ES2348488T3 - Procedimiento para la fabricación de celulas solares interinterconectadas en serie, así como dispositivo para realizar el procedimiento. - Google Patents

Procedimiento para la fabricación de celulas solares interinterconectadas en serie, así como dispositivo para realizar el procedimiento. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la fabricación de células solares interconectadas en serie, comprendiendo el procedimiento los pasos siguientes: - introducción de un sustrato (1) en por lo menos una cámara de precipitación, -precipitación en la cámara de precipitación de por lo menos una capa de material (2, 3, 4) sobre el sustrato o sobre una capa de material ya aplicada, caracterizado porque en la cámara de precipitación (12) se sitúa el sustrato sobre una superficie de asiento (15) abombada en la dirección hacia un dispositivo de precipitación (14) siendo el sustrato flexible y estando sometido a una tensión mecánica previa, o abombado de acuerdo con la superficie de asiento, y efectuando una estructuración de la capa aplicada mediante por lo menos un hilo tensado (13) que asienta con una fuerza definida contra el sustrato aplicado sobre la superficie de asiento abombada, y que apantalla la capa de material aplicada o el sustrato respecto al dispositivo de precipitación, estructurando de este modo la capa de material que se ha de aplicar.

Description

La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de células solares interconectadas en serie, comprendiendo el procedimiento la fase de introducir un sustrato en por lo menos una cámara de precipitación así como la precipitación de por lo menos una capa de material sobre el sustrato o sobre una capa de material ya aplicada en la cámara de precipitación.
Las células solares de capa delgada, en particular pero no exclusivamente a base de silicio amorfo, están compuestas de una serie de capas individuales, concretamente un sustrato y una capa de contacto posterior aplicada sobre este, una capa activa, inclusive eventuales capas tampón u otras capas necesarias y una capa de contacto frontal. Las distintas capas se estructuran después de la aplicación de la capa respectiva y en la medida en que esto sea necesario, por ejemplo mediante láser o por un procedimiento mecánico para obtener una subdivisión en distintas capas, y a continuación se aplica la capa siguiente. La capa subsiguiente tiene que estructurarse también igualmente. De este modo resulta para cada capa precipitada un proceso subsiguiente de estructuración.
Además del coste del proceso adicional que se requiere, los procesos de estructuración presentan los inconvenientes más diversos. Así por ejemplo la estructuración mediante una incisión mecánica puede dar lugar a la formación de virutas y grietas en la capa. Las virutas que sobresalgan pueden formar eventualmente una resistencia respecto a la célula o se pueden llegar a producir cortocircuitos entre el contacto frontal y el contacto posterior.
Al efectuar la estructuración mediante láser y debido al efecto del calor puede llegar a producirse una fusión de las distintas capas entre sí. Estas fusiones dan lugar a cortocircuitos en los cantos de corte o a resistencias en paralelo entre la capa de contacto frontal y la capa de contacto posterior. También es conocido el proceso de efectuar una conexión en serie de células solares de modo sencillo, separando las células inclusive el sustrato y efectuando a continuación una nueva unión de los contactos frontales con los contactos posteriores de la célula subsiguiente, mediante un pegado solapado con un adhesivo conductor, o mediante soldadura. Pero para poder realizar esta estructuración es preciso que el sustrato sea conductor. Según la calidad del pegamento y del proceso de pegado se produce una resistencia adicional.
Además de esto, los procedimientos antes citados solamente son adecuados condicionalmente para la fabricación subsiguiente por un procedimiento continuo o cuasi continuo. En particular es necesario que las distintas capas estén estructuradas antes de efectuar la precipitación de la capa subsiguiente. Si se interrumpe la secuencia de precipitación existe sin embargo el peligro de que las distintas capas reaccionen en la superficie con el aire ambiente.
Otro procedimiento para la estructuración de células solares interconectadas, en particular de módulos solares de capa delgada conectados en serie, se da a conocer en el documento DE 196 51 655 C21, donde está previsto que por lo menos las respectivas primeras capas semiconductoras de células contiguas tengan en sus zonas limítrofes un tramo común de transición consistente en el material aislante convertido de las primeras capas semiconductoras.
Una configuración de este tipo y en particular la interconexión efectuada de este modo sin embargo no son adecuadas para un proceso de fabricación continuo o cuasi continuo.
Por las patentes US, US-PS 4.677.738 B1 así como US-PS-6.258.408 B1 se conocen procedimientos continuos o cuasi continuos para la fabricación de células solares.
El documento US 6.273.955 B1 describe un procedimiento de fabricación para células solares.
Partiendo del estado de la técnica antes citado, el objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento y un dispositivo para la fabricación de módulos de células solares interconectados de forma integrada, que evite los inconvenientes de los métodos actuales y que al mismo tiempo proporcione un procedimiento de fabricación sencillo.
Con la invención se resuelve este objetivo mediante un procedimiento genérico en el que en la cámara de precipitación se aplica el sustrato sobre una superficie de asiento abombada en la dirección de un dispositivo de precipitación, estando el sustrato sometido a tensión mecánica previa o está abombado de acuerdo con la superficie de asiento, efectuándose la estructuración de la capa aplicada mediante unos hilos tensados que asientan con una fuerza definida contra el sustrato aplicado sobre la superficie de asiento abombada, y que apantallan las capas de material ya aplicadas o el sustrato, estructurando de este modo la capa de material que se ha de aplicar.
El sustrato es por ejemplo un sustrato flexible que asienta contra un plano curvado cuya curvatura se encuentra en la dirección de un dispositivo de precipitación. Contra esta superficie de asiento curvada entre el sustrato y el dispositivo de precipitación asientan al mismo tiempo los hilos, pudiendo aplicarse por medio de los hilos tensados, que están en contacto con la superficie de asiento abombada, una fuerza definida sobre el sustrato, y al mismo tiempo un asiento seguro a lo largo de una zona de estructuración prefijada. Para ello la superficie abombada está configurada preferentemente de forma simétrica respecto a un eje central, y está dispuesta en particular dentro del campo de precipitación.
Como alternativa, el sustrato puede tener ya un abombado previo conforme al abombamiento de la superficie de asiento. En este caso se pueden emplear por ejemplo también sustratos metálicos.
Debido al asiento arqueado de la lámina de sustrato y al ajuste de la fuerza y la conducción de los hilos que asientan con ésta sobre la superficie de asiento definido con ello se consigue una estructuración mediante el apantallamiento del recubrimiento de la capa situada debajo. De este modo se puede evitar que llegue a penetrar material debajo de los hilos. Al aplicar la capa se produce a causa de los hilos un apantallamiento de la banda de material situada debajo o del sustrato situado debajo. Para ello es especialmente ventajoso que no sea preciso prever ningún paso de estructuración adicional independiente. La estructuración tiene lugar al mismo tiempo que la precipitación, en un solo proceso. Después de su precipitación, las capas no sufren acciones mecánicas ni térmicas o cargas. De este modo se puede hacer realidad un proceso continuo, estacionario pero también uno cuasi continuo, que permita realizar una producción económica de módulos solares sobre sustratos ligeros y flexibles, que ahorren costes.
Los hilos pueden transcurrir para ello en la dirección del abombamiento, siendo esto lo más preferido. Sin embargo en los procedimientos estacionarios los hilos pueden tener también cualquier otra dirección que se desee, situada entre 0° y 90° respecto a la dirección del abombamiento.
Al desaparecer el subsiguiente tratamiento mecánico y térmico, la célula solar correspondiente adquiere unas buenas propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas. No pueden llegar a producirse resistencias en paralelo entre el contacto frontal y el contacto posterior. Las fuerzas de rozamiento de los hilos de apantallamiento actúan sobre el sustrato impidiendo la formación de resistencias transversales entre los contactos posteriores de las distintas células,.
Para la precipitación de las capas se puede emplear en particular el método Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD).
El procedimiento puede realizarse de forma estacionaria pero también continua o cuasi continua. En la forma de trabajo continua o cuasi continua, la dirección de movimiento del sustrato es al mismo tiempo la dirección de tracción de los hilos tensados. De este modo los hilos se alinean automáticamente de la forma deseada.
Un proceso continuo o cuasi continuo ofrece también la ventaja de que debido al desplazamiento continuo del sustrato a través de la cámara de precipitación solamente surgen ya diferencias de capa unidimensionales. Éstas pueden aparecer exclusivamente a lo ancho, es decir en dirección transversal a la de tracción. En el caso de trabajar con unos parámetros de precipitación constantes no hay diferencias de capa en la dirección de tracción.
Mediante el procedimiento antes descrito se tiene la posibilidad de producir sobre un sustrato células de capa delgada interconectadas integralmente. Pueden omitirse las fases de estructuración siguientes a la fase de aplicación de la capa delgada. La anchura de las células solares que se pueden producir depende de la anchura de la instalación de recubrimiento. La longitud de los posibles sustratos que se vayan a recubrir no está limitada por la instalación. Las cámaras de precipitación se pueden adaptar para ello en cuanto a sus dimensiones de acuerdo con la capa que se desea aplicar.
De acuerdo con un primer ejemplo de realización preferente puede estar previsto que el hilo se conduzca sobre un dispositivo tensor, y que especialmente en el caso de una realización continua del proceso se desplace en el sentido de o en contra del sentido de desplazamiento del sustrato. De este modo se puede conseguir que el recubrimiento de los hilos con el material precipitado, que aparece en la zona de precipitación, no limite la utilidad del hilo. En la medida en que los hilos se desenrollen en sentido contrario al de movimiento del sustrato se dispone permanentemente de hilo nuevo sobre la capa que se ha de precipitar. Para ello el hilo se puede tratar a continuación por un procedimiento mecánico o químico, por ejemplo en un baño de decapado o mediante una limpieza por plasma, para que pueda volver a ser utilizado.
Puede estar previsto que el sustrato se conduzca y tense sobre unas guías de rodillos. Mediante unas guías de rodillos de esta clase se puede efectuar de modo especialmente sencillo un buen reenvío y al mismo tiempo un tensado de un material flexible. Además de esto, esta clase de procedimientos son en principio conocidos en el estado de la técnica, pudiendo efectuarse el enrollamiento y desenrollamiento del sustrato inicial así como del sustrato terminado de recubrir, con un control continuo del proceso sobre cilindros de enrollado.
También puede estar previsto que el hilo se tense por medio de una correspondiente guía de rodillos.
Resulta especialmente ventajoso si hay varias cámaras de precipitación dispuestas una a continuación de la otra, en cuyo caso el sustrato atraviesa de modo sucesivo las cámaras de precipitación y en cada cámara de precipitación se precipita una capa sobre el sustrato o sobre una capa situada debajo. Aquí puede estar previsto que todas o simplemente una de las siguientes cámaras de precipitación estén dotadas del correspondiente dispositivo de estructuración. Esta clase de procesos en línea resultan especialmente convenientes para la fabricación.
Las distintas capas se pueden estructurar en este caso inmediatamente durante su producción, y se puede precipitar unas sobre otras en un proceso en línea. Ahí puede estar previsto que los hilos de apantallamiento estén dispuestos en las distintas cámaras, decalados respecto a las líneas de apantallamiento ya producidas, con el fin de permitir efectuar una interconexión en serie. El decalaje tiene lugar siempre en la misma dirección.
Como sustrato se puede emplear en particular una lámina o un material textil.
Para los hilos se pueden emplear hilos metálicos, pero también otros hilos de plástico o de material textil, fibras de carbono, etc., prefiriéndose especialmente aquellos materiales sobre los cuales no se adhieran los materiales que se trata de apantallar.
Las capas que se han de precipitar son en particular una capa de contacto frontal y una capa de contacto posterior, así como una capa activa situada entremedias, que puede estar formada en particular por una capa n, y una capa p.
Se pueden producir también lo que se llama células apiladas, es decir células en tándem o células triples.
La capa activa puede consistir en silicio, pero también en teluro de cadmio, CIS, CIGS, etc.
La invención comprende además un dispositivo para llevar a cabo el procedimiento de la clase antes descrita, comprendiendo como mínimo una cámara de precipitación, estando dispuesta en la cámara de precipitación un dispositivo de recubrimiento y una unidad de estructuración que comprende por lo menos hilos para la estructuración de una capa de material que se ha de precipitar sobre un sustrato en la cámara de precipitación, estando prevista en la cámara de precipitación una superficie de asiento abombada en la dirección hacia el dispositivo de recubrimiento, y donde el sustrato es un sustrato flexible sometido a una tensión mecánica inicial o abombado de acuerdo con la superficie de asiento, pudiendo colocarse el sustrato sobre la superficie de asiento, y pudiendo aplicarse el hilo contra el sustrato con una fuerza definida bajo un ángulo de ≥0° e <90° respecto a la dirección de abobamiento de la superficie de asiento.
Otras ventajas y características de la invención se deducen de los restantes documentos de la solicitud así como de la siguiente descripción de un ejemplo de realización de la invención.
Para ello el dibujo muestra en la
Figura 1
una secuencia de capas de dos células solares de capa delgada interconectadas
de modo integrado;
Figura 2
un dispositivo conforme a la invención y
Figura 3
un dispositivo y un procedimiento para la fabricación continua de módulos
solares flexibles de capa delgada.
La Figura 1 muestra una disposición de una célula solar interconectada de modo integrado comprendiendo una estructura que consta esencialmente de cuatro capas. La base de la célula solar es en este caso una capa de sustrato flexible (1), que puede estar formada por ejemplo por un material de lámina o textil. Sobre esta capa de sustrato se precipita primeramente lo que se llama una capa de contacto posterior, que consta preferentemente de tres estratos, pudiendo ser la secuencia de estratos cromo / aluminio / óxido de zinc. En lugar del óxido de zinc se puede emplear también óxido de estaño o ITO. La capa de contacto posterior ha de estar realizada para ello de tal modo que no esté aplicada de forma continua sobre el sustrato sino que los estratos 2a y 2b del contacto posterior de las diferentes células solares 10a y 10b que se han de interconectar entre sí, estén separadas entre sí. Para ello se realiza, tal como se describirá a continuación en la presente invención un apantallamiento mediante hilos y con ello un recubrimiento en tramos separados entré sí en dirección transversal a la de transporte. Sobre esta capa de contacto posterior 2a, 2b se aplica ahora una capa activa que puede estar formada especialmente por silicio, y que comprende estratos p-n así como eventualmente estratos aislantes. Los distintos estratos pueden haber sido aplicados para ello también de modo independiente.
Las capas activas 3a ó 3b de los distintos módulos de la célula solar también han de estar separadas entre sí. Además de esto, la capa activa 3a y 3b no debe recubrir la totalidad de la capa de contacto posterior. En aquella zona en la que la zona de contacto posterior 2b está orientada hacia la capa de contacto posterior 2a, para permitir después el establecimiento de contacto mediante un contacto frontal 4a, ésta debe quedar sin cubrir por la capa activa 3b. Como última capa se aplica la capa de contacto frontal 4a, que cubre la separación entre las células que se forma debido a la estructuración entre los contactos posteriores pero también de las capas activas, y que establece un solape con la capa de contacto posterior 2b de la célula siguiente, con el fin de permitir una conexión en serie de las células solares 10a y 10b. Para ello la capa de contacto frontal 14 es transparente y está compuesta preferentemente por óxido de zinc (ZnO), dióxido de estaño (SnO2) o ITO.
Para esto es importante que la estructuración de la capa de contacto posterior 2 se ha de efectuar antes de la precipitación de la capa activa 3, ya que la capa activa 3 sirve al mismo tiempo para la separación y aislamiento del contacto posterior 2a respecto al contacto frontal 4a, para lo cual la capa activa 3 se extiende en la zona 3i hasta el sustrato 1, con el fin de conseguir un aislamiento mutuo por todos los lados de las dos capas de contacto 2, 4 entre sí.
La Figura 2 muestra ahora un correspondiente procedimiento en un proceso denominado Roll-to-Roll. Para ello se presenta el sustrato flexible 1 enrollado sobre un cilindro alimentador 11a, tal como está representado en la Figura 3, y desde este cilindro alimentador 11a se introduce en una primera cámara de precipitación 12a. Esta primera cámara que está representada ampliada en la Figura 2, sirve para la precipitación de la capa de contacto posterior 2. Para ello el sustrato 1 se somete a una tensión previa por encima de los cilindros 13a y 13b, y se tensa y conduce por encima de una superficie de asiento 15a abombada de forma convexa en dirección hacia un dispositivo de precipitación 14a. En una zona de precipitación 16a, que está limitada por la zona del electrodo para la precipitación del material de la capa se aplica sobre el sustrato 1 material de la capa para la capa posterior 2. Para efectuar ahora la estructuración de la capa posterior necesaria ya representada en la Figura 1, está previsto que se efectúe en dirección paralela a la de avance del sustrato 1, que está identificado con la flecha 17, una guía de hilos 18a mediante los cuales se aplican a presión con una fuerza definida sobre la lámina del sustrato 1 unos hilos tensados paralelos entre sí que transcurren en la dirección de transporte 17, obteniéndose de este modo un apantallamiento debajo de los hilos, de modo que en esta zona no se aplica sobre el sustrato 1 ningún material de capa precipitado correspondiente a la capa posterior. De acuerdo con el número de células solares 10 previstas que transcurran en dirección trasversal a la dirección de avance 17 se deberá prever el correspondiente número de hilos 21 que efectúan el apantallamiento y de este modo separan entre sí las capas de contacto posterior 2 de las distintas células solares 10.
Para ello está previsto que para tensar el hilo 21 estén previstos también unos rodillos 19 que efectúan el reenvío y tensado del hilo 21 así como en el arrollamiento del mismo, ya que el hilo se transporta en sentido opuesto al de avance 17, en el sentido de la flecha 20, para disponer siempre en la zona de precipitación de hilo nuevo 21 sobre el cual todavía no hay sedimentos de material causados por la aplicación del material sobre el sustrato 1. En cuanto está consumido el hilo 21 se puede prever hilo nuevo 21 y retirar el hilo viejo 21 para proceder a su limpieza y reaprovechamiento.
La Figura 3 muestra ahora un proceso completo de recubrimiento de un sustrato 1 que es presentado por un cilindro alimentador 11a y que atraviesa un total de cinco cámaras 12a a 12e, y después se vuelve a enrollar sobre un cilindro de enrollado 11b. Sobre el cilindro de enrollado 11b se encuentran entonces las células solares 10 interconectadas integralmente entre sí de modo serial. Dentro de cada cámara de precipitación 12a a 12e se hace pasar ahora tensado y conducido el sustrato 1 por encima de los rodillos 13a dispuestos delante de la zona de precipitación 12 y 13b, dispuestos detrás de la zona de precipitación. Entre las distintas cámaras pueden estar previstos otros rodillos 13c para el reenvío. La totalidad del proceso es un proceso cerrado que tiene lugar en ausencia de aire ambiente.
En cada una de las cámaras de precipitación 12a a 12e está previsto un dispositivo de precipitación 14a al 14e, donde en la primear cámara de precipitación 12a se aplica una capa de contacto posterior, en la segunda cámara de precipitación una capa n, en la tercera cámara
una capa i y en la cuarta cámara una capa p. La quinta cámara sirve para aplicar la capa de contacto frontal. En cada una de las cámaras 12 está previsto además que tenga lugar una estructuración. Para ello es preciso que los hilos de apantallamiento 21 estén dispuestos decalados en cada caso después de la precipitación del contacto posterior 2, en comparación 5 con los que están previstos después de la precipitación de las capas semi-conductoras 23, con el fin de asegurar por una parte el aislamiento de la capa de contacto posterior 2 mediante las capas activas 3 respecto a la capa de contacto frontal 4, y para asegurar después de la aplicación de la capa de contacto frontal 4, que no hay ningún contacto de la capa de contacto frontal 4a de una célula solar 10a con la capa de contacto frontal 4b de la siguiente célula solar
10 10b. Únicamente transcurren esencialmente sin decalaje entre sí los hilos de apantallamiento 21 durante la aplicación de las tres capas que forman la capa activa en las cámaras de precipitación 12b a 12d. Sin embargo también aquí puede estar previsto un ligero decalaje entre sí. El decalaje tiene lugar entre las distintas cámaras de precipitación 12 siempre en el mismo sentido, ya que de este modo se consigue la conexión en serie.
15 Mediante la superficie de asiento 15a con abombamiento simétrico, que está abombada en la dirección del dispositivo de precipitación se consigue que los hilos destinados a la estructuración se alineen en la forma deseada, donde debido al rozamiento de fricción entre el sustrato 1 y la superficie abombada 15 se favorece la alineación y se evitan resistencias transversales entre las capas de contacto posterior 2.
20 De la forma antes descrita se puede disponer de modo especialmente sencillo y económico un así denominado proceso Roll-to-Roll, pero también un procedimiento discontinuo mediante el cual se pueden fabricar células solares de capa delgada interinterconectadas de modo integral.

Claims (10)

  1. Reivindicaciones
    1. Procedimiento para la fabricación de células solares interconectadas en serie, comprendiendo el procedimiento los pasos siguientes:
    -introducción de un sustrato (1) en por lo menos una cámara de precipitación, -precipitación en la cámara de precipitación de por lo menos una capa de material (2, 3, 4) sobre el sustrato o sobre una capa de material ya aplicada,
    caracterizado porque
    en la cámara de precipitación (12) se sitúa el sustrato sobre una superficie de asiento
    (15) abombada en la dirección hacia un dispositivo de precipitación (14) siendo el sustrato flexible y estando sometido a una tensión mecánica previa, o abombado de acuerdo con la superficie de asiento, y efectuando una estructuración de la capa aplicada mediante por lo menos un hilo tensado (13) que asienta con una fuerza definida contra el sustrato aplicado sobre la superficie de asiento abombada, y que apantalla la capa de material aplicada o el sustrato respecto al dispositivo de precipitación, estructurando de este modo la capa de material que se ha de aplicar.
  2. 2.
    Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el procedimiento transcurre de modo continuo o cuasi continuo.
  3. 3.
    Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el hilo se conduce sobre un dispositivo tensor, y se desplaza en el sentido de avance del sustrato o en contra de éste, en particular en los procedimientos continuos o cuasi continuos.
  4. 4.
    Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el por lo menos un hilo transcurre formando un ángulo de ≥0° y <90° respecto a la dirección de abombamiento de la superficie de asiento.
  5. 5.
    Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sustrato va conducido y tensado sobre una guía de rodillos.
  6. 6.
    Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
    hilo va tensado sobre una guía de rodillos.
  7. 7.
    Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque hay
    varias cámaras de precipitación dispuestas una tras otra, y en cada cámara de 5 precipitación se precipita una capa.
  8. 8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sustrato está formado por un material de una banda de lámina o textil.
    10 9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se aplican tres capas, concretamente una capa de contacto posterior, una capa activa y una capa de contacto frontal.
  9. 10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque la capa activa
    15 comprende una o varias transiciones de separación de las cargas, en particular transiciones pn o pin.
  10. 11. Dispositivo, en particular para la realización del procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo como mínimo una cámara de precipitación 20 (12), donde en la cámara de precipitación (12) está dispuesto un dispositivo de recubrimiento (14) y una unidad de estructuración (18), que comprende como mínimo hilo (13) para estructurar una capa de material (2, 3, 4) a precipitar sobre un sustrato (1) en la cámara de precipitación (12), estando prevista en la cámara de precipitación (12) una superficie de asiento (15) abombada en dirección hacia el dispositivo de
    25 recubrimiento (14), siendo el sustrato (1) un sustrato (1) flexible o abombado de acuerdo con la superficie de asiento (15) sometido a una tensión mecánica inicial, pudiendo colocarse el sustrato (1) sobre la superficie de asiento y pudiendo aplicarse el hilo (13) contra el sustrato (1) con una fuerza definida formando un ángulo de ≥0° e <90° con respecto a la dirección de abombamiento de la superficie de asiento (15).
    30
    35
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