ES2548627T3 - Dispositivo semiconductor de película fina y procedimiento de fabricación de un dispositivo semiconductor de película fina - Google Patents

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Margit Harting
David Thomas Britton
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PST Sensors Pty Ltd
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Abstract

Un MS-FET de película fina o dispositivo semiconductor de célula fotovoltaica que comprende: i) un substrato (10, 20) que comprende celulosa; ii) una primera capa (12.1,12.2, 16, 22) que consiste en una capa conductora metálica en contacto con el substrato; iii) una segunda capa semiconductora (14, 24) que comprende silicio nanocristalino coloidal y un aglutinante en contacto con la primera capa; iv) una tercera capa que consiste en el caso de un MS-FET, en una capa conductora metálica ( 16, 12.1, 12.2) o, en el caso de una célula fotovoltaica, en un conductor tipo-p transparente (26) en contacto con la segunda capa.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo semiconductor de película fina y procedimiento de fabricación de un dispositivo semiconductor de película fina.
CAMPO DE INVENCIÓN
Esta invención se relaciona con un dispositivo semiconductor de película fina MS-FET o célula fotovoltaica. 5
También se relaciona con un procedimiento de fabricación de un dispositivo semiconductor de película fina MS-FET o célula fotovoltaica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los dispositivos semiconductores que se están produciendo en la actualidad o que se encuentran en fase de desarrollo comercial pueden clasificarse en tres categorías: silicio cristalino individual, silicio policristalino a granel o 10 semiconductor de película fina. Las primeras dos son caras de producir y se centran en el extremo superior del mercado. La mayoría de la investigación y del desarrollo tiene por objetivo la mejora de la eficiencia y la estabilidad a largo plazo de dichos dispositivos, independientemente del coste.
Por otra parte, los semiconductores de película fina se usan por lo general en aplicaciones con un precio más reducido, en las que la eficiencia y compacidad absoluta no son un prerrequisito. La estabilidad a largo plazo sigue 15 siendo un objetivo deseable en los semiconductores de película fina debido al coste de producción relativamente alto y al alto coste material del substrato.
La mayoría de los dispositivos semiconductores de película fina se basan en silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) el cual puede contener fases nanocristalina o microcristalina depositadas mediante varios procesos de deposición química de vapor (CVD). Las dos técnicas principales se mejoran con plasma CV CVD (PECVD), también conocido 20 como descarga resplandeciente CVD y catalítico CVD (cat-CVD) también conocido como alambre caliente CVD (HWCVD). En el caso de dispositivos semiconductores fotovoltaicos, todos los semiconductores de película fina y a-Si:H, en particular, depositados a través del proceso CVD, sufren de degradación provocada por la luz (también llamada "El efecto Staebler-Wronksi"), el cual es muy significativo durante los primeros años de operación. Consecuentemente, todos los dispositivos comerciales del tipo semiconductor fotovoltaico están diseñados para que 25 se degraden de acuerdo a la reivindicación, y cuentan con reguladores para mantener la tensión de salida constante. En las células solares comerciales del tipo semiconductor, el substrato es normalmente de vidrio, lo que limita el tamaño del dispositivo semiconductor debido a su estabilidad mecánica y a su peso. El vidrio cuenta con la desventaja añadida de su rigidez y su fragilidad.
Todos los transistores comerciales de película fina (TFT) se basan en semiconductores de película fina depositados 30 mediante procesos CVD, y usan fotolitografía, máscaras y grabado químico. En conjuntos de transistores de alta densidad, se usa una secuencia de encadenamiento vertical de diferentes capas semiconductoras. Las técnicas de deposición para el depósito de varias capas semiconductoras, incluyendo electrodos de puerta, son los mismos para las células solares semiconductoras y el substrato normal es de vidrio.
Un factor importante que limita la producción de dispositivos semiconductores económicos es el uso de procesos de 35 deposición en vacío en la producción. Dichos procesos de deposición en vacío son relativamente caros y por ello, impactan de forma significativa en el coste de producción de dispositivos semiconductores. Además, las capas semiconductoras depositadas mediante el uso de procesos CVD son relativamente rígidas y por ello, no se combinan bien con substratos flexibles.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN 40
Según un primer aspecto de las invención, se ha proporcionado una película fina MS-FET o dispositivo de célula fotovoltaica semiconductora que incluye
i) un substrato que comprende celulosa;
ii) una primera capa que consiste en una capa de metal conductor en contacto con el substrato;
iii) una segunda capa semiconductora que comprende silicio nanocristalino coloidal y un aglutinante en 45 contacto con la primera capa;
iv) una tercera capa que consiste, en el caso de una capa MS-FET, en un
metal conductor, o en el caso de una célula fotovoltaica, en un conductor transparente tipo p en
contacto con la segunda capa.
El substrato puede ser de un material de hoja de papel. 50
Para un dispositivo MS-FET, el espesor de la segunda capa puede ser apropiadamente de entre 1 y 2 micrómetros. Además, el espesor de la tercera capa puede ser apropiadamente de entre 300 y 400 micrómetros.
El dispositivo puede ser un dispositivo MS-FET de puerta superior en el que la primera capa consiste en conductores metálicos espaciados que forman la fuente y el drenaje del dispositivo, y la tercera capa consiste en un conductor metálico que forma un electrodo de puerta del dispositivo. 5
El dispositivo puede ser un dispositivo MS-FET de puerta inferior en el que la primera capa consiste en un conductor metálico que forma un electrodo de puerta del dispositivo, y la tercera capa consiste en conductores metálicos que forman la fuente y el drenaje del dispositivo.
Un dispositivo de célula fotovoltaica podría comprender, además una capa protectora transparente adicional de material dieléctrico. 10
Pueden usarse tres o más células fotovoltaicas para formar una batería fotovoltaica de acuerdo con la presente invención.
Preferiblemente, la primera capa de un dispositivo semiconductor de la invención consiste en plata coloidal.
De forma práctica, el aglutinante que se usa en un dispositivo semiconductor de la invención se ha seleccionado a partir de poliestireno o acetobutirato de celulosa. 15
Opcionalmente, cuando el substrato es papel, un dispositivo semiconductor de la invención comprende, además, un sello impermeable.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención se proporciona un procedimiento para la producción de un dispositivo semiconductor una película fina MS-FET o célula fotovoltaica, de acuerdo con el primer aspecto de la invención, que incluye las etapas de: 20
i) impresión de una primera capa metálica conductora sobre un substrato de papel;
ii) impresión de una segunda capa que comprende silicio nanocristalino coloidal y un soporte
disolvente-aglutinante sobre la primera capa metálica conductora;
iii) impresión de una tercera capa metálica conductora en el caso de MS-FET, o conductora de tipo-
p en el caso de célula fotovoltaica sobre la segunda capa. 25
De forma práctica, el aglutinante es un biopolímero. De manera opcional, el aglutinante biopolímero es acetobutirato de celulosa.
Opcionalmente, el aglutinante es poliestireno y el disolvente es cloroformo.
Opcionalmente, se puede usar un proceso de impresión por transferencia seleccionado a partir de un grupo consistente en impresión litográfica offset, xilográfica, tipográfica y serigráfica con tintas coloidales. 30
Preferiblemente, las etapas de impresión i), ii) y iii) son los pasos de impresión litográfica offset y los pasos de impresión xilográfica.
Cualquier referencia en este documento a "imprimir" una capa sobre una superficie, debe interpretarse de forma suficientemente amplia para que incluya procedimientos de recubrimiento tales como pulverización, cepillado o recubrimiento giratorio de una capa sobre una superficie, es decir, procedimientos en los que no se produce cambio 35 de fase química o física del material de revestimiento durante la deposición.
Otras características de la invención se describen a continuación a modo de ejemplo no limitativo de la invención, con referencia a y como se ilustra en los dibujos esquemáticos adjuntos. En los dibujos:
La Figura 1 muestra una vista en sección transversal y en planta superior que muestra la configuración de las diferentes capas de un transistor de efecto campo semiconductor de metal de puerta superior (MS-FET) de acuerdo 40 con un primer ejemplo de la invención;
La Figura 2 muestra vistas en sección transversal y en planta superior que muestran la configuración de las diferentes capas de un MS-FET de puerta inferior de acuerdo con el segundo ejemplo de la invención;
La Figura 3 muestra una vista en sección transversal y en planta superior que muestra la configuración de las diferentes capas de una célula fotovoltaica de acuerdo con un tercer ejemplo de la invención; y 45
La Figura 4 muestra una vista en sección transversal y en planta superior que muestra la configuración de una batería fotovoltaica de acuerdo con un cuarto ejemplo de la invención;
EJEMPLO 1:
La Figura 1 muestra un MS-FET de puerta superior que comprende tres capas semiconductoras de película fina, apoyadas sobre un substrato 10 de hoja de papel. El solicitante ha encontrado que el papel de oficina normal tal 5 como el papel sin madera de MondiRotatrim, con una densidad de 80g/m2, es apropiado para este caso. La primera capa activa cuenta con dos conductores metálicos espaciados de, por ejemplo, plata coloidal tal como Dupont Luxprint 5000, que cuenta con la fuente 12.1 y un drenaje 12.2 del transistor de efecto de campo. Los conductores metálicos que forman la fuente y el drenaje se imprimen directamente en el sustrato de papel 10 usando un proceso de impresión litográfica offset. Los contactos de la fuente y el drenaje tienen un espesor de capa de 300 - 400 10 micrómetros.
La segunda capa semiconductora es una capa intrínseca semiconductora 14 de tinta de silicio nanocristalina coloidal (nc-Si) impresa sobre la primera capa usando un proceso de impresión de litografía offset. El material nc-Si coloidal que forma la capa semiconductora 14 se produce mediante el uso de polvo de silicio intrínseco de 30mm de diámetro en un soporte disolvente-aglutinante. El solicitante ha encontrado que se pueden usar otros nanopolvos 15 semiconductores, por ejemplo carburo de silicio y sulfuro de cadmio, para otras aplicaciones. Por ejemplo, se pueden producir capas semiconductoras dopadas sustituyendo el polvo de nanosilicio intrínseco mediante material dopado de nanosilicio. Las concentraciones relativas de las substancias de componente en la tinta nc-Si que se usa para formar la capa semiconductora 14, se determinan mediante la viscosidad de la tinta requerida en el proceso de impresión. En este ejemplo, el soporte disolvente-aglutinante es una mezcla de aglutinante de poliestireno y de 20 cloroformo como disolvente. Otros aglutinantes polímeros que se pueden usar incluyen los biopolimeros, como el acetobutirato de celulosa (CAB) en diversos disolventes como éter o diluentes de laca comerciales. La capa semiconductora 14 tiene un espesor del orden de 1 - 2 micrómetros cuando se usa un aglutinante de polistireno y un proceso de impresión litográfica offset.
La tercera capa activa está formada por un conductor metálico 16 de, por ejemplo, material coloidal de plata como 25 Dupont Luxprint 5000, el cual se ha impreso sobre la segunda capa para formar un electrodo de puerta mediante el proceso de impresión de litografía offset. Normalmente la tercera capa cuenta con un espesor de entre 300 y 400 micrómetros.
El MS-FET de puerta superior tiene una geometría “cruzada" en la que los contactos superior e inferior se extienden en ángulos rectos entre sí y por lo tanto se pueden conectar directamente en las interconexiones. De este modo, 30 esto permite que las interconexiones también se impriman, ya sea al mismo tiempo o posteriormente, si diferentes capas están conectadas, simplificando y abaratando el proceso de producción.
El solicitante prevé que la impresión de litografía offset se usará para la impresión de las diversas capas semiconductoras en la producción comercial de dispositivos semiconductores. Sin embargo, el solicitante cree que se pueden usar otras técnicas de impresión, como la xilografía, serigrafía, impresión tipográfica, impresión en 35 relieve, impresión de sello, impresión en huecograbado e "impresión" por pulverización, cepillado o recubrimiento giratorio de una tinta coloidal sobre un sustrato / capa activa. El solicitante prevé además que se puede producir un conjunto de dispositivos semiconductores similares al MS-FET descrito en el Ejemplo 1, mediante el proceso de impresión estándar de tres colores. Se pueden producir heteroestructuras más elaboradas, incluyendo las capas semiconductoras dopadas, extendiendo el número de “colores” en el proceso de impresión. 40
Con referencia a la Figura 5 de los dibujos, se ilustran las características de corriente-tensión actuales de un prototipo MS-FET de puerta superior fabricado por el solicitante de acuerdo con la invención. El prototipo MS-FET evaluado era equivalente al MS-FET de puerta superior descrito en el Ejemplo 1, con la única diferencia de que las diferentes capas activas fueron grabadas en vez de imprimirse en un proceso de impresión litográfica offset.
EJEMPLO 2: 45
La Figura 2 muestra un MS-FET de puerta inferior que comprende tres capas semiconductoras de película fina apoyadas sobre un substrato 10 de hoja de papel. EL MS-FET de puerta inferior es el mismo que el MS-FET de puerta superior ilustrado en la Figura 1, con la única diferencia de que las capas semiconductoras se han invertido para formar un transistor de efecto de campo de puerta inferior. Esto permite la conexión directa de otros componentes activos con la fuente y el drenaje del transistor para una conmutación más rápida. En la Figura 2 se 50 usan los mismos números de referencia para designar las características del MS-FET de puerta inferior, que son los mismos que los del MS-FET de puerta superior mostrado en la Figura 1. En este ejemplo, se usa para las diferentes capas semiconductoras el mismo proceso de impresión y el mismo material usado en el MS-FET de puerta superior del Ejemplo 1.
Con referencia a la Figura 6 de los dibujos, se ilustran las características de corriente-tensión del prototipo MS-FET 55 de puerta inferior fabricado por el Solicitante de acuerdo con la invención. El prototipo MS-FET examinado era
equivalente al MS-FET de puerta inferior descrito en el Ejemplo 2, con la única diferencia de que las diferentes capas activas fueron grabadas en vez de imprimirse en un proceso de impresión litográfica offset.
EJEMPLO 3:
Con referencia a la Figura 3 de los dibujos, se ilustra una película fina semiconductora en forma de célula fotovoltaica 40 que comprende un semiconductor 24 intrínseco (capa 2) intercalado entre dos electrodos. Más en 5 particular, la célula fotovoltaica comprende una primera capa active en forma de contacto 22 de base metálica de, por ejemplo, plata coloidal que se imprime sobre una superficie principal de un sustrato de papel 20 de papel normal de oficina blanco tal como el papel sin madera MondiRotatrim. La segunda capa activa en forma de semiconductor intrínseco se aplica a la primera capa. La segunda capa cuenta, por ejemplo, con nc-Si coloidal impreso sobre la primera capa. Una tercera capa active, que forma un contacto superior, es un conductor 26 de tipo-p transparente 10 de, por ejemplo, óxido de indio y estaño coloidal (ITO) como el material conductor translúcido Dupont Luxprint 7162E, impreso sobre la segunda capa. La cuarta capa, opcional, tiene forma de revestimiento protector transparente 28 de material dieléctrico, como una laca transparente, que se imprime en la tercera capa.
La primera y segunda capas se producen de la misma forma descrita en el Ejemplo 1 para el MS-FET de puerta superior. La tercera capa se aplica usando un proceso de impresión litográfica offset, aunque el solicitante ha 15 aplicado con éxito la tercera capa mediante el uso de técnicas xilográficas y de cepillado en prototipos de estructuras semiconductoras.
EJEMPLO 4:
Este ejemplo muestra una construcción de una batería fotovoltaica que comprende tres capas depositadas sobre un substrato de papel 20. La batería cuenta con tres células fotovoltaicas 40 conectadas en series. La primera capa 20 tiene forma de contacto 50 de base metálica impreso, por ejemplo, de plata coloidal impresa sobre un substrato de papel 10. La segunda capa cuenta con una capa semiconductora intrínseca individual o una estructura semiconductora en secuencia n-i-p que comprende, por ejemplo, una capa nc-Si coloidal impresa sobre la primera capa. La batería fotovoltaica cuenta con una tercera capa que comprende un contacto superior transparente 54 de, por ejemplo, ITO coloidal, impreso sobre la segunda capa. Es conveniente que las células de baterías individuales 25 estén depositadas como tiras a través del substrato de papel 10 mediante el solapamiento de los contactos superiores e inferiores de las tiras anexas, de forma que las células se conecten en series de forma automática.
Sólo se requieren dos conexiones externas en este caso: una en el contacto inferior y otra en el contacto superior. Las diferentes capas semiconductoras se aplican un proceso de impresión litográfica offset o de impresión tipográfica de tres o cuatro colores. 30
La tensión de circuito abierto es producto del número de tiras por la CEM de la célula. La anchura W de la tira determina el área de cada célula y por consiguiente la corriente producida para la densidad de tensión constante. Así, la longitud L de la tira determina el número de células en serie y por ende la tensión en la batería.
El Solicitante ha encontrado que el papel reúne todos los requisitos necesarios para ser un substrato barato, robusto y flexible. Siendo el papel higroscópico, el Solicitante prevé que será necesario proporcionar un sello 35 impermeable que proteja el sustrato de papel contra la degradación debido a la entrada de agua. El Solicitante prevé que esto se puede lograr con un barniz transparente en el caso de usarse en una célula solar o manteniendo el dispositivo en un armario de cristal.
El Solicitante considera que se puede usar un dispositivo de célula solar de bajo coste que se pueda sustituir tras varios años de uso, de acuerdo con la invención. Estos dispositivos de célula solar de bajo coste se pueden también 40 usar con productos desechables como cargadores de mantenimiento y fuentes de alimentación para teléfonos móviles y para ordenadores portátiles que usan luz ambiente. El Solicitante considera que en dichos dispositivos de célula solar de bajo coste, se pueden generar conexiones eléctricas directamente al substrato de papel mediante pinzas de cocodrilo o tornillos. El Solicitante considera además que toda la estructura de célula solar, con la excepción de las conexiones eléctricas externas, puede protegerse por un barniz claro que también puede 45 imprimirse sobre la estructura. Para una protección mayor de factores ambientales externos, la célula solar deberá montarse en un armario de cristal.
El Solicitante considera además que los conjuntos de TFT que usan substratos de hoja de papel tendrán ventaja sobre los conjuntos TFT existentes respecto al coste, flexibilidad y robustez En muchas aplicaciones. Se prevé que en futuros desarrollos se podrá integrar un conjunto TFT con cualquiera de las siguientes tecnologías de 50 visualización en el mismo substrato de papel para producir una visualización integrada de resolución media: polímero de cristal, fósforos electroluminiscentes y tinta electrónica.

Claims (17)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un MS-FET de película fina o dispositivo semiconductor de célula fotovoltaica que comprende:
    i) un substrato (10, 20) que comprende celulosa;
    ii) una primera capa (12.1,12.2, 16, 22) que consiste en una capa conductora metálica en contacto con el substrato; 5
    iii) una segunda capa semiconductora (14, 24) que comprende silicio nanocristalino coloidal y un aglutinante en contacto con la primera capa;
    iv) una tercera capa que consiste en el caso de un MS-FET, en una capa conductora metálica ( 16, 12.1, 12.2) o, en el caso de una célula fotovoltaica, en un conductor tipo-p transparente (26) en contacto con la segunda capa.
  2. 2. Un dispositivo MS-FET, de acuerdo con la reivindicación 1, el cual es un dispositivo MS-FET de puerta 10 superior, en el que la primera capa consiste en conductores metálicos espaciados que forman la fuente (12.1) y el drenaje (12.2) del dispositivo, y la tercera capa consiste en un conductor metálico que forma un electrodo de puerta (16) del dispositivo.
  3. 3. Un dispositivo MS-FET, de acuerdo con la reivindicación 1, el cual es un dispositivo MS-FET de puerta inferior, en el que la primera capa consiste en un conductor metálico que forma un electrodo de puerta (16) del 15 dispositivo y la tercera capa consiste en conductores metálicos espaciados que forman la fuente (12.1) y el drenaje (12.2) del dispositivo.
  4. 4. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 en el que el substrato (10, 20) es de material de hoja de papel.
  5. 5. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicación anterior en el que la primera capa consiste en plata 20 coloidal.
  6. 6. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicación anterior en el que se selecciona el aglutinante a partir de poliestireno o acetobutirato de celulosa.
  7. 7. Un dispositivo MS-FET de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la segunda capa semiconductora tiene un espesor de entre 1 y 2 micrómetros. 25
  8. 8. Un dispositivo MS-FET de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la tercera capa tiene un espesor de entre 300 y 4000 micrómetros.
  9. 9. Un dispositivo de célula fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende una capa transparente adicional de protección (28) de material dieléctrico.
  10. 10. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicación anterior que incluye además un sello impermeable y 30 en el que el substrato es papel.
  11. 11. Una batería fotovoltaica que comprende tres células fotovoltaicas como se reivindica en la reivindicación 1.
  12. 12. Un proceso para la producción de una película fina MS-FET o dispositivo semiconductor de célula fotovoltaica como se reivindica en la reivindicación 1 que comprende las siguientes etapas: 35
    i) imprimir una primera capa conductora metálica (12.1, 12.2, 16, 22) sobre un substrato de papel (10, 20);
    ii) imprimir una segunda capa (14, 24) que comprende silicio nanocristalino coloidal y un soporte aglutinante-disolvente sobre la primera capa conductora metálica;
    iii) imprimir una tercera capa (16, 12.1, 12.2) de conductor metálico en el caso de MS-FET o conductor de tipo-p (16) en el caso de una célula fotovoltaica sobre la segunda capa. 40
  13. 13. Un proceso, según la reivindicación 12, en el que el aglutinante es un biopolímero.
  14. 14. Un proceso, según la reivindicación 13, en el que el biopolímero es acetobutirato de celulosa.
  15. 15. Un proceso, según la reivindicación 12, en el que el soporte aglutinante-disolvente es una mezcla de aglutinante de poliestireno y cloroformo.
  16. 16. Un proceso, según la reivindicación 12, en el que las etapas de impresión i), ii) y iii) son etapas de 45 impresión de litografía en offset.
  17. 17. Un proceso, según la reivindicación 12, en el que las etapas de impresión i), ii) y iii) son etapas de impresión xilográfica.
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