipolares configurados para transportar los portadores fotogenerados
sobre el lado frontal hacia el lado posterior, siendo dichos
transistores bipolares transistores npn para sustratos base de tipo
p, y transistores bipolares pnp para sustratos base de tipo n.
7. Un proceso de fabricación de una estructura
de célula solar con contactos posteriores según la reivindicación
6, caracterizado porque, cuando se emplean substratos de
silicio tipo p, incluye las siguientes fases:
- a)
- una oxidación de las superficies del substrato,
- b)
- una eliminación selectiva del óxido mediante enmascarado por fotolitografía o por serigrafía y una posterior eliminación química del óxido no recubierto por la máscara,
- c)
- una deposición de una película de aluminio, por evaporación o por serigrafía, que deberá ser alineada con las ventanas practicadas en el óxido y una posterior difusión del aluminio depositado, creando una región de silicio rico en aluminio,
- d)
- un ataque químico y posterior texturado de las superficies no cubiertas por el óxido o por el aluminio,
- e)
- una difusión de fósforo de todas las superficies no cubiertas por el óxido de silicio o por el aluminio y
- f)
- un depósito de metal para los contactos eléctricos positivo y negativo, pudiendo emplearse plata depositada serigráficamente.
8. Un proceso de fabricación de una estructura
de célula solar con contactos posteriores, según reivindicación 7,
caracterizado porque previamente a la oxidación de las
superficies del substrato (a) se produce una difusión de fósforo de
las citadas superficies del substrato.
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