ES2336615T3 - Procedimiento de metalizacion de celulas fotovoltaicas de multiples recocidos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de metalización de al menos una célula fotovoltaica (100) que comprende un sustrato (102) a base de un semiconductor con un primer tipo de conductividad, una capa (104) dopada con un segundo tipo de conductividad realizado en el sustrato (102) y que forma una cara anterior del sustrato (102), una capa antirreflejo (106) realizada en la cara anterior del sustrato (102) y que forma una cara anterior (108) de la célula fotovoltaica (100), comprendiendo dicho procedimiento al menos las etapas de: a) realización de al menos una metalización (110) en la cara anterior (108) de la célula fotovoltaica (100), b) primer recocido de la célula fotovoltaica (100) a una temperatura entre aproximadamente 800ºC y 900ºC, c) realización de al menos una metalización (112) en la cara posterior del sustrato (102), d) segundo recocido de la célula fotovoltaica (100) a una temperatura entre aproximadamente 700ºC y 800ºC.
Description
Procedimiento de metalización de células
fotovoltaicas de múltiples recocidos.
La invención se refiere al campo de las células
fotovoltaicas y más en particular a un procedimiento de metalización
de células fotovoltaicas.
En las figuras 1A a 1E se representa un
procedimiento estándar usado para la producción industrial de una
célula fotovoltaica 20 a base de silicio cristalino (monocristalino
o multicristalino) de tipo P o N. Un sustrato 2 de tipo N o P
experimenta antes de nada una texturización de sus superficies por
el uso de una solución de hidróxido de potasio, que permite reducir
la reflexividad de estas superficies y obtener así un mejor
confinamiento óptico de los haces de entrada en el sustrato 2. Se
forma una capa 4 de tipo N+ en el sustrato 2 por difusión de
fósforo en todas las caras del sustrato 2 (figura 1A). A
continuación se deposita una capa antirreflejo 6 de nitruro de
silicio rica en hidrógeno (SiN- H) en la capa N+ 4 por deposición
química en fase de vapor asistida por plasma (PECVD), como se
representa en la figura 1B, formando una cara anterior 8 de la
célula fotovoltaica 20. Se forman metalizaciones de plata 10 y de
aluminio 12 por serigrafía respectivamente en la cara anterior 8 y
en la cara posterior del sustrato 2 (figura 1C). Finalmente, estas
metalizaciones 10, 12 experimentan un recocido en un horno de paso
infrarrojo, formando contactos 14 entre las metalizaciones
anteriores 10 y la capa N+ 4, así como una capa 16 a base de una
aleación de aluminio y de silicio, y una capa 18 de tipo P+ en el
sustrato 2, que viene a reemplazar una parte de la capa N+ 4 bajo la
metalización
posterior 12.
posterior 12.
Finalmente, como se representa en la figura 1E,
se suprimen las partes de la capa N+ 4 que unen la capa 18 a los
contactos 14, es decir, que unen eléctricamente las metalizaciones
10 de la cara anterior a la capa de metalización 12 de la cara
posterior. En la figura 1E, todos los elementos de la célula
fotovoltaica 20 que se encuentran en el lado exterior de los planos
AA y BB se suprimen, por ejemplo por láser, plasma, baño o
cualquier otro medio de grabado.
En el caso de un sustrato 2 de tipo P, la parte
de la capa N+ 4 restante y el sustrato 2 forman la unión PN de la
célula fotovoltaica 20. La capa P+ 18 permite la pasivación de la
cara posterior del sustrato 2 por un efecto de campo posterior
(BSF) que frena los portadores minoritarios, en este caso
electrones, en el sustrato 2. En el caso de un sustrato 2 de tipo
N, son la capa P+ 18 y el sustrato 2 las que forman la unión PN de
la célula fotovoltaica 20, y la capa N+ 4 realiza la pasivación de
la cara anterior del sustrato 2 por un efecto de campo anterior
(FSF) que frena los portadores minoritarios, en este caso huecos, en
el sustrato 2, contribuyendo la capa antirreflejo 6 asimismo a esta
pasivación. El documento "N-type multicrystalinoe
silicon for solar cells" de S. Martinuzzi y col., 20th EPSEC,
2005, Barcelona, páginas 631 a 634, describe una célula
fotovoltaica semejante, estando comprendida la temperatura de
recocido descrita entre 850ºC y 900ºC.
Durante el recocido, el hidrógeno migra en forma
de iones a partir de la capa antirreflejo 6 rica en hidrógeno
algunos micrómetros antes de formar hidrógeno molecular H_{2} cuya
difusión está limitada en el silicio del sustrato 2 y que no tiene
la propiedad, como los iones hidrógeno, de pasivar los defectos
cristalográficos y las impurezas. Ahora bien, durante la formación
de la capa en aleación 16, migran huecos en el sustrato 2 y
permiten la disociación de moléculas H_{2}, que permiten a los
iones hidrógeno difundirse mucho más profundamente en el sustrato
2, mejorando la duración de vida de los portadores en el sustrato 2
y así, mejorando igualmente el rendimiento de conversión de la
célula fotovoltaica 20. Además, esta capa de aleación 16 permite
mejorar la calidad del silicio del sustrato 2 por efecto de
adsorbente metálico atrapando las impurezas por un mecanismo de
segregación. Este fenómeno de hidrogenación durante el recocido es
descrito en el documento "Hydrogen passivation of defects in
multicrystalline silicon solar cells" de S. Martinuzzi y col.,
Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 80, páginas 343 a
353,
2003.
2003.
La difusión del hidrógeno en el sustrato 2 es
especialmente eficaz cuando las densidades de los defectos
cristalográficos extendidos, como las dislocaciones o las juntas de
macla, son importantes. La pasivación por hidrógeno es muy útil
cuando las concentraciones de impurezas, principalmente metálicas,
son importantes, por ejemplo en los materiales elaborados a partir
de cargas de mala calidad (cargas de silicio metalúrgico), o los
materiales ricos en dislocaciones como los obtenidos de coladas
continuas electromagnéticas o de arrastres en cinta. El documento
US 4.577.393 describe un procedimiento de metalización de al menos
una célula fotovoltaica.
El documento "Ribbon Si solar cells with
efficiencies over 18% by hydrogenation of defects", de D. S. Kim
y col., Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 90, páginas
1227 a 1240, 2006, describe un recocido de la cara posterior de una
célula fotovoltaica a una temperatura comprendida entre 700ºC y
800ºC en un horno de tipo RTP (rapid thermal processing en inglés,
o de tratamiento térmico rápido). En el ejemplo descrito, las
metalizaciones en la cara anterior se realizan por fotolitografía y
grabado de una capa antirreflejo, y evaporación de titanio, paladio
y plata. La célula obtenida ofrece un rendimiento ligeramente
superior al 18% con un sustrato multicristalino de silicio de tipo
P obtenido por arrastre en cintas pero el procedimiento propuesto
no es viable económicamente y difícilmente es trasladable a la
industria.
Un objeto de la presente invención es proponer
un procedimiento de metalización de células fotovoltaicas que
permita obtener células fotovoltaicas que tengan un rendimiento
mejor que las células realizadas según los procedimientos de la
técnica anterior descritos anteriormente, y que sea económicamente
viable en la industria.
Para esto, la presente invención propone un
procedimiento de metalización de al menos una célula fotovoltaica
que contiene un sustrato a base de semiconductor de un primer tipo
de conductividad, una capa dopada de un segundo tipo de
conductividad realizada en el sustrato y que forma una cara anterior
del sustrato, una capa antirreflejo realizada en la cara anterior
del sustrato y que forma una cara anterior de la célula
fotovoltaica, comprendiendo dicho procedimiento al menos las etapas
de:
- a)
- realización de al menos una metalización en la cara anterior de la célula fotovoltaica,
- b)
- primer recocido de la célula fotovoltaica a una temperatura comprendida entre aproximadamente 800ºC y 900ºC,
- c)
- realización de al menos una metalización en la cara posterior del sustrato,
- d)
- segundo recocido de la célula fotovoltaica a una temperatura comprendida entre aproximadamente 700ºC y 800ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
Así, se obtiene una mejor pasivación de las
impurezas y defectos cristalográficos en el sustrato de la célula
fotovoltaica durante la realización de las metalizaciones de la
célula fotovoltaica según el procedimiento objeto de la presente
invención que con los procedimientos de metalización de la técnica
anterior. Este procedimiento está así especialmente adaptado a la
realización de células fotovoltaicas que comprenden sustratos
obtenidos a partir de cargas de menor calidad y de materiales ricos
en dislocaciones, por ejemplo silicio obtenido de una colada
continua electromagnética y de un arrastre en cinta.
El procedimiento se aplica tanto para sustratos
de tipo N como de tipo P.
La presente invención se refiere igualmente a un
procedimiento de realización de al menos una célula fotovoltaica,
que comprende al menos las etapas de:
- -
- texturización de las superficies de un sustrato a base de semiconductor de un primer tipo de conductividad,
- -
- formación de una capa dopada de un segundo tipo de conductividad en el sustrato que forma una cara anterior del sustrato,
- -
- deposición de una capa antirreflejo en la cara anterior del sustrato, formando dicha capa una cara anterior de la célula fotovoltaica,
- -
- implementación de un procedimiento de metalización según se describe anteriormente, objeto igualmente de la presente invención,
- -
- supresión de al menos una parte de la capa dopada del segundo tipo de conductividad que une eléctricamente la metalización de la cara anterior a la metalización de la cara posterior de la célula fotovoltaica.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se comprenderá mejor con
la lectura de la descripción de ejemplos de realización dados a
título puramente indicativo y en ningún caso limitativo que hacen
referencia a los dibujos anexos en los que:
- las figuras 1A a 1E ya descritas representan
las etapas de un procedimiento de realización de una célula
fotovoltaica según la técnica anterior,
- las figuras 2A a 2E representan las etapas de
un procedimiento de realización de una célula fotovoltaica, objeto
de la presente invención, que comprenden metalizaciones realizadas
según un procedimiento objeto igualmente de la presente
invención.
Partes idénticas, similares o equivalentes de
las diferentes figuras descritas a continuación llevan las mismas
referencias numéricas de manera que se facilite el paso de una
figura a otra.
Las diferentes partes representadas en las
figuras no lo son necesariamente según una escala uniforme, para
hacer las figuras más legibles.
Las diferentes posibilidades (variantes y formas
de realización) deben comprenderse como no excluyentes unas de
otras y pueden combinarse entre sí.
Se hace referencia a las figuras 2A a 2E que
representan las etapas de un procedimiento de realización de una
célula fotovoltaica 100. Se describirá igualmente un procedimiento
de metalización de célula fotovoltaica 100 en relación con estas
figuras.
En la figura 2A se representa un sustrato 102 de
un primer tipo de conductividad, por ejemplo a base de silicio
multicristalino o monocristalino de tipo P. Para la realización de
la célula fotovoltaica 100, se realiza en primer lugar una
texturización de las superficies del sustrato 102 por el uso de una
solución de hidróxido de potasio. A continuación se forma una capa
104 dopada de un segundo tipo de conductividad, por ejemplo de tipo
N+, por difusión de fósforo en el sustrato 102. Esta capa 104 forma
sobre todo una cara anterior del sustrato 102 en la que se
deposita, por ejemplo por PECVD, una capa antirreflejo 106, por
ejemplo rica en hidrógeno y a base de nitruro de silicio o de
carburo de silicio, y que forma una cara anterior 108 de la célula
fotovoltaica 100. La unión PN de la célula fotovoltaica 100 está
formada por el sustrato 102 de tipo P y la capa N+ 104.
Puede implementarse una etapa de hidrogenación
del sustrato 102, por ejemplo por plasma, durante el procedimiento.
Esta etapa puede realizarse por ejemplo antes y/o después de la
deposición de la capa antirreflejo 106.
A continuación se describirá el procedimiento de
metalización de la célula fotovoltaica 100. Según se representa en
la figura 2A, se realizan metalizaciones 110, por ejemplo a base de
plata, por ejemplo por serigrafía en la cara anterior 108 de la
célula fotovoltaica 100. Las metalizaciones 110 pueden ser
igualmente a base de al menos otro metal distinto de la plata, y
formarse mediante otras técnicas como fotolitografía o impresión
.
A continuación se coloca la célula solar 100 por
ejemplo en un horno de paso infrarrojo para que experimente un
primer recocido. Este primer recocido se realiza a una temperatura
comprendida entre aproximadamente 800ºC y 900ºC, que forma así
contactos 114 entre las metalizaciones 110 y la capa N+ 104 (figura
2B). Durante este primer recocido, el hidrógeno migra en forma de
iones a partir de la capa antirreflejo 106 rica en hidrógeno en el
sustrato 102, realizando una pasivación de los defectos
cristalográficos y de las impurezas del sustrato 102. Este primer
recocido puede realizarse igualmente en un horno de recocido
clásico, o mediante otras técnicas de recocido conocidas. Por
ejemplo, este primer recocido se realiza a una temperatura igual a
aproximadamente 850ºC, en el curso de una duración comprendida
entre aproximadamente 1 segundo y 10 segundos.
A continuación se realiza una capa de
metalización 112, por ejemplo a base de aluminio, en la cara
posterior del sustrato 102 (véase la figura 2C). Esta capa de
metalización 112 puede realizarse por ejemplo por serigrafía, o
incluso por fotolitografía o impresión.
Se efectúa entonces un segundo recocido de la
célula fotovoltaica 100, por ejemplo en un horno de paso infrarrojo
a una temperatura comprendida entre aproximadamente 700ºC y 800ºC
(véase la figura 2D). Este segundo recocido permite una mejor
pasivación de los defectos y de las impurezas del sustrato 102 ya
que esta gama de temperaturas es más favorable a la formación de
uniones entre el hidrógeno y las impurezas o los defectos
cristalográficos que la gama de temperatura del primer recocido
(comprendida entre aproximadamente 800ºC y 900ºC), lo que permite
la disociación de moléculas H_{2} formadas por la migración de
iones hidrógeno obtenidos de la capa antirreflejo 106 en el
sustrato 102 y/o implantados en el sustrato 102 por una etapa de
hidrogenación del sustrato 102. Esta temperatura de segundo
recocido comprendida entre aproximadamente 700ºC y 800ºC constituye
un compromiso ideal entre la intensidad de la difusión de iones
hidrógeno y su capacidad para formar uniones con las impurezas o
los defectos en el sustrato 102. Este segundo recocido puede
realizarse igualmente en un horno de recocido clásico, o mediante
otras técnicas de recocido conocidas.
Este segundo recocido conlleva la formación de
una capa dopada P+ 118 en el sustrato 102 y la formación de una
capa 116 a base de una aleación de aluminio y de silicio, que viene
a sustituir a la capa N+ 104 en la metalización posterior 112. Para
los sustratos de tipo P, la capa dopada P+ 118 realiza la pasivación
de la cara posterior del sustrato 102 por un efecto de campo
posterior (BSF) que frena los portadores minoritarios en el
sustrato 102. Puede usarse igualmente un metal distinto de aluminio
para la realización de la capa de metalización 112. Este metal se
elegirá para poder obtener igualmente una capa dopada P+ 118. Este
segundo recocido puede optimizarse igualmente eligiendo una
temperatura de recocido igual a aproximadamente 770ºC en el curso
de una duración comprendida entre aproximadamente 1 segundo y 10
segundos, lo que permite sobre todo obtener una buena hidrogenación
del sustrato 102.
Finalmente, como se representa en la figura 2E,
se suprimen las partes de la capa N+ 104 que unen la capa 118 y los
contactos 114, es decir, que unen eléctricamente las metalizaciones
110 de la cara anterior a la capa de metalización 112 de la cara
posterior. En la figura 2E, todos los elementos de la célula
fotovoltaica 100 que se encuentran en el lado exterior de los
planos AA y BB son suprimidos, por ejemplo por láser, plasma, baño,
o cualquier otro medio de grabado.
\newpage
El procedimiento según la invención conviene
igualmente en particular a la realización de células fotovoltaicas
que comprenden sustratos de tipo N. En este caso, la capa dopada P+
118 desempeña el papel de emisor de la unión PN de la célula
fotovoltaica. La capa dopada N+ 104 realiza entonces la pasivación
de la cara anterior del sustrato 102 por un efecto de campo
anterior (FSF) que frena los portadores minoritarios en el sustrato
102, contribuyendo igualmente la capa antirreflejo 106 a esta
pasivación. Es igualmente posible que la capa dopada del segundo
tipo de conductividad 104 sea una capa dopada P+, obtenida por
ejemplo por difusión de boro en el sustrato 102.
Según una variante, es posible que la célula
fotovoltaica experimente un tercer recocido a baja temperatura, por
ejemplo comprendida entre aproximadamente 200ºC y 500ºC. Este tercer
recocido, que puede realizarse a presión ambiente, permite al
hidrógeno presente en el sustrato 102 formar uniones suplementarias
con defectos cristalográficos o impurezas presentes en el sustrato
102.
Claims (16)
1. Procedimiento de metalización de al menos una
célula fotovoltaica (100) que comprende un sustrato (102) a base de
un semiconductor con un primer tipo de conductividad, una capa (104)
dopada con un segundo tipo de conductividad realizado en el
sustrato (102) y que forma una cara anterior del sustrato (102), una
capa antirreflejo (106) realizada en la cara anterior del sustrato
(102) y que forma una cara anterior (108) de la célula fotovoltaica
(100), comprendiendo dicho procedimiento al menos las etapas de:
- a)
- realización de al menos una metalización (110) en la cara anterior (108) de la célula fotovoltaica (100),
- b)
- primer recocido de la célula fotovoltaica (100) a una temperatura entre aproximadamente 800ºC y 900ºC,
- c)
- realización de al menos una metalización (112) en la cara posterior del sustrato (102),
- d)
- segundo recocido de la célula fotovoltaica (100) a una temperatura entre aproximadamente 700ºC y 800ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
siendo la capa antirreflejo (106) rica en hidrógeno.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende además al menos una
etapa de hidrogenación del sustrato (102).
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende además, después de la
etapa d), una etapa de un tercer recocido de la célula fotovoltaica
(100) a una temperatura comprendida entre aproximadamente 200ºC y
500ºC.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, siendo la capa (104) dopada con el
segundo tipo de conductividad una capa dopada N+.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, siendo la capa antirreflejo (106) a
base de nitruro de silicio.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, siendo el sustrato (102) un sustrato a
base de silicio multicristalino.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, siendo la metalización (110) realizada
en la cara anterior (108) de la célula fotovoltaica (100) a base de
plata.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, siendo la metalización (112) realizada
en la cara posterior del sustrato (102) a base de aluminio.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, estando la metalización (110) en la
cara anterior y/o la metalización (112) en la cara posterior
realizada por serigrafía.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, realizándose la operación de recocido
primera y/o segunda en un horno de paso de infrarrojo.
12. Procedimiento de realización de al menos una
célula fotovoltaica (100), que comprende al menos las etapas
de:
- -
- texturización de las superficies de un sustrato (102) a base de un semiconductor de un primer tipo de conductividad,
- -
- formación de una capa (104) dopada con un segundo tipo de conductividad en el sustrato (102) formando una cara anterior del sustrato (102),
- -
- deposición de una capa (106) antirreflejo en la cara anterior del sustrato (102), formando dicha capa (106) una cara anterior (108) de la célula fotovoltaica (100),
- -
- implementación de un procedimiento para metalización según una de las reivindicaciones 1 a 11,
- -
- supresión de al menos una parte de la capa (104) dopada con el segundo tipo de conductividad que une eléctricamente la metalización (110) de la cara anterior (108) a la metalización (112) de la cara posterior de la célula fotovoltaica (100).
\vskip1.000000\baselineskip
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
realizándose la etapa de texturización con una solución a base de
hidróxido de potasio.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 12 ó 13, siendo la capa dopada con un segundo tipo
de conductividad (104) una capa dopada N+ formada por la difusión
de fósforo en el sustrato (102).
15. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 12 a 14, siendo la capa antirreflejo (106) una capa
a base de nitruro de silicio depositada por PECVD.
16. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 12 a 15, que comprende además al menos una etapa de
hidrogenación del sustrato (102) implementado antes y/o después de
la etapa de deposición de la capa antirreflejo (106).
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