ES2861123T3 - Revestimiento inducido por luz de metales sobre celulas fotovoltaicas de silicio - Google Patents

Abstract

Un método para metalizar una célula solar fotovoltaica para depositar una capa de metal sobre la misma, teniendo dicha célula solar fotovoltaica un lado anterior y un lado posterior, en donde dicho lado posterior comprende una capa de un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio y aleaciones de aluminio y comprendiendo dicho lado anterior un diseño que comprende metal sobre el mismo, comprendiendo el método las etapas de: a) poner en contacto la célula solar fotovoltaica con una composición de revestimiento inducido por luz que comprende: i) una fuente de iones de plata solubles; y ii) un agente que solubiliza iones de metal de aluminio disueltos procedentes de la capa de metal en el lado posterior, comprendiendo el agente ácido cítrico o sales del mismo; y posteriormente b) iluminar la célula solar fotovoltaica con energía radiante procedente de una fuente luminosa, en donde se depositan iones de metal de la solución de revestimiento inducido por luz sobre el diseño metálico en el lado anterior de la célula solar, y en donde la célula solar no está eléctricamente conectada a una fuente de alimentación externa durante el revestimiento, y en donde se disuelven iones de la capa de metal en el lado posterior en la composición de revestimiento inducido por luz.

Description

DESCRIPCIÓN

Revestimiento inducido por luz de metales sobre células fotovoltaicas de silicio

Campo de la invención

La presente invención se refiere generalmente a un método de revestimiento inducido por luz de contactos de metal sobre células fotovoltaicas, incluidas células solares de silicio.

Antecedentes de la invención

Las células solares son células o módulos fotovoltaicos, que convierten la luz solar directamente en electricidad. Las células fotovoltaicas (FV) son de materiales semiconductores, más habitualmente silicio. Cuando la luz (radiación ultravioleta, visible e infrarroja) impacta contra la célula, una cierta parte de la misma se absorbe en el material semiconductor, de manera que la energía de la luz absorbida se transfiere al semiconductor y se produce una corriente eléctrica. Al colocarse contactos de metal en la parte superior e inferior de la célula FV, la corriente se puede extraer para usarse externamente. La corriente define, junto con la tensión de la célula, la potencia que puede producir la célula solar.

Una célula fotovoltaica semiconductora típica comprende una unión P-N de gran área superficial, donde la absorción de luz se traduce en la creación de pares electrón-hueco. Los electrones y los huecos migran a lados opuestos de la unión, de manera que el exceso de carga negativa se acumula en el lado dopado N y el exceso de carga positiva se acumula en el lado dopado P. Para poder captar la corriente eléctrica para la generación de energía, deben establecerse contactos eléctricos de ambos lados de la unión P-N con un circuito externo. Los contactos consisten típicamente de dos diseños metálicos, uno en cada lado, en contacto óhmico con el dispositivo semiconductor. El diseño de contacto ideal tendrá una conductividad alta para minimizar las pérdidas resistivas, un buen contacto eléctrico al sustrato con el fin de captar eficazmente la corriente y una alta adhesión para asegurar la estabilidad mecánica. El diseño de metal sobre el lado anterior de la célula, definido como el lado de la célula que está expuesto a la luz incidente, está diseñado para proporcionar un camino de baja resistencia para captar la corriente generada en cualquier lugar de la superficie de la célula y, simultáneamente, para minimizar la cantidad de radiación incidente interceptada por el metal y, por tanto, perdida a efectos de generación de corriente.

El silicio, especialmente en su forma cristalina, es un material común utilizado para producir células solares. La mayoría de las células solares se elaboran a partir de silicio cristalino, dopado con boro y fósforo, para producir una unión de tipo P / de tipo N. El silicio policristalino puede utilizarse en la fabricación de células solares para reducir los costes de fabricación, aunque las células resultantes pueden no ser tan eficientes como las células de silicio monocristalino. También se puede utilizar silicio amorfo, que no tiene estructura cristalina, nuevamente en un intento de reducir los costes de producción. Otros materiales usados en la fabricación de células solares incluyen el arseniuro de galio, el diseleniuro de cobre e indio y el telururo de cadmio.

Una disposición típica de una célula solar de silicio comprende lo siguiente:

(a) un contacto posterior, que normalmente comprende una capa de aluminio o de una aleación de aluminio y barras conductoras compuestas por plata o una aleación de plata y aluminio;

(b) un Si de tipo P;

(c) un Si de tipo N;

(d) un recubrimiento antirreflectante en el lado anterior de la célula;

(e) un contacto anterior que normalmente comprende una rejilla metálica de dedos y barras conductoras; y (f) un vidrio cobertor.

Dado que el silicio es extremadamente reflectante, típicamente se aplica un recubrimiento antirreflectante a la parte superior de la célula para reducir las pérdidas por reflexión. Luego, típicamente se aplica una plancha cobertora de vidrio sobre la capa antirreflectante para proteger la célula de los elementos.

Se pueden elaborar células solares convencionales utilizando obleas de silicio cristalino. La oblea de Si comienza como un semiconductor de tipo P con un dopante de boro. Para captar mejor la luz, la oblea puede texturizarse con hidróxido o con ácidos nítrico / fluorhídrico para que la luz se refleje de manera oblicua al interior del silicio. La unión P-N se forma por difusión de un dopante tipo N, típicamente fósforo, mediante deposición o difusión de vapor. Se aplica una capa de material dieléctrico, típicamente nitruro de silicio u óxido de silicio, al lado anterior; esta capa sirve como capa de pasivación de superficie y anti-reflective coating (recubrimiento antirreflectante -ARC).

En un proceso estándar de fabricación de células solares de silicio, el lado anterior de la oblea de silicio se recubre con una capa de pasivación antirreflectante, que comprende típicamente nitruro de silicio. Esta capa de nitruro de silicio tiene el doble propósito de maximizar el porcentaje de luz absorbida por la célula (no reflejada) y de pasivar la superficie, lo que impide la recombinación hueco-electrón en la superficie y, por tanto, aumenta el rendimiento de la célula. Típicamente, en la superficie posterior de la célula se emplea típicamente un efecto diferente para minimizar la recombinación hueco-electrón. Se obtiene un “back surface field” (campo de superficie posterior - BSF) preparando una denominada capa P+ dopada en el silicio, cerca de la superficie posterior, en donde la capa P+ dopada tiene una mayor concentración del dopante P que el sustrato P dopado de volumen. Esto crea un campo eléctrico cerca de la interfase que proporciona una barrera al flujo de portadores minoritarios (electrones) hacia la superficie posterior. Puede utilizarse cualquier dopante P, tal como el aluminio o el boro. Típicamente, se deposita aluminio o una aleación de aluminio sobre la superficie posterior y se cuece a alta temperatura para que el dopante P se difunda en el silicio. El aluminio o la aleación de aluminio se puede depositar por serigrafía o por deposición de vapor. Típicamente, en un proceso estándar para la fabricación de células solares de silicio, se serigrafían barras conductoras soldables que comprenden pasta de plata o de plata-aluminio sobre la superficie posterior y luego se serigrafía pasta de aluminio sobre toda la superficie posterior excepto en las zonas cubiertas por las barras conductoras, y finalmente se cuecen para eliminar los aglutinantes de disolvente y que las capas de pasta se endurezcan y el dopante P de aluminio se difunda en el silicio.

Deben formarse los contactos de célula solar, según lo cual se forma un contacto de metal de área completa sobre la superficie posterior que comprende el CSP P+ dopado y barras conductoras soldables, tal y como se ha descrito anteriormente, y se forma un contacto de metal semejante a una rejilla formado por “dedos” delgados y “barras conductoras” más grandes en la superficie anterior, que típicamente se forma serigrafiando pasta de plata formando un diseño de dichos dedos y barras conductoras, cociendo entonces a elevada temperatura para eliminar los aglutinantes de disolventes, endurecer los diseños y formar un contacto óhmico a la célula. Después de formarse los conductores de célula solar, luego se interconectan múltiples células solares en serie (y/o en paralelo) por medio de hilos planos o de cintas de metal y se ensamblan formando módulos o “paneles solares” . El producto de panel solar terminado tiene típicamente una lámina de vidrio templado en la parte anterior y un encapsulado de polímero en la parte posterior para protegerlo del ambiente.

El silicio es el material más habitualmente utilizado para la fabricación de paneles de células solares. En la Figura 1 se muestra un lado anterior 10 que tiene unas barras conductoras 12 de metal y unas líneas 14 de metal anteriores y un lado posterior 20 que tiene unas barras conductoras 22 de metal posteriores de una célula solar de silicio típica. Las barras conductoras 12 de metal y las líneas 14 de metal en el lado anterior de la célula solar comprenden preferiblemente una pasta de plata impresa que se reviste sobre las mismas con la composición y el método de revestimiento de esta invención. Las barras conductoras 22 de metal posteriores comprenden preferiblemente o bien una pasta de plata o bien una pasta de plata-aluminio en contacto con el silicio. El resto del lado posterior de la célula está cubierto preferiblemente por una capa 38 de aluminio cocida.

En la Figura 2 se muestra una vista en sección transversal de una célula solar de silicio típica que tiene una capa 32 de recubrimiento antirreflectante, una capa 34 de silicio N dopado y una capa 36 de silicio P dopado. El silicio puede ser un silicio monocristalino o multicristalino, a modo de ejemplo y no de limitación. Las líneas 14 de metal en el lado anterior 10 captan la corriente inducida por luz. Las barras conductoras anteriores 12 captan la corriente procedente de las múltiples líneas 14 de metal, o “dedos” . El lado posterior 20 de la célula tiene típicamente un conjunto de barras conductoras 22 similares a las del lado anterior; sin embargo, no es necesario que el lado posterior 20 permita la transmisión de la luz. Las barras conductoras anteriores 12 y las barras conductoras posteriores 22 permiten la conexión de células en serie para formar módulos. Las barras conductoras posteriores 22 hacen contacto con el sustrato de silicio. El resto del lado posterior está cubierto con una capa 38 de aluminio o de aleación de aluminio. La capa de aluminio o de aleación 38 de aluminio generalmente se aplica imprimiendo una pasta de aluminio o de aleación de aluminio sobre la parte posterior de la célula solar y luego cociendo la capa.

A la hora de diseñar el diseño de metal lateral anterior deben considerarse factores que están en conflicto. El lado anterior del dispositivo debe permitir la transmisión de la luz, por lo que las trazas de metal deben cubrir la superficie más pequeña posible para minimizar las pérdidas por sombreado. Por otra parte, una captación de corriente eficiente favorece la cobertura del área superficial más grande posible, ya que la resistencia de la lámina del lado anterior puede ser relativamente alta (de aproximadamente 50 a 100 Q por cuadrado), lo que da lugar a pérdidas resistivas si la cobertura es demasiado pequeña.

Se puede usar una variedad de métodos para formar el diseño metálico anterior, incluidos el serigrafiado de una pasta conductora, la inyección de tinta y la galvanoplastia sobre un germen de capa. Un método utilizado habitualmente es el serigrafiado de una pasta de plata que contiene una frita de vidrio, seguido de un paso de cocido a aproximadamente 800 0C, durante el cual la pasta arde a través del recubrimiento antirreflectante, si lo hubiera, formando una rejilla de barras conductoras y de líneas de pasta de metal. Aunque este método proporciona diseños conductores con un contacto eléctrico, una conductividad y una adhesión razonablemente buenos, el rendimiento podría mejorarse aún más por medio de la deposición de metal adicional sobre la rejilla, dado que la pasta poscocida contiene a la fuerza espacios vacíos y carga no metálica.

En otro método utilizado para formar un diseño conductor anterior, el metal se deposita a partir de una solución de iones de metal solubles sobre un diseño de líneas y barras conductoras formado en el recubrimiento antirreflectante. Se puede usar una variedad de métodos para formar el diseño, tal como la fotolitografía, seguida de un ataque químico, un rayado mecánico o una formación de imágenes por láser. En la publicación internacional n.° WO 2005/083799 se describe un método de este tipo.

La deposición de un metal a partir de una solución de iones de metal solubles ocurre por un mecanismo electroquímico donde tienen lugar reacciones de oxidación y reducción. En términos generales, existen tres mecanismos diferentes para depositar metal sobre un sustrato a partir de una solución:

(1) Deposición por desplazamiento, también conocida como galvánica, que es aquella donde la deposición de un metal sobre un sustrato de un metal menos noble viene acompañada de la transferencia de electrones del metal menos noble al metal más noble, dando como resultado la deposición del metal más noble y la disolución del sustrato de metal menos noble. Este método puede ser limitado en el sentido de que el depósito puede estar limitado en cuanto al grosor, puesto que normalmente la deposición parará cuando el sustrato menos noble quede completamente cubierto. También se consumirá una parte del sustrato. Además, la capa de metal depositada puede ser discontinua, ya que la deposición del metal más noble viene acompañada de la disolución del metal menos noble subyacente, lo que da lugar a una conductividad y una adhesión reducidas.

(2) Revestimiento electrolítico, que es aquél donde la oxidación y la reducción se inducen por medio de una fuente externa de corriente eléctrica. Este método proporciona capas de metal densas y de gran calidad con velocidades de deposición rápidas que no están limitadas en grosor. Sin embargo, se debe realizar una conexión eléctrica al sustrato, y debe haber un ánodo presente en el baño para cerrar el circuito eléctrico. Realizar un buen contacto eléctrico con las células puede ser problemático, puesto que puede dar como resultado la rotura del frágil sustrato de silicio.

(3) Deposición autocatalítica, también conocida como deposición por reducción química, que es aquélla donde la reducción de los iones de metal se logra químicamente mediante la inclusión de un agente reductor en la solución, donde la deposición solamente tiene lugar sobre las superficies catalíticamente activas. Este método hace innecesario realizar un contacto eléctrico y tener una fuente de energía externa. Sin embargo, en la práctica este método presenta varios inconvenientes. En primer lugar, el proceso puede ser difícil de controlar, ya que la solución es intrínsecamente inestable termodinámicamente; puede producirse la descomposición espontánea con precipitación de metal, a menos que se ponga mucha atención a la hora de optimizar el sistema. Esto a su vez limita las velocidades de deposición, que pueden ser muy lentas. En particular, las soluciones de plateado autocatalítico son bien conocidas en la técnica por ser muy inestables.

Para resolver algunos de estos problemas, en la técnica anterior se han propuesto diversos métodos de galvanoplastia sobre dispositivos fotovoltaicos utilizando, por ejemplo, una tensión inducida por luz para efectuar una deposición de metal.

La patente estadounidense n.° 4.144.139, concedida a Durkee, describe un método para revestir contactos eléctricos sobre la superficie de una célula solar por inmersión de la célula en una solución electrolítica que contiene iones de metal y exposición de la superficie de la célula solar a la luz para que se produzca un revestimiento de metal sobre la superficie de ánodo del dispositivo. El lado posterior (anódico) se cubre con una gruesa capa protectora de plata, de manera que la plata se disuelve del lado posterior anódico y se deposita en el lado anterior catódico cuando se irradia el dispositivo. Se describe una solución de plateado que contiene cianuro. Aunque los electrolitos de plata que contienen cianuro son bien conocidos por dar excelentes resultados de revestimiento, se prefiere no utilizar cianuro debido a consideraciones de seguridad así como ambientales.

En la patente estadounidense n.° 4.251.327, concedida a Grenon, se describe un método electrolítico de revestimiento similar al descrito en la patente estadounidense n.° 4.144.139. Además, en esta patente se describe una disposición donde parte posterior anódica del dispositivo está unida al terminal negativo de una fuente de alimentación de c.c. y el terminal positivo de la fuente de alimentación está unido a un electrodo de plata en la solución de revestimiento, de modo que, cuando la célula se irradia con luz y la corriente se ajusta adecuadamente, no se produce ni deposición ni corrosión en la parte posterior. De nuevo, se utiliza una solución de plateado que contiene cianuro. Esta disposición se muestra en la Figura 3. Un aspecto negativo de este método es el requisito de unir un electrodo a la célula, lo que puede traducirse en la rotura de sustratos de silicio frágiles.

En la patente estadounidense n.° 5.882.435, concedida a Holdermann, se describe un proceso donde un diseño del lado anterior metálico impreso sobre una célula fotovoltaica se refuerza por deposición fotoinducida de un metal, tal como el cobre o la plata. El lado posterior (anódico) incluye una pasta de metal protectora impresa, de manera que la neutralidad de carga se mantiene disolviendo metal del lado posterior simultáneamente a su deposición sobre el lado anterior cuando el dispositivo se irradia.

En la publicación de patente estadounidense n.° 2008/0035489, concedida a Allardyce, se describe un método de revestimiento de contactos eléctricos en dispositivos fotovoltaicos donde el dispositivo se expone a luz mientras está sumergido en una solución de plateado que comprende iones de plata, al menos uno de un compuesto que contiene un grupo nitrógeno, un tensoactivo y un compuesto amino y al menos uno de un aminoácido o ácido sulfónico. Sin embargo, este “método de revestimiento inducido por luz” electrolítico para metalizar dispositivos fotovoltaicos es igual o similar al método descrito anteriormente en la patente estadounidense n.° 4.251.327 y adolece de la misma deficiencia, concretamente, el requisito de unión a la célula de un electrodo conectado a una fuente de corriente y a un ánodo.

En la publicación de patente estadounidense n.° 2007/0151863, concedida a Morrissey, se describe una composición de electroplateado sin cianuro que comprende plata en forma de un complejo con hidantoína o hidantoína sustituida, un electrolito y 2,2'-dipiridilo.

En la patente estadounidense n.° 5.601.696, concedida a Asakawa, se describe un baño de electroplateado sin cianuro que contiene plata en forma de un complejo con hidantoína o hidantoína sustituida.

En la patente estadounidense n.° 4.126.524, concedida a Hradil y col., se describen soluciones de electroplateado sin cianuro que contienen plata que forma un complejo con imidas de ácidos dicarboxílicos orgánicos, tales como la succinimida.

En la patente estadounidense n.° 4.246.077, concedida a Hradil y col., se describen soluciones de electroplateado sin cianuro que contienen plata que forma un complejo con pirrolidina-2,5-diona (succinimida) o con 3-pirrolina-2,5-diona (maleimida).

En la patente estadounidense n.° 5.322.553, concedida a Mandich y col., se describe una solución de plateado químico sin cianuro que comprende un catión de plata, un tiosulfato y un sulfito. En esta patente se afirma que se obtienen una velocidad de revestimiento y una estabilidad de solución superiores a las de las soluciones de plateado convencionales.

En el documento 2011/052835 se describe un método para metalizar una célula solar fotovoltaica para depositar una capa de metal sobre la misma, teniendo dicha célula solar fotovoltaica un lado anterior y un lado posterior y teniendo dicho lado anterior un diseño que comprende metal sobre el mismo, comprendiendo el método las etapas de poner en contacto la célula solar fotovoltaica con una composición de deposición por reducción química que comprende una fuente de iones de plata solubles y un agente reductor y después de ello iluminar la célula solar fotovoltaica con energía radiante procedente de una fuente luminosa, donde el lado anterior y el lado posterior de la célula solar se cargan de manera opuesta y se depositan iones de metal procedentes de la solución de deposición por reducción química sobre el diseño metálico que hay en el lado anterior de la célula solar, y en donde la célula solar no está conectada eléctricamente a una fuente de alimentación externa durante el revestimiento.

El plateado químico también adolece de varias deficiencias. Por ejemplo, los baños son bien conocidos por ser muy inestables, en los que tiene lugar fácilmente una descomposición que se traduce en una pérdida de plata por precipitación, una limitada vida útil del baño y una deposición no deseada sobre regiones superficiales que deberían permanecer libres de metal. Además, las velocidades de revestimiento son por lo general muy lentas en condiciones necesarias para garantizar la estabilidad necesaria.

Pueden obtenerse velocidades de revestimiento más rápidas por galvanoplastia, incluido el revestimiento inducido por luz, tal y como se describe en la técnica anterior, en la que una fuente de alimentación externa proporciona corriente a los dispositivos. Sin embargo, la sujeción de una conexión eléctrica puede ser problemática en el sentido de que puede tener como resultado la rotura de células solares de silicio frágiles.

Por lo tanto, sería deseable proporcionar un método de revestimiento en el que se puedan alcanzar las velocidades de revestimiento más rápidas obtenidas por galvanoplastia sin que se produzca la rotura de las células solares de silicio durante la sujeción de una conexión eléctrica y que también minimice las deficiencias mencionadas del electroplateado.

La presente invención aborda estas deficiencias mediante el uso de la solución y el método de revestimiento especificados. La solución de revestimiento mejorada de la invención se activa por luz cuando se usa para revestir metal en células fotovoltaicas. La solución de revestimiento no contiene cianuro. No es necesario ningún contacto eléctrico con el dispositivo.

Sumario de la invención

Es bien sabido que el aluminio, aunque es un metal no noble, normalmente se mantiene bien pasivado gracias al óxido de aluminio, salvo a pH muy ácidos o alcalinos en solución acuosa, ya que el óxido de aluminio puede ser disuelto por ácidos y bases. Además, puede sufrir una corrosión rápida e incontrolable al reaccionar con agua en una solución ácida o alcalina. Por lo tanto, se presenta un dilema en el sentido de que es deseable tener un pH neutro o casi neutro con el fin de evitar la corrosión descontrolada, pero el aluminio normalmente permanece bien pasivado a un pH neutro o casi neutro. Los inventores han descubierto que la inclusión de ciertos reactivos para ayudar en la disolución del metal sobre la superficie posterior de la célula fotovoltaica puede producir una disolución constante y controlable a un pH más neutro.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un método y composiciones para depositar conductores metálicos sobre dispositivos fotovoltaicos mediante un proceso autocatalítico o de desplazamiento asistido por la luz y sin contacto.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método y composiciones para depositar conductores metálicos sobre dispositivos fotovoltaicos mediante un proceso autocatalítico o de desplazamiento que es activado por la luz.

A tal fin, la presente invención se refiere generalmente a un método para metalizar una célula solar fotovoltaica para depositar una capa gruesa de metal sobre la misma, teniendo dicha célula solar fotovoltaica un lado anterior y un lado posterior, en donde dicho lado posterior comprende una capa de un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio y aleaciones de aluminio, y teniendo dicho lado anterior un diseño metálico sobre el mismo, comprendiendo el método las etapas de:

a) poner en contacto la célula solar fotovoltaica con una composición de revestimiento inducido por luz que comprende:

i) una fuente de iones de plata solubles; y

ii) un agente que solubiliza iones de metal disueltos procedentes del metal en el lado posterior, comprendiendo el agente ácido cítrico o sales del mismo; y posteriormente

b) iluminar la célula solar fotovoltaica con energía radiante procedente de una fuente luminosa,

en donde el lado anterior y el lado posterior de la célula solar se cargan de manera opuesta y se depositan iones de metal de la solución de revestimiento sobre el diseño metálico en el lado anterior de la célula solar, mediante lo cual se deposita una capa de metal sobre el mismo, y en donde se disuelven iones de la capa de metal en el lado posterior en la solución de revestimiento.

Con este método se puede depositar cualquier metal sobre el lado anterior de la célula solar a partir de una solución acuosa de sus iones, siempre y cuando el potencial de reducción del metal sea mayor que el del agua. Entre los metales preferidos se encuentran el cobre y la plata, especialmente la plata, debido a su gran conductividad.

Descripción de los dibujos

En la Figura 1 se muestra un lado anterior y un lado posterior de una célula solar de silicio.

En la Figura 2 se muestra una vista en sección transversal de una célula solar de silicio.

En la Figura 3 se muestra una realización de un proceso de galvanoplastia inducida por luz de la técnica anterior.

En la Figura 4 se muestra una realización de un proceso de revestimiento inducido por luz de conformidad con la presente invención.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La presente invención se refiere generalmente a un método y a composiciones para depositar conductores metálicos sobre dispositivos fotovoltaicos mediante un proceso que está activado por la luz y no requiere contactos eléctricos con el dispositivo.

En la composición del método de la invención se puede utilizar casi cualquier compuesto que contenga plata (I). A modo de ejemplo y no de limitación, la fuente de iones de plata solubles puede ser el óxido de plata, el nitrato de plata, el metanosulfonato de plata, el acetato de plata, el sulfato de plata, el citrato de plata o cualquier otra sal de plata. En una realización, la fuente de iones de plata solubles es preferiblemente el sulfato de plata, el acetato de plata o el metanosulfonato de plata. En una realización preferida, la fuente de iones de plata solubles está presente en la composición de revestimiento inducido por luz de la invención en una concentración que produce aproximadamente de 1 a 35 gramos/litro de metal plata.

Aunque no desean ceñirse a ninguna teoría, los inventores creen que la reacción de revestimiento que tiene lugar en el lado anterior de la célula solar comienza como una reducción de cationes de metal impulsada por el potencial eléctrico generado por la exposición de la célula solar a la luz, donde en el lado anterior (catódico) de la célula se acumulan cargas negativas y en el lado posterior (anódico) se acumulan cargas positivas (“ huecos” ). A medida que transcurre la reacción de revestimiento, la absorción de fotones sigue generando pares electrón-hueco en el silicio de base; debido a la tensión generada por el diodo P-N, las cargas negativas migran al lado anterior de la célula y las cargas positivas migran al lado posterior. Las cargas positivas, o huecos, son neutralizadas por la transferencia de electrones desde el aluminio metálico en el lado posterior de la célula, que viene acompañada por la disolución de iones de aluminio, lo que impulsa la reacción de revestimiento en sentido directo. Así, para que la reacción de revestimiento siga teniendo lugar sin problemas, es importante que la solución de revestimiento comprenda un agente que solubilice preferiblemente los iones de aluminio (y los iones de cualquier constituyente de aleación de aluminio) del lado posterior de la célula solar en vez de otros metales que haya presentes en el lado posterior, especialmente en plata, que típicamente está presente en forma de pasta de plata endurecida formando barras conductoras.

La composición de revestimiento debe incluir un compuesto que sea capaz de solubilizar (ya sea directamente o por quelación) los iones de aluminio disueltos del lado posterior de la célula solar. El compuesto solubilizante debe ser capaz de solubilizar el aluminio preferiblemente en vez de la plata. El compuesto solubilizante de la presente invención es ácido cítrico. En aspectos que no se reivindican, el compuesto solubilizante puede ser ácido tartárico o ácido glioxílico. La concentración del compuesto solubilizante en la composición de revestimiento no es crítica, pero puede variar preferiblemente de 1 a 150 gramos/litro, aunque es con máxima preferencia de 10 a 30 gramos/litro.

Puede agregarse un agente reductor a la composición de revestimiento, pero no es necesario. Aunque no desean ceñirse a ninguna teoría, los inventores creen que la reacción de revestimiento puede verse asistida por un agente reductor a través de la transferencia directa de electrones desde el agente reductor hasta el lado anterior o el lado posterior de la célula. Si se utiliza, el agente reductor puede incluir formaldehído, glucosa, dextrosa, glioxal, azúcar invertido por ácido nítrico, hidracina o sulfato de hidracina, ácidos aldónicos, lactonas aldónicas, sales de tartrato (también conocidas como “sales de Rochelle” ), iones de cobalto, sales de sulfuro, sales de sulfito, sales de tiosulfato, sales de hipofosfito, sales de borohidruro, borano dimetilamina u otra alquilamina, borano hidracina y sales de cianoborohidruro, a modo de ejemplo y no de limitación. En la presente invención también podrían utilizarse otros agentes reductores conocidos en la técnica. En una realización, el agente reductor es una sal de ácido glioxílico, una sal de Rochelle o glioxal. En una realización preferida, el agente reductor está presente en la composición de revestimiento inducido por luz de la invención en una concentración de aproximadamente 1 a aproximadamente 60 gramos/litro, pero es con máxima preferencia de 15 a 20 gramos/litro.

Puede añadirse un agente complejante opcional para solubilizar y estabilizar el catión de plata y secuestrar impurezas metálicas que puedan haber presentes. Los complejadores de plata incluyen el cianuro, la succinimida o succinimidas sustituidas, la hidantoína o hidantoínas sustituidas, el uracilo, los tiosulfatos, el amoniaco u otras aminas, a modo de ejemplo y no de limitación. Tal y como se observó anteriormente, el uso de cianuro no es deseable debido a cuestiones ambientales y de seguridad. Tampoco es deseable el uso de amoniaco debido a su volatilidad y su capacidad para formar sales de plata explosivas al secarse. En una realización preferida, el agente formador de complejos es hidantoína o 5,5-dimetilhidantoína u otra hidantoína sustituida. Si se utiliza, el agente complejante puede estar presente en la composición de revestimiento inducido por luz en una concentración de aproximadamente 20 a aproximadamente 150 gramos/litro, más preferiblemente de aproximadamente 40-80 gramos/litro.

Finalmente, la composición de la invención también puede incluir varios agentes tensoactivos de superficie, refinadores de grano, blanqueadores o tensoactivos. Por ejemplo, a la composición de la invención se le puede añadir polietilenimina, polietilenglicol, 2,2'-dipiridilo, histidina, cisteína, imidazol o derivados de imidazol, a modo de ejemplo y no de limitación. Un agente blanqueador preferido es la histidina, la cual los inventores han descubierto que es beneficiosa para producir una capa depositada de plata blanca.

El pH de la solución se regula preferiblemente entre aproximadamente 7.0 y 12.0, más preferiblemente de 8.8 a 9.5 aproximadamente, utilizando un regulador de pH adecuado. Para regular el pH de la solución, se puede utilizar hidróxido potásico, hidróxido sódico, ácido sulfúrico o ácido acético, a modo de ejemplo y no de limitación.

Tal y como se ilustra en la Figura 4, la presente invención se refiere generalmente a un método para metalizar una célula solar fotovoltaica para depositar una capa gruesa de metal sobre la misma, teniendo dicha célula solar fotovoltaica un lado anterior y un lado posterior, en donde dicho lado posterior comprende una capa de un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio y aleaciones de aluminio, y teniendo dicho lado anterior un diseño metálico sobre el mismo, comprendiendo el método las etapas de:

a) poner en contacto la célula solar fotovoltaica con una composición de revestimiento inducido por luz que comprende:

i) una fuente de iones de plata solubles; y

ii) un agente que solubiliza iones de metal disueltos procedentes del metal en el lado posterior, comprendiendo el agente ácido cítrico o sales del mismo; y posteriormente

b) iluminar la célula solar fotovoltaica con energía radiante procedente de una fuente luminosa,

en donde el lado anterior y el lado posterior de la célula solar se cargan de manera opuesta y los iones de metal de la solución de revestimiento inducido por luz se depositan sobre el diseño metálico en el lado anterior de la célula solar, gracias a lo cual se deposita una capa de metal sobre el mismo, y en donde los iones de la capa de metal sobre el lado posterior se disuelven en la solución de revestimiento inducido por luz.

Tal y como se ha descrito anteriormente, el diseño metálico en el lado anterior de la célula solar comprende generalmente una pluralidad de líneas de captación de corriente y barras conductoras.

La fuente luminosa de la invención se coloca para iluminar la célula solar fotovoltaica con energía radiante. En la práctica de la invención se pueden usar diversas fuentes luminosas, que incluyen, por ejemplo, lámparas halógenas, lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes, diodos emisores de luz y lámparas de mercurio. Se puede usar cualquier intensidad o longitud de onda de luz, siempre y cuando la longitud de onda sea igual o menor que aproximadamente 1150 nm, que corresponde a la energía de banda prohibida del silicio.

El paso de poner en contacto la célula fotovoltaica con la composición de revestimiento inducido por luz comprende típicamente sumergir la célula fotovoltaica en la composición de revestimiento. En la práctica de esta invención no se requiere un contacto eléctrico con una fuente de alimentación externa.

Aunque no desean ceñirse a ninguna teoría, los inventores creen que existen dos mecanismos posibles para el revestimiento activado por luz por reducción de un ion de metal en el cátodo. En primer lugar, pueden donarse electrones a un catión de metal directamente del cátodo, lo que ocasiona la deposición de los átomos de metal; como las cargas positivas se acumulan en el lado anódico opuesto, los electrones deben suministrarse a este lado opuesto, ya sea por oxidación de un reductor químico presente en la solución de revestimiento o por oxidación y disolución del metal del lado anódico opuesto. Alternativamente, el cátodo puede catalizar la donación de un electrón del reductor químico al metal, lo que se traduce en la deposición del ion de metal sobre el cátodo. Puede que también se produzca una combinación de estos dos mecanismos. El resultado de cualquiera de los mecanismos es el mismo, concretamente, la deposición inducida por luz de metal se produce selectivamente sobre un cátodo de metal sin necesidad de sujetar contactos eléctricos externos a la célula.

Ejemplos

Ejemplo 1 (no reivindicado):

Se preparó una solución de revestimiento de la siguiente manera:

72,6 gramos/litro 5,5-dimetilhidantoína

20,2 gramos/litro acetato de plata

14.0 gramos/litro metanosulfonato de potasio

30.0 gramos/litro tartrato sodio potásico (“ sal de Rochelle” )

Se agregó KOH para que el pH fuera de 9.1

Ejemplo 2 (no reivindicado):

Se preparó una solución de revestimiento de la siguiente manera:

72.6 gramos/litro 5,5-dimetilhidantoína

20.2 gramos/litro acetato de plata

18.2 gramos/litro hidrato de ácido glioxílico

72.7 gramos/litro metano sulfonato de potasio

Se agregó NaOH para que el pH fuera de 9.2

Ejemplo 3 (no reivindicado):

Se preparó una solución de revestimiento de la siguiente manera:

48.0 gramos/litro hidantoína

10,3 gramos/litro ácido metanosulfónico

32.0 gramos/litro ácido bórico

28,7 gramos/litro metanosulfonato de plata

54.0 gramos/litro hidrato de ácido glioxílico

Se agregó KOH para que el pH fuera de 8.8

Ejemplo comparativo 1:

A efectos comparativos, se preparó de la siguiente manera una solución de revestimiento sin un solubilizante o reductor:

72,6 gramos/litro 5,5'-dimetilhidantoína

20,2 gramos/litro acetato de plata

Se agregó NaOH para que el pH fuera de 9.1

Las células solares ilustradas en las Figuras 1 y 2 se revistieron con estas soluciones. Las líneas en el lado anterior consistían en pasta de plata impresa y tenían aproximadamente 82 |um de anchura de media, tal y como se midió con un microscopio óptico descendente. Las barras conductoras en el lado posterior consistían en pasta de plata impresa y tenían un grosor de aproximadamente 4,5 |um, tal y como se midió por X-ray fluorescence (fluorescencia de rayos X - XRF).

Las soluciones de revestimiento se calentaron a 45 0C en un vaso de precipitados de vidrio transparente. Se sumergieron trozos de célula solar en la solución de revestimiento durante 8 min mientras su lado anterior se irradiaba con una lámpara halógena de 250 W a una distancia de aproximadamente 5 pulgadas. Después, las células se enjuagaron con agua desionizada y se secaron. Las anchuras de línea tras el procesamiento se midieron con un microscopio óptico descendente y los grosores de barra conductora posterior se midieron por XRF.

En la Tabla 1 se muestran los resultados de las mediciones de la anchura de línea anterior y del grosor de barra conductora posterior utilizando microscopía óptica y XRF, respectivamente.

Tabla 1.

Se observa que hay grandes aumentos en las anchuras de línea anterior en el caso de los Ejemplos 1-3, mientras que el Ejemplo comparativo 1 no muestra ningún aumento. Además, existe un aumento neto en el grosor de barra conductora de plata posterior en el caso de los Ejemplos 1-3, mientras que el Ejemplo comparativo 1 muestra una disminución neta, lo cual indica que se produce una corrosión anódica de la barra conductora.

Ejemplo 4 (no reivindicado):

Se realizó una comparación entre una célula revestida con plata procedente de una solución de electroplateado sin cianuro comercial (EPI E-Brite 50/50) y la presente invención.

Se preparó una solución de la presente invención de la siguiente manera:

17.5 gramos/litro de acetato de plata

52.5 gramos/litro de hidantoína

22,8 gramos/litro de ácido bórico

8,7 gramos/litro de ácido metanosulfónico

39.5 gramos/litro de sal de Rochelle

52,0 gramos/litro de hidrato de ácido glioxílico

Se agregó KOH para regular el pH hasta 8.8

Se revistieron trozos de célula solar con estas soluciones. Las líneas en el lado anterior consistían en pasta de plata impresa y tenían aproximadamente 82 |um de anchura de media, tal y como se midió con un microscopio óptico descendente. Se revistió un trozo de célula en la solución de este Ejemplo 4 durante 8 min a 45 0C en un vaso de precipitados de vidrio transparente mientras su lado anterior se irradiaba con una lámpara de 250 W a una distancia de aproximadamente 5 pulgadas. A efectos comparativos, se galvanizó un trozo de célula en el baño de plateado comercial afianzando un hilo de plata a la rejilla de pasta de plata anterior, que luego se conectó a una fuente de alimentación con ánodo inerte para cerrar el circuito, y haciendo pasar una corriente equivalente a 0,4 A/dm2 durante 180 s. Después, los trozos de célula se enjuagaron con agua desionizada y se secaron. Las anchuras de línea tras el procesamiento se midieron con un microscopio óptico descendente.

La anchura promedio de dedo para el control no procesado fue de aproximadamente 120 |um, tal y como se vio mediante el microscopio óptico descendente. Tras el revestimiento, la anchura promedio de dedo fue de aproximadamente 130 |um tanto para los dedos galvanizados como para los dedos revestidos por revestimiento inducido por luz. El perfil superficial del dedo revestido utilizando la presente invención es más suave y uniforme, y la capa de plata depositada densa es más gruesa en el caso de la presente invención.

Ejemplo 5 (no reivindicado):

Se realizó una comparación de las barras conductoras de pasta de plata posteriores revestidas por revestimiento inducido por luz, con y sin la inclusión de una sal de Rochelle.

La solución 5A se preparó de la siguiente manera:

13.5 gramos/litro de sulfato de plata

89.6 gramos/litro de 5,5-dimetilhidantoína

36,3 gramos/litro de acetato sódico

Se agregó KOH para regular el pH hasta 9.3

La solución 5B se preparó para que fuese idéntica a la solución 5A, salvo que se incluyó 10,75 gramos/litro de una sal de Rochelle.

Se revistieron trozos de célula solar con estas soluciones. Se revistieron trozos de célula en las soluciones 5A y 5B durante 7 min a 50 0C en un vaso de precipitados de vidrio transparente mientras su lado anterior se irradiaba con una lámpara de 250 W a una distancia de aproximadamente 5 pulgadas. Después, los trozos de célula se enjuagaron con agua desionizada y se secaron.

Es fácilmente observable una importante corrosión de la pasta de plata que comprende la barra conductora posterior cuando se revistió en la solución 5A sin la inclusión de una sal de Rochelle, mientras que no se observa visualmente ninguna corrosión cuando se revistió en la solución 5B con la inclusión de una sal de Rochelle. El grosor de plata en las barras colectoras se midió por X-ray fluorescence (fluorescencia de rayos X - XRF). En el caso del trozo revestido en la solución 5A, se midieron grosores no uniformes que oscilaban de aproximadamente 0,1 a 2,7 pm. En el caso del trozo revestido en la solución 5B, se midió un grosor uniforme de 3,5 pm.

Ejemplo 6:

Se realizó una comparación tanto de los dedos de pasta de plata anteriores y de las barras conductoras de pasta de plata del lado posterior después del revestimiento inducido por luz, con y sin la inclusión de ácido cítrico o de una sal de Rochelle.

La solución 6A se preparó de la siguiente manera:

8.6 gramos/litro de sulfato de plata

54.0 gramos/litro de 5,5-dimetilhidantoína

19.0 gramos/litro de ácido acético

Se agregó KOH para regular el pH hasta 9.2

Las soluciones 6B-6H se prepararon para que fuesen idénticas a la solución 6A, salvo que se incluyeron los solubilizantes mostrados en la Tabla 2. Las soluciones 6A, 6B y 6D-6H no son según las reivindicaciones.

Tabla 2.

Se revistieron trozos de célula solar con estas soluciones. Se revistieron trozos de célula de aproximadamente 5x5 cm2 en las soluciones 6A-6H durante 6 min y 16 min a 50 °C en un vaso de precipitados de vidrio transparente mientras su lado anterior se irradiaba con una lámpara de 250 W a una distancia de aproximadamente 5 pulgadas. Después, los trozos de célula se enjuagaron con agua desionizada y se secaron. Las células se pesaron antes y después del revestimiento para determinar la cantidad de masa ganada. Las anchuras de línea tras el procesamiento se midieron con un microscopio óptico descendente y los grosores de barra conductora posterior se midieron por XRF. La célula no procesada (control) tenía una anchura de dedo anterior de 94 pm y un grosor de barra conductora de plata posterior de 7,7 pm.

Tabla 3.

Se observa que las soluciones de revestimiento inducido por luz 6B y 6C, que contienen, respectivamente, una sal de Rochelle y ácido cítrico, dieron lugar a las mayores ganancias de masa y anchuras de dedo tras el revestimiento.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES

   i. Un método para metalizar una célula solar fotovoltaica para depositar una capa de metal sobre la misma, teniendo dicha célula solar fotovoltaica un lado anterior y un lado posterior, en donde dicho lado posterior comprende una capa de un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio y aleaciones de aluminio y comprendiendo dicho lado anterior un diseño que comprende metal sobre el mismo, comprendiendo el método las etapas de:

   a) poner en contacto la célula solar fotovoltaica con una composición de revestimiento inducido por luz que comprende:

   i) una fuente de iones de plata solubles; y

   ii) un agente que solubiliza iones de metal de aluminio disueltos procedentes de la capa de metal en el lado posterior, comprendiendo el agente ácido cítrico o sales del mismo; y posteriormente

   b) iluminar la célula solar fotovoltaica con energía radiante procedente de una fuente luminosa, en donde se depositan iones de metal de la solución de revestimiento inducido por luz sobre el diseño metálico en el lado anterior de la célula solar, y en donde la célula solar no está eléctricamente conectada a una fuente de alimentación externa durante el revestimiento, y en donde se disuelven iones de la capa de metal en el lado posterior en la composición de revestimiento inducido por luz.
2. 2. El método según la reivindicación 1, en donde la composición de revestimiento inducido por luz comprende un agente complejante para los iones de plata.
3. 3. El método según la reivindicación 1, en donde la fuente de iones de plata solubles se selecciona del grupo que consiste en óxido de plata, nitrato de plata, metanosulfonato de plata, acetato de plata, citrato de plata, sulfato de plata y combinaciones de uno o más de los anteriores.
4. 4. El método según la reivindicación 3, en donde la fuente de iones de plata solubles es acetato de plata.
5. 5. El método según la reivindicación 3, en donde la fuente de iones de plata solubles es metanosulfato de plata.
6. 6. El método según la reivindicación 3, en donde la fuente de iones de plata solubles es sulfato de plata.
7. 7. El método según la reivindicación 1, en donde la concentración de iones de plata solubles es entre aproximadamente 1 y aproximadamente 35 gramos/litro.
8. 8. El método según la reivindicación 1, en donde la concentración del agente solubilizante es entre aproximadamente 1 a 150 gramos/litro, pero es con máxima preferencia de 10 a 30 gramos/litro.
9. 9. El método según la reivindicación 2, en donde el agente complejante se selecciona del grupo que consiste en cianuro, succinimida o succinimida sustituida, hidantoína o hidantoína sustituida, uracilo, tiosulfato, aminas y combinaciones de uno o más de los anteriores;

   opcionalmente en donde el agente complejante es hidantoína o hidantoína sustituida.
10. 10. El método según la reivindicación 2, en donde la concentración del agente complejante es entre aproximadamente 20 a aproximadamente 150 gramos/litro.
11. 11. El método según la reivindicación 1, en donde el diseño que comprende metal en el lado anterior de la célula solar comprende líneas de captación de corriente y barras conductoras impresas sobre la misma; opcionalmente en donde el diseño que comprende metal comprende pasta de plata impresa.
12. 12. El método según la reivindicación 1, en donde la fuente luminosa es una seleccionada del grupo que consiste en lámparas halógenas, lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes, diodos emisores de luz, o lámparas de mercurio.
13. 13. El método según la reivindicación 1, en donde el paso de poner en contacto la célula fotovoltaica con la composición de revestimiento inducido por luz comprende sumergir la célula fotovoltaica en la composición de revestimiento inducido por luz.