ES2324013A1 - Metodo para la fabricacion de una celula solar de silicio de banda intermedia. - Google Patents
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Abstract
Método para la fabricación de una célula solar
de silicio de banda intermedia.
Es posible crear materiales de banda intermedia
en silicio mediante la implantación iónica en dosis elevadas de
elementos que produzcan centros profundos en el silicio. Sin
embargo, el material de banda intermedia (4) se crea en la
superficie de la oblea implantada (7) planteándose una dificultad
técnica ya que, para fabricar una célula solar completa, resulta
necesario envolver este material de banda intermedia entre un
semiconductor de tipo p (5) y otro de tipo n (6) utilizando un
proceso de baja temperatura que evite la segregación y formación de
clústeres del elemento implantado. En esta patente, esta dificultad
se resuelve creando la estructura p n mediante la deposición de
capas de silicio amorfo hidrogenado de calidad a baja
temperatura.
Description
Método para la fabricación de una célula solar
de silicio de banda intermedia.
Células solares, industria fotovoltaica, energía
solar.
Las células solares de banda intermedia están
basadas en los denominados materiales de banda intermedia (Fig. 1).
Éstos se asemejan a un material semiconductor pero incluyen una
banda electrónica (1) adicional a la banda de conducción (2) y de
valencia (3) situada dentro de la banda tradicionalmente prohibida
del semiconductor. Es por ello que esta banda se denomina
"intermedia". Como se detalla en la Patente WO0077829 (Célula
solar fotovoltaica de semiconductor de anda intermedia) incluyendo
este material de banda intermedia (4) entre dos semiconductores
convencionales, uno de tipo p (5) y otro de tipo n (6), se fabrica
una célula solar de banda intermedia (Fig. 2). La célula solar de
banda intermedia tiene unas prestaciones superiores a las de las
células solares convencionales de un solo gap ya que, gracias a la
banda intermedia es posible absorber fotones de energía inferior a
la del gap del semiconductor. La absorción adicional (Fig. 1) se
realizaría mediante la absorción de fotones que como (12) provocan
transiciones de la banda de valencia (3) a la banda intermedia (1) y
de fotones que como (13) provocan transiciones de la banda
intermedia (1) a la de conducción (2). En la célula solar de banda
intermedia, esta absorción adicional se traduce en una mayor
corriente eléctrica, sin pérdida importante de voltaje, y por ende
en una mayor
eficiencia.
eficiencia.
Para la fabricación de materiales de banda
intermedia, en la patente ES2276624 (Método para la supresión de la
recombinación no radiativa en materiales dopados con centros
profundos) se ha propuesto la inserción en altas concentraciones
(típicamente por encima de 6\times10^{19} cm^{-3}) de
cualquier elemento que produzca un centro profundo en un
semiconductor. La implantación iónica consigue introducir en altas
concentraciones el elemento deseado, con frecuencia por encima del
límite de solubilidad del elemento en el semiconductor, siendo por
ello una tecnología capaz de alcanzar las altas concentraciones de
impurezas requeridas. Sin embargo, el uso de la implantación iónica
produce un material de banda intermedia únicamente en la superficie
del semiconductor implantado.
La situación anterior plantea una dificultad
tecnológica, a saber, la de completar el proceso de fabricación
para dar lugar a una célula solar de banda intermedia que incluya
capas p y n (emisores) de semiconductor convencional rodeando esta
capa. La dificultad tecnológica viene derivada por el hecho de que,
una vez creado este material, cualquier tratamiento tecnológico
posterior que lleve a la fabricación de un dispositivo completo,
debe prevenir que la alta concentración de impurezas conseguida no
se destruya, por ejemplo, al incluir posteriormente tratamientos
térmicos que provoquen la segregación de la impurezas o la
formación de clústeres del elemento implantado.
Esta patente idea un método por el cual es
posible completar la estructura que es necesaria para obtener una
célula solar de banda intermedia a partir de una capa de material
de banda intermedia fabricado por implantación iónica.
El método propuesto consiste en que el material
de banda intermedia se fabrica por implantación iónica de titanio
en un substrato de silicio cristalino. La implantación iónica del
titanio se puede sustituir por un elemento que da lugar a un centro
profundo en el silicio situado a más de 0.1 eV de la banda de
conducción y de la banda de valencia contados hacia el centro del
gap.
El material del emisor frontal que recubre la
capa de titanio es silicio amorfo hidrogenado dopado
(a-Si:H) y el material del emisor posterior que
recubre la capa de titanio también es silicio amorfo hidrogenado
con un dopaje de tipo contrario al del emisor. Las capas de silicio
amorfo hiderogenado se depositan por PECVD (Plasma Enhanced
Chemical Vapor Deposition) o por HWCVD (Hot Wire Chemical Vapour
Deposition).
Entre la capa de material de banda intermedia y
el emisor frontal se incluye una capa de silicio amorfo hidrogenado
no dopado.
El emisor posterior se separa del substrato de
silicio cristalino por una capa de silicio amorfo hidrogenado.
En todos los casos la temperatura de trabajo del
substrato es inferior a 250ºC.
Figura 1. Diagrama de bandas simplificado de un
material de banda intermedia.
Figura 2. Estructura básica de una célula solar
de banda intermedia.
Figura 3. Ilustración del proceso de fabricación
de la célula solar de banda intermedia. Estructura después de
realizar el proceso de implantación iónica.
Figura 4. Ilustración del proceso de fabricación
de la célula solar de banda intermedia. Estructura después de la
deposición de la capa frontal de silicio amorfo hidrogenado.
Figura 5. Ilustración del proceso de fabricación
de la célula solar de banda intermedia. Estructura después de la
deposición de la capa frontal y posterior de silicio amorfo
hidrogenado.
Figura 6. Estructura de la célula solar de banda
intermedia fabricada por implantación fónica de Ti y deposición de
emisores de silicio amorfo hidrogenado.
Se parte de una oblea de silicio cristalino de
alta resistividad de tipo n (10 \Omegacm) de tipo Cz ó FZ y
orientación <1,0,0>. La oblea se adelgaza hasta 250 \mum
utilizando NaOH al 28% y textura por uno de los lados. Para ello se
ponen dos obleas con las caras enfrentadas antes de sumergirlas en
el ataque químico texturizante que consiste en una disolución al 2%
de NaOH en 2 propanol a 25ºC durante 1 hr. El propósito del
texturado es proporcionar un atrapamiento de luz en el volumen de
la célula con el fin de que ésta pase varias veces por el material
de banda intermedia facilitando la absorción en éste de luz de
energía por debajo del gap. La elección preferente de una oblea de
alta resistividad viene motivada con el fin de disminuir la
absorción por electrones libres durante el proceso de atrapamiento
de luz de la célula con el fin de que los fotones de energía
inferior a la del gap no sean absorbidos por estos electrones libres
sino por las transiciones ópticas que involucran a la banda
intermedia pero también pueden utilizarse obleas de baja
resistividad. Por otro lado, al colocarse las obleas con sus caras
enfrentadas se evita que el ataque químico penetre en las caras que
se encuentran enfrentadas. A continuación se limpian las obleas
utilizando un ataque RCA2 consistente en una disolución 6:1:1
H_{2}O:HCl:H_{2}O_{2} calentado a 80ºC durante 3 minutos y
después en H_{2}SO_{4}/H_{2}O_{2} (1 minuto a 25ºC) seguido
de un baño en HF (1 minuto a 25ºC). Otros ataques químicos como el
denominado CP, consistente en 300 HNO_{3}, 100 CH_{3}COOH y 40
mL HF pueden usarse también en el proceso de limpieza.
A continuación las obleas se introducen en el
implantador iónico implantándose Ti a una dosis de 1x10^{15} a
1x10^{16} cm^{-2} por la cara que no se encuentra texturada.
Esta elección preferente de la cara de la oblea no texturada frente
a la texturada viene determinada por el hecho de ofrecer al
implantador una dirección cristalina conocida con el fin de
asegurar un mayor control del proceso de implantación. Sin embargo,
también pueden usarse obleas que hayan sido texturadas por ambos
lados ahorrándose el paso de enfrentamiento de una cara de la
célula frente a la otra durante el proceso de texturado a costa de
un sacrificio en este control. Como fuente de Ti, en el implantador
se utiliza TiCl_{4}. La energía de implantación es de
20-35 keV. Este proceso produce una implantación de
átomos de Ti en la mayor parte de la superficie de la oblea de
silicio superior a 10^{20} cm^{-3} hasta una profundidad de
unas 0.1 \mum. Esta concentración, que se encuentra por encima
del límite de solubilidad del Ti en silicio, es suficiente para
producir el material de banda intermedia. A continuación, con el
fin de mejorar la calidad cristalina de la capa implantada, la
superficie de la oblea se somete a un proceso pulsado de aleado
laser (PLM). Este proceso consistente en el barrido de la superficie
implantada de la oblea mediante un laser de excímero (KrF) de 248
nm de longitud de onda pulsado durante 20 ns y con una densidad de
energía de hasta 1 J/cm^{2}. La corta duración del pulso provoca
una recristalización del blanco sin que tenga lugar una
redistribución importante de las impurezas implantadas. Al
finalizar este proceso se habrá creado un material de banda
intermedia (4) en la superficie de la oblea (7) con la banda
intermedia situada a unos 0.3 eV de la banda de conducción del
silicio (Fig. 3).
A continuación las obleas se introducen en el
sistema de PECVD con el fin de depositar en primer lugar una capa
de 1 a 5 nm de silicio amorfo hidrogenado intrínseco (8) y a
continuación, otros 50 nm de silicio amorfo hidrogenado tipo p (5)
(figura 4). El propósito de la capa intrínseca es disminuir la
recombinación de la unión banda intermedia-silicio
tipo p. En el sistema de deposición de PECVD se utiliza una
radiofrecuencia de 13.54 MHz. La frecuencia también puede variarse a
40, 60 ó 75 MHz si su utiliza un sistema de alta frecuencia (VHF).
En lugar de una capa p, también puede depositarse una capa n. En
este caso, la deposición de la capa intrínseca ayudará a prevenir
también el paso de electrones desde la banda de conducción del
silicio amorfo tipo n a la banda intermedia por efecto túnel.
A continuación, en la cara posterior de la
célula (la texturada) se deposita otra capa de silicio amorfo
hidrogenado intrínseco (8) y una capa de silicio amorfo hidrogenado
de tipo n (6). En el caso de que en la cara frontal se hubiese
depositado silicio de tipo n, ahora, en la cara posterior se
depositaría de tipo p.
Finalmente, la estructura se completa
depositando en la cara frontal y posterior una capa de oxido
conductor transparente (TCO) (9) y los contactos metálicos. Estos se
realizan depositando una pasta serigráfica de plata que se recuece
a 180ºC. El contacto frontal (10) ha de tener forma de malla de
metalización a fin de que permita el paso de la luz hacia la
estructura de la célula. El contacto posterior (11) puede recubrir
completamente la cara posterior, pero es preferible que también
tenga forma de malla de metalización a fin de que la luz que llega
a esta superficie, y en particular la luz de energía inferior a la
del gap del silicio, tenga una alta probabilidad de sufrir una
reflexión interna total y dirigirse de nuevo hacia la zona de
material de banda intermedia (4).
Claims (5)
1. Método para la fabricación de una célula
solar de banda intermedia caracterizado porque el material
de banda intermedia se fabrica por implantación fónica de titanio
en un substrato de silicio cristalino y el material que se utiliza
para el emisor frontal que recubre la capa de titanio es silicio
amorfo hidrogenado dopado.
2. Método para la fabricación de una célula
solar de banda intermedia según la reivindicación (1)
caracterizado porque el material que se utiliza para el
emisor posterior que recubre la capa de titanio también es silicio
amorfo hidrogenado con un dopaje de tipo contrario al del
emisor.
3. Método para la fabricación de una célula
solar de banda intermedia según las reivindicaciones (1) ó (2)
caracterizado porque el material de banda intermedia se crea
por implantación fónica en la que el titanio se sustituye por un
elemento que da lugar a un centro profundo en el silicio situado a
más de 0.1 eV de la banda de conducción y de la banda de valencia
contados hacia el centro del gap.
4. Método para la fabricación de una célula
solar de banda intermedia según las reivindicaciones (1) ó (2) ó
(3) en la que entre la capa de material de banda intermedia y el
emisor frontal se incluye una capa de silicio amorfo hidrogenado no
dopado.
5. Método para la fabricación de una célula
solar de banda intermedia según las reivindicaciones (1) ó (2) ó
(3) ó (4) en el que emisor posterior está separado del substrato de
silicio cristalino por una capa de silicio amorfo hidrogenado.
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| Title |
|---|
| ANTOLIN, E., et al., Lifetime recovery in ultrahighly titanium- doped silicon for the implementation of an intermediate band material, Appl. Phys. Lett., publicado en línea 30.01.2009, vol. 94, 042115. * |
| GOETZBERGER, A., et al., Photovoltaic materials, history, status and outlook, Materials Science and Engineering, 2003, Vol. R40, páginas 1-46; páginas 30,31,40,41. * |
| GOETZBERGER, A., et al., Photovoltaic materials, history, status and outlook, Materials Science and Engineering, 2003, Vol.R40, páginas 1-46; páginas 30, 31, 40 y 41. * |
| OLEA, J., et al., Titanium doped silicon layers with very high concentration, J. Appl. Phys., 2008, Vol. 104, pág. 016105. * |
| OLEA, J., et al., Titanium doped silicon layers with very high concentration, J. Appl. Phys., 2008, Vol.104, pág. 016105. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2010094817A1 (es) | 2010-08-26 |
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