ES2880836T3 - Método para producir una célula solar - Google Patents
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Abstract
Método para producir una célula solar (1), con: - un núcleo de silicio cristalino (2); - al menos una capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p (3, 3') y - al menos una capa de pasivación (4, 4'), que está constituida de silicio o de una aleación de silicio entre al menos una superficie (21, 22) del núcleo de silicio (2) y la al menos una capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p (3, 3'), en donde la capa de pasivación (4, 4') es separada de tal manera que la capa de pasivación (4, 4') producida presenta grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio (Si-H) y grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (Si-H2) y existe una relación (Q) de la pluralidad de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (nSi-H2) con respecto al número total de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (nSi-H2) y de los grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio (nSi-H) en un volumen comparativo de la capa de pasivación (4, 4') mayor que 0,4. **(Ver fórmula)** en dondela capa de pasivación (4, 4') es separada en varias etapas parciales de un proceso de descarga de plasma, caracterizado por que en una primera variante del método durante la separación de la capa de pasivación (4, 4') se aplica una secuencia alternativa de etapas de separación de plasma de silano y de etapas de tratamiento de plasma- H2, o en una segunda variante del método durante la separación de la capa de pasivación (4, 4') durante todas las etapas parciales del proceso de descarga de plasma se utiliza un plasma combustible continuo, que actúa sobre la capa de pasivación (4, 4'), y en una etapa parcial siguiente del proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación (4, 4'), que sigue a una etapa parcial precursora de este proceso de descarga de plasma, se modifica al menos un parámetro de separación variable, seleccionado a partir de los parámetros de separación como presión del proceso, potencia eléctrica y flujo de gas precursor, en comparación con el parametro de separación correspondiente respectivo de la etapa parcial precursora.
Description
DESCRIPCIÓN
Método para producir una célula solar
La presente invención se refiere a un método para producir una célula solar con un núcleo de silicio cristalino, con al menos una capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p y con al menos una capa de pasivación, que está constituida de silicio o de una aleación de silicio entre al menos una superficie del núcleo de silicio y la al menos una capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p.
Las células solares son componentes semiconductores, en los que luz incidente genera parejas de taladros de electrones. Los portadores de carga generados por la radiación de la luz, es decir, los electrones libres y los taladros, son conducidos a través de campos eléctricos configurados en la célula solar hacia electrodos de conexión exteriores y se acondicionan en éstos, unos electrodos exteriores para consumidores eléctricos. Para la configuración de un campo eléctrico en la célula solar se necesitan al menos una capa de semiconductores dopada p y una dopada n. En células solares altamente desarrolladas se emplean, sin embargo, también, en parte, otras capas, como por ejemplo segundas capas conductoras p y n, para la configuración de segundas transiciones p-n en células solares tándem o capas traseras altamente dopadas, que provocan campos eléctricos hacia los electrodos traseros.
Para conseguir una conversión efectiva de energía de luz en energía eléctrica en una célula solar, es importante que los portadores de carga generados en la célula solar sean recombinados en la célula solar con la menor probabilidad posible. Por recombinación se entiende la reunión de electrones y taladros, en la que los portadores de carga separados se pierden para una utilización fuera de la célula solar. La recombinación de portadores de carga se realiza con preferencia en los llamados centros de recombinación, que pueden ser, por ejemplo, enlaces insaturados en lugares de interferencia en un cristal semiconductor o en límites del grano en capas separadas. Pero los centros de recombinación no sólo provocan una reducción de la foto-corriente a través de la reducción de portadores de carga, sino que actúan también como lugares de interferencia en el hueco de la banda del semiconductor de las células solares y provocan de esta manera un empeoramiento de variables características importantes de la célula solar, como por ejemplo una elevación de la corriente oscura y una reducción de la tensión de la marcha en vacío (tensión de circuito abierto (Voc)). Así, por ejemplo, se conocen a partir de las publicaciones EP 1460 693 B1 y US 7.030.413 B2 las llamadas células solares de hetero-unión de silicio, en las que capas intermedias de silicio amorfas intrínsecas finas con contenido de hidrógeno (capas a-Si-H) pueden provocar, en una hetero-transición p-n entre un sustrato de silicio cristalino o bien núcleo de silicio (c-Si) y una capa amorfa, dopada inversa al núcleo de silicio, una mejora de parámetros importantes de las células solares. Las capas de a-Si:H son separadas típicamente por medio de separación química de fases de gas asistida con plasma (PECVD) o procedimientos similares.
Para conseguir una tensión de marcha en vacío alta y, por lo tanto, una alta eficiencia de una célula solar, la pasivación de las superficies de la oblea del sustrato de silicio cristalino (c-Si) a través de las capas a-Si:H intrínsecas finas debe ser de la mejor calidad posible. Una capa de a-Si:H vuelve pasiva a una superficie c-Si principalmente a través de hidrogenación de lugares de enlace de silicio abiertos (enlaces libres), lo que conduce a una reducción de la densidad de defectos de las superficies límites.
Para conseguir una pasivación mejorada, se ha propuesto, por ejemplo, a través de Hyun Jin Yang, Kwang-sun Ji, Junghoon Choi und Heon Min Lee en su artículo "Annealing effect on surface passivation of a-Si:H/c-Si interface in terms of crystalline volume fraction", Current Applied Physics 10 (2010) S375-S378 atemperar a continuación capas de a-Si : H intrínsecas separadas sobre sustrato de silicio (c-Si) cristalino dopadas n, con lo que se realiza una activación y reordenación del hidrógeno móvil en las capas de a-Si:H hacia la superficie límite entre sustrato cristalino y la capa amorfa, donde el hidrógeno es atrapado en los enlaces abiertos (dangling bonds) del silicio cristalino y de esta manera se realiza una pasivación mejorada del silicio cristalino.
No obstante, un desarrollo de células solares no está todavía concluido, sino que se necesita otra mejora y un incremento de la eficiencia de células solares.
En el artículo de Fujiwara et al. "Optimization of interface structures in crystalline silicon heterojunction solar cells", Solar Energy Materials & Solar Cells 93 (2009), páginas 725 - 728 se describe una secuencia de capas de un sustrato de silicio cristalino no dopado y una capa de a-SiO:H-i que se encuentra directamente encima, en donde con espectroscopia-ATR se han determinado, entre otras, las porciones-SiH con 3,7 at.% y las porciones de SiH2 con 12,4 at.% en la capa de a-SiO:H-i. Por lo demás, en este artículo se indican valores de efectividad medidos de una pluralidad de células solares fabricadas de diferentes maneras en función de la densidad de potencia-RF utilizada, respectivamente, y de la temperatura de separación utilizada.
El artículo de Fujiwara et al. "Interface structure in a-Si:H/C-Si heterojunction solar cells characterized by optical diagnosis technique", Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, IEEE, mayo 2006, páginas 1443 - 1448 se ocupa de la estructura de las superficies límites en células solares de a-Si:H/c-Si. Por medio de espectroscopia-ATR se ha establecido en una formación de capas de a-Si:H p-i configurada
sobre un sustrato de Si(100) una alta concentración de enlaces-SiH2 en una capa a-Si:H i. Además, en este artículo están contenidas indicaciones sobre la influencia de la temperatura de separación utilizada en cada caso sobre la célula solar.
En el artículo de J. Mitchell "Surface passivation of multi-crystalline silicon by multilayer deposition of hydrogenated amorphous silicon", Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21.-25. Septiembre 2009, páginas 1569 - 1573 se ha pasivado en la superficie silicio multicristalino dopado n o p a través de separación multicapas-CVD de silicio amorfo con contenido de hidrógeno, es decir, a través de la separación sucesiva de capas de a-Si:H intrínsecas muy finas. Entre las capas de a-Si:H dopadas n o p pueden estar previstas, respectivamente, capas intermedias finas de a-Si:H(i). Las sub-capas de a-Si:H individuales han sido separadas siempre de la misma manera con PECVD a 225 °C.
En el artículo de Man-Chi Huang et al. "The effect of H2 treatment on heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) solar cell performance using 40.68 MHz VHF-PECVD system", 37th Photovoltaic Specialists Conference, 19. junio 2011, Páginas 3001 - 3004 se han tratado capas de silicio amorfas finas utilizadas para la configuracion de células solares-HIT con plásma de hidrógeno, con lo que se ha mejorado la característica de las células solares.
El artículo de T. Mueller et al. "Investigation of the emitter band gap widening of heterojunction solar cells by use of hydrogenated amorphous carbon silicon alloys", Journal of Applied Physics, Vol. 102, Nr. 7, 4. Octubre 2007, página 74505 se ocupa de la incorporación de hidrógeno y carbono en capas de [a-SixC1-x(n):Hy]- y [a-Six(n):Hy].
Por lo tanto, el cometido de la presente invención es preparar un método para producir una célula solar, que se caracteriza por una tensión de marcha en vacío incrementada.
La célula solar se caracteriza por que la capa de pasivación presenta grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio (Si-H) y grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (Si-H2), en donde una relación (Q) de la pluralidad de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (nSi-H2) con respecto al número total de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio y grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio (nSi-H2) (nSi-H) está en un volumen comparativo de la capa de pasivación mayor que 0,4.
De manera sorprendente, se ha constatado que en la capa de pasivación no es suficiente acondicionar hidrógeno en la forma suministrada a partir del estado de la técncia de grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio. En la célula solar se elevan claramente las actuaciones ventajosas de una capa de pasivación con contenido de hidrógeno a través de la preparación de hidrógeno en forma de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio frente a las capas de pasivación conocidas a partir del estado de la técnica con grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio. La fabricación de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio requiere métodos de fabricación especiales altamente desarrollados. Con métodos de fabricación utilizados experimentalmente se han fabricado capas, en las que estaba presente hidrógeno tanto en grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio como también en grupos de moléculas de di-hidruro de silicio. La caracterización eléctrica de células solares, en las que se han ensayado capas de pasivación con diferentes concentraciones de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio y grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio, ha dado como resultado que es ventajoso configurar las superficies límites con una relación del número de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio con respecto al número total de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio y de grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio mayor de 0,4. No se ha previsto en este caso un límite superior para la concentración de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio, de manera que el hidrógeno en la capa de pasivación se puede ligar en el caso extremo según la invención también sólo en grupos de moléculas de di-hidruro de silicio, en donde en este caso especial la relación de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio con respecto a grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio es entonces igual a 1. Una porción grande de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio es una medida para una alta calidad de las capas. Por lo tanto, la relación entre grupos de moléculas de di-hidruro de silicio y todos los grupos de moléculas de di-hidruro de silicio y grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio se designa en este caso como factor de calidad o factor-Q. En experimentos se han fabricado buenas células solares, en las que se han medido factores-Q de 0,57; 0,6 o 0,63, por lo que se prefiere especialmente un factor-Q > 0,57.
Para la medición de la concentración de grupos de moléculas de hidruro de silicio ha dado buen resultado, en condiciones de laboratorio, la espectroscopia infrarroja, por ejemplo, como medición de reflexión total debilitada. Por ejemplo, los grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio tienen una línea de absorción entre 1980 cm-1 y 2020 cm-1 y los grupos de moléculas de di-hidruro de silicio tienen una línea de absorción entre 2080 cm-1 y 2120 cm-1. El factor-Q, que se utiliza según la invención para la caracterización de la capa de pasivación, puede determinarse a partir de un espectro de absorción infrarroja. Para la caracterización de capas de pasivación se pueden emplear, sin embargo, también otros métodos de medición directa o indirecta. Otros métodos de medición son, por ejemplo, la espectroscopia
de masas de iones secundarios (SIMS) de alta resolución, la espectroscopia de electrodos de Auger (AES), la elipsometría espectral, la espectroscopia de transformación de Fourier infrarroja de reflexión (DRIFTS), la espectroscopia de Raman, la detección de rebobina elástica (ERDS), el análisis de reacción nuclear (NRA), la espectroscopia de electrones para análisis químicos (ESCA) o métodos con el microscopio reticular.
En un desarrollo de la célula solar, la capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p y/o la capa de pasivación presentan átomos de carbono en enlaces-Si-C. Especialmente sobre el lado de la célula solar, en el que está prevista la incidencia de radiación solar, se ha revelado como ventajoso emplear capas con una brecha de banda mayor que silicio. Capas ensayadas con éxito son, por ejemplo, capas de carburo de silicio o capas de silicio, que contienen carbono en enlaces de carburo de silicio. La absorción óptica más reducida unida con la presencia de enlaces de carburo de silicio conduce a que penetre más luz hasta el núcleo de silicio cristalino en la célula solar y de esta manera se pueda utilizar más efectivamente. Esta propiedad no sólo es favorable para la capa de silicio o de aleación de silicio dopada p o n, implicada en la configuración de la transición pn o pin, sino también para la capa de pasivación. La concentración de átomos de carbono en las capas puede presentar en este caso también gradientes.
En otra configuración de la célula solar, la capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p y/o la capa de pasivación presentan átomos de oxígeno en enlaces-Si-O. La fabricación de enlaces de monóxido de silicio conduce igualmente a una brecha de banda mayor en comparación con capas de silicio y a una transparencia óptica mayor de estas capas. Un dopado de oxígeno no sólo se contempla para la capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p, sino también para la capa de pasivación. También son posibles capas, en las que están previstos tanto enlaces de carbono de silicio como también o de oxígeno de silicio. En este caso, pueden estar previstos diferentes gradientes para átomos de carbono y átomos de oxígeno, por ejemplo, para poder cumplir óptimamente requerimientos de conductividad eléctrica, requerimientos de transparencia óptica y requerimientos de cristalinidad.
En diferentes configuraciones de la célula solar, la al menos una capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p y/o la capa de pasivación son una capa amorfa, fotocristalina, nanocristalina o microcristalina. La cristalinidad de las capas empleadas tiene diferentes influencias sobre variables características de células solares y sobre la degradación de las células solares. Una cristalinidad determinada no es, en general, buena o mala, sino que va unida con diferentes ventajas e inconvenientes. La selección de una cristalinidad determinada es en este caso típicamente la realización de un compromiso entre las diferentes ventajas e inconvenientes. Las ventajas de las capas amorfas son, por ejemplo, una alta transparencia óptica y una reducida densidad de puntos de interferencia, unida con una efectividad eléctrica inicial grande. En cambio, es un inconveniente la fuerte degradación de estas capas, que puede conducir a una caída fuerte de potencia de células solares en el caso de empleo de muchos años de las células solares. Algunas propiedades de las capas, por ejemplo, la transparencia óptica, que son importantes sobre todo sobre el lado delantero de las células solares, en el que incide la luz, no tienen, sin embargo, ninguna o poca importancia sobre el lado trasero de la célula solar. Por lo tanto, puede ser posible que para una capa del lado delantero de la celula solar sea óptima una cristalinidad distinta que para una capa sobre el lado trasero de la célula solar.
En una forma de realización ventajosa de la célula solar, la al menos una capa de pasivación es una capa intrínseca. Intrínseca significa en este caso que la capa no está dopada p o n en la fabricación de la célula solar. La capa de pasivación puede ser en este caso una capa muy fina de solamente algunas capas atómicas y de un espesor de algunos Angstrom o algunos nanómetros, que está previsto en una zona de transición entre una región conductora n y una región conductora p. A pesar de la inserción de la capa de pasivación no dopada, la transición pn puede presentar mejores propiedades que una transición pn sin capa de pasivación intercalada. Se conocen también células solares con una llamada transición pin, en las que entre una capa conductora n y una capa conductora p está prevista una capa intrínseca gruesa, en la que se absorbe una parte esencial de la radiación solar y se utiliza para la generación de parejas de taladros de electrones. En tal tipo de células solares, la capa de pasivación rica en di-hídruro de silicio o bien puede configurar ella misma toda la capa intrínseca o puede configurar también una o ambas capas de pasivación entre las capas de silicio o de aleación de silicio dopadas p o n y la capa intrínseca.
En otras variantes de la célula solar, la al menos una capa de pasivación es una capa al menos parcialmente dopada. La capa de pasivación no tiene que ser separada forzosamente como capa no dopada. También es posible separar la capa de pasivación dopada p o dopada n o doparla con aceptores o con donadores después de la separación, por ejemplo, a través de difusión. De esta manera, se obtiene una capa de pasivación dopada p o n, que es rica en enlaces de di-hidruros de silicio. En diferentes células solares, la capa de pasivación está dopada sólo sobre superficies parciales, por ejemplo, en algunas células solares se generan en la zona de contacto con electrodos unos dopajes más fuertes que el llamado emisor selectivo. En este caso, es posible que en el curso de la fabricación de estas regiones dopadas localmente se realice también un dopaje local de la capa de pasivación.
El cometido de la invención se soluciona según la presente invención por medio de un método para producir una célula solar del tipo mencionado anteriormente, que se caracteriza por que la capa de pasivación es separada en varias etapas parciales de un proceso de descarga de plasma de tal manera que la capa de pasivación producida presenta grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio (Si-H) y grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (Si-H2) y existe
una relación (Q) de la pluralidad de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (nsi-H2) con respecto al número total de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio y grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio (nSi-H2 nSi-H) en un volumen comparativo de la capa de pasivación mayor que 0,4.
en donde la capa de pasivación es separada en varias etapas parciales de un proceso de descarga de plasma, y en donde en una primera variante del método durante la separación de la capa de pasivación se aplica una secuencia alternativa de etapas de separación de plasma de silano y de etapas de tratamiento de plasma-H2, o
en una segunda variante del método durante la separación de la capa de pasivación durante todas las etapas parciales del proceso de descarga de plasma se utiliza un plasma combustible continuo, que actúa sobre la capa de pasivación, y en una etapa parcial siguiente del proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación, que sigue a una etapa parcial precursora de este proceso de descarga de plasma, se modifica al menos un parámetro de separación variable, seleccionado a partir de los parámetros de separación como presión del proceso, potencia eléctrica y flujo de gas precursor, en comparación con el parametro de separación correspondiente respectivo de la etapa parcial precursora.
Para la fabricación de la capa de pasivación se emplea también un método de separación de plasma altamente desarrollado, que presenta varias etapas parciales. Con este método es posible generar en la capa de pasivación grupos de moléculas de di-hidruro de silicio. En este caso, se prepara una parte grande del hidrógeno incorporado en la capa de pasivación en grupos de moléculas de di-hidruro de silicio, lo que se puede medir en que la relación de la pluralidad de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio con respecto al número total de grupos de moléculas de dihidruro de silicio y de grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio es mayor que 0,4. La medición de la pluralidad de los grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio se realiza según el método de medición utilizado sobre una superficie de muestra determinada, que multiplicada por el espesor de la capa da como resultado un volumen de la muestra. Este volumen de la muestra es el volumen comparativo, en el que se obtienen los valores de medición y se ponen en relación entre sí.
En un desarrollo del método, en el caso de la separación de la capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p y/o de la capa de pasivación se emplea al menos temporalmente un precursor de carbono, en donde a través del empleo del precursor de carbono, la capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p generada y/o la capa de pasivación generada presenta átomos de carbono en enlaces-SiC. Mientras que en la variante básica del método la capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p y/o la capa de pasivación se separan en forma de silicio hidrogenado, en este desarrollo del método se incorpora también carbono en la capa, de manera que se obtiene carburo de silicio (SiC) o una capa con enlaces de carburo de silicio. El carbono se prepara como precursor de carbono primero en la fase de gas. Un precursor de carbono habitual es, por ejemplo, metano. A través de la incorporación de enlaces de carbono en la(s) capa(s) se consigue una brecha de banda mayor, que puede repercutir de manera favorable sobre las propiedades eléctricas de la célula solar fabricada. Es especialmente favorable la utilización de una capa con una brecha de banda incrementada frente a silicio sobre el lado delantero de la célula solar, que está expuesto a la radiación solar. Las capas con una brecha de banda grande pueden encontrar aplicación, sin embargo, también sobre el lado trasero de la célula solar, que puede ser favorable, por ejemplo, por razones de una fabricación sencilla y económica con un recubrimiento bilateral en un único proceso de separación.
En otro ejemplo de realización del método según la invención, en el caso de la separación de la capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p y/o de la capa de pasivación se emplea al menos temporalmente un precursor de oxígeno, en donde a través del empleo del precursor de oxígeno, la capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p generada y/o la capa de pasivación generada presentan átomos de oxígeno en enlaces-Si-O. El monóxido de silicio es un material transparente óptico y conductor con una brecha de banda grande. Por lo tanto, se puede emplear monóxido de silicio o silicio dopado con oxígeno con enlaces de monóxido de silicio con ventaja para la fabricación de células solares.
El método según la invención se puede realizar según un aspecto de la invención de manera que en el caso de la separación de la capa de pasivación se utiliza una secuencia alternativa de etapas de separación de plasma y de etapas de tratamiento de plasma H2. En esta configuración del método según la invención se interrumpe brevemente la descarga de plasma entre las etapas parciales individuales. A través de este modo de proceder, en el que se realiza en el tiempo intermedio siempre de nuevo un tratamiento con hidrógeno de los estratos separados de la capa de pasivación a generar, se eleva el contenido total de hidrógeno de la capa de pasivación como también la relación entre SiH2 y SiH en la capa frente a separaciones sencillas de la capa de plasma de silano. Esto conduce de nuevo a una elevación de la duración de vida del portador minoritario en la capa de pasivación separada, condicionado por la buena hidrogenación de la superficie límite entre sustrato de silicio cristalino y capa de pasivación amorfa, que está presente ya antes o bien ya al comienzo de una atemperación siguiente.
En la segunda variante del método según la invención, en el caso de la separación de la capa de pasivación durante todas las etapas parciales del proceso de descarga de plasma se utiliza un plasma combustible continuo que actúa sobre la capa de pasivación. Es decir, que en esta forma de realización del método según la invención no se interrumpe la descarga de plasma durante la separación de la capa, tampoco cuando se modifican en el intermedio parámetros de la separación de la capa. A través de separaciones asistidas con plasma se puede realizar una activación efectiva y una conversión de los precursores empleados para la separación de la capa a temperaturas relativamente bajas. Debido a la separación cuantitativa de alta calidad y en este caso económica en procesos asistidos con plasma, éstos se emplean con preferencia para la fabricación de células solares. En el caso de la separación de una capa en varias etapas parciales se enciende en este caso el plasma normalmente en determinadas etapas parciales y se desconecta en otras etapas parciales. En la variante preferida del método según la invención, el plasma arde, sin embargo, continuamente sobre varias etapas parciales sucesivas. A través del funcionamiento continuo del plasma se evitan dispersiones estadísticas mayores de los movimientos de partículas desde el plasma. Con el plasma bien definido ardiendo continuamente se pueden fabricar selectivamente las capas de pasivación ricas en di-hidruro de silicio.
En la segunda variante del método según la invención se modifica en una etapa parcial siguiente del proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación, que sigue a una etapa parcial de precursor de este proceso de descarga de plasma, al menos un parámetro de separación variable, seleccionado de los parámetros de separación presión del proceso, potencia eléctrica y flujo de gas precursor, en comparación con el parámetro de separación correspondiente respectivo de la etapa parcial precursora. Las diferentes etapas parciales en el método de separación se diferencian por al menos un parámetro de separación modificado. Al menos uno de los parámetros de separación es, por lo tanto, en una etapa parcial siguiente, diferente que en una etapa parcial precedente. Parámetros de separación importantes, que tienen influencia sobre las capas fabricadas y, por lo tanto, se pueden utilizar para el ajuste selectivo de determinadas propiedades de las capas, son la presión del proceso, la potencia eléctrica para la fabricación del plasma y el flujo de gas precursor, que tiene en colaboración con otros flujos de gas precursor, por ejemplo, influencia sobre la composición de la atmósfera de separación. En las diferentes secciones parciales se pueden generar diferentes actuaciones sobre la capa fabricada. Por ejemplo, en una primera etapa parcial se puede realizar un acondicionamiento de la superficie, en una segunda etapa parcial se puede realizar una separación sobre una superficie acondicionada y en una tercera etapa parcial se puede realizar un tratamiento posterior de la capa parcial separada anteriormente.
La modificación de los parámetros de separación se puede realizar en este caso paso a paso en diferentes etapas parciales. En otra variante del método según la invención, se incrementa o se reduce continuamente el parámetro de separación modificado en al menos una etapa parcial. En esta variante del método, no se realiza ninguna modificación repentina de uno o varios parámetros de separación, sino su o sus modificaciones continuas. Esta modificación puede consistir en un incremento paulatino o en una reducción paulatina del parámetro modificado. La modificación continua de parámetros de separación se puede emplear en este caso selectivamente, por ejemplo, para alcanzar un gradiente en la actuación correspondiente. No obstante, la modificación continua puede resultar también a partir de condiciones marginales técnicas dadas. Por ejemplo, la concentración de una sustancia en una cámara de separación no se puede modificar repentinamente, sino que la concentración sólo se puede reducir o elevar con velocidades de modificación limitadas.
En una forma de realización especialmente preferida del método según la invención, en una primera etapa parcial del proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación se conducen un flujo de gas precursor de silicio y un flujo de gas hidrógeno a una cámara de proceso y en una segunda etapa parcial se enciende un plasma, en donde el plasma se enciende con un pulso de potencia inicial que es suficientemente grande para impedir un crecimiento epitáctico de la capa de pasivación sobre el núcleo de silicio cristalino. La potencia del plasma tiene una influencia directa sobre la velocidad de separación del proceso de separación asistido con plasma. En el caso de velocidades de separación altas es cada vez menos improbable un crecimiento epitáctico sobre un cristal de silicio. Cuando un crecimiento epitáctico no es deseable, por ejemplo, por que debe fabricarse una capa amorfa o una capa nanocristalina, se puede conseguir con la ayuda de la potencia del plasma, por ejemplo, una separación inicial definida con la cristalinidad deseada. La configuración de un pulso se puede solucionar técnicamente con un tiempo de pulso muy corto y con parámetros de pulso definidos, de manera que, a pesar de la potencia alta utilizada, se separa un espesor de capa muy pequeño con desviaciones reducidas desde un espesor objetivo. El espesor de capa separado durante un impulso puede ser, por ejemplo, inferior a una monocapa o estar en el intervalo de pocas monocapas. Los tamaños de caracterización técnica concreta del pulso de potencia dependen de una serie de factores, por ejemplo, de los materiales utilizados, de la pureza de la superficie y de la fuente de plasma utilizada. El técnico que trabaja en el campo de la separación de plasma está en condiciones, sin embargo, en virtud de sus conocimientos técnicos, de establecer adecuadamente el pulso de potencia inicial.
En una configuración especialmente preferida del método según la invención, se separa en una etapa parcial del proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación, con la participación de un flujo de gas precursor de silicio, de un flujo de gas de hidrógeno y de un plasma, el estrato de la capa de pasivación, y en otra etapa parcial se mantienen el flujo de gas de hidrógeno y el plasma, mientras que se reduce o se desconecta el flujo
de gas precursor de silicio. En esta variante del método, se realiza una separación por estratos de una capa, por ejemplo, de una capa de silicio o de una capa de carburo de silicio, y a continuación se realiza un tratamiento con plasma del estrato precisamente separado de la capa. Estas dos etapas parciales no tienen que estar nítidamente separadas una de la otra, sino que también es posible que en la primera etapa parcial mencionada se realice una separación con una alta velocidad de separación y en la otra etapa parcial se realice una separación con una velocidad reducida de separación, de manera que el efecto de tratamiento de hidrógeno domina esta etapa parcial y, a pesar de todo, durante el tratamiento de hidrógeno se realiza otra separación reducida. La realización exacta del método depende de muchos factores y puede ser concretada por un técnico responsable sobre la base de sus conocimientos técnicos.
En un desarrollo de esta configuración del método, se realiza el proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación como un método de fabricación de capas de estrato-sobre-estrato, en donde la secuencia de las dos etapas parciales mencionadas se repite al menos una vez. A través del método de fabricación de estratosobre-estrato se puede realizar la calidad de cada estrato, por ejemplo, a través de un tratamiento posterior con plasma de hidrógeno, y a través de la superposición de varios estratos se puede generar un espesor de capa deseado en la calidad deseada.
Formas de realización preferidas de la presente invención, su estructura, función y ventajas se explican en detalle a continuación con la ayuda de figuras, en las que:
La figura 1 muestra esquemáticamente una sección transversal de una célula solar fabricada según la invención.
La figura 2 muestra un espectro de absorción infrarroja medido en una célula solar con curvas de modelos; y
La figura 3 muestra esquemáticamente una secuencia de proceso posible según la invención para la fabricación de una capa de pasivación sobre un núcleo de silicio cristalino.
La figura 1 muestra un ejemplo de realización de una célula solar 1 fabricada según la invención en una representación esquemática de la sección transversal. Las proporciones de los elementos individuales de la célula solar 1 están esbozadas de una manera adecuada para la representación, en donde los elementos individuales no se representan a escala. La célula solar 1 representada presenta un núcleo de silicio cristalino 2, que está dopado p en el ejemplo de realización representado. En otros ejemplos de realización no representados de la presente invención, el núcleo de silicio cristalino 2 está dopado también n o intrínsecamente, es decir, que no está dopado con aceptores o donadores. En el ejemplo de realización representado en la figura 1 de una célula solar 1 según la invención están presentes, por lo tanto, dos capas de silicio o de aleación de silicio dopadas 3 y 3', en donde la capa de silicio o de aleación de silicio 3 es inversa al núcleo de silicio cristalino 2, por lo que en el ejemplo de realización representado está dopada n. La capa de semiconductores dopada 3', en cambio, está dopada p, siendo el dopaje en la capa de silicio o de aleación de silicio dopada 3' mayor que en el núcleo de silicio cristalino 2 dopado p. Entre el núcleo de silicio cristalino 2 y las capas de silicio o de aleación de silicio dopadas 3 y 3' se encuentra, respectivamente, una capa de pasivación 4, que es en el ejemplo de realización representado una capa de silicio amorfo hidrogenado intrínseco.
La célula solar 1 funcionaría, en principio, también si se omitiesen las capas de pasivación 4 y 4'. En este caso estarían presentes superficies límites entre el núcleo de silicio cristalino 2 y las capas de silicio o de aleación de silicio dopadas 3, 3'.
Las capas de pasivación 4, 4' son capas de silicio hidrogenado, en las que está incorporado hidrógeno. El hidrógeno está ligado, en gran parte bajo la configuración de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio, en átomos de silicio, siendo la relación Q entre los enlaces de di-hidruro de silicio y la suma de enlaces de di-hidruro de silicio y de monohidruro de silicio mayor que 0,4.
El hidrógeno presente en grupos de moléculas de di-hidruro de silicio se ha revelado como una clave para la consecución de células solares muy bien pasivizadas. Por pasivación se entiende la saturación de lugares de enlace libres, los llamados "dangling bonds", que se realiza, por ejemplo, a través de la ligazón de hidrógeno en estos lugares de unión. La célula solar con superficies límites ricas en di-hidruro de silicio, que se configuran a través de las capas de pasivación 4, 4', se caracterizan por variables características eléctricas ventajosas, como por ejemplo una alta tensión de marcha en vacío (Voc) y una corriente oscura inversa pequeña y, en general, por un rendimiento fotoeléctrico grande.
En el ejemplo de realización representado en la figura 1 de una célula solar 1, la conexión exterior de la célula solar 1 sobre el lado delantero 10 de la célula solar 1 se realiza a través de una capa de óxido 5 conductora transparente y a través de contactos metálicos delanteros 7. El lado delantero 10 se define en este caso como el lado de la célula solar 1, sobre el que está prevista la incidencia de radiación solar 9. Sobre su lado trasero, la célula solar 1 presenta en el ejemplo de realización representado en la figura 1 para el contacto una capa de óxido trasera 6 conductora transparente y un contacto trasero 8 de toda la superficie. El contacto trasero 8 es una capa metálica, que provoca,
además del contacto eléctrico, también una reflexión de la luz, que ha sido transmitida inutilizada a través de la célula solar 1.
Además del tipo representado de un ejemplo de realización de la célula solar 1, existen otros muchos ejemplos de realización no representados de células solares que se pueden fabricar según la invención. En un ejemplo de realización no representado de una célula solar 1, por ejemplo, todos los contactos están dispuestos sobre el lado trasero 11 de la célula solar 1, siendo necesarios entonces dopajes locales y contacto del núcleo de silicio cristalino 2 y de la capa de silicio o de aleación de silicio 3, 3' dopada p o n.
En otro ejemplo de realización no representado de la célula solar 1 fabricada según la invención, la célula solar 1 está configurada como una llamada célula solar tándem, en la que sobre el lado delantero de una primera célula solar está configurada otra célula solar, cuya sensibilidad espectral se diferencia de la primera célula solar y que presenta una transición-pn o transición-pin propia.
La figura 2 muestra un ejemplo de un espectro de absorción infrarroja 12 medido, que ha sido medido en una forma de realización de una célula solar 1. En este caso, la absorción infrarroja (absorbancia) A está registrada sobre el índice de ondas (número de ondas) W. El espectro de absorción 12 medido se puede interpretar con la ayuda de una curva de modelo para la línea de absorción infrarroja Si-H2 con un índice de ondas de 2080 /- 20 cm-1 y una línea de absorción infrarroja de grupos de moléculas-Si-H con un índice de ondas de 2000 /- 20 cm-1. A partir de la relación de las variables de estas superficies se puede calcular un factor-Q según
n S Í - H 2
Q = > 0,4
n S Í -H 2 + n S Í - H
que, cuando es mayor que 0,4, es característico para las células solares. Especialmente es muy ventajoso que el factor Q se pueda ajustar a un valor por encima de 0,5. Se han calculado resultados todavía mejores con valores para Q por encima de 0,6. Cuando más alto es el factor Q, tanto mejores propiedades de pasivación se han podido calcular para la(s) capa(s) de pasivación 4, 4', lo que repercute de una manera correspondiente positiva sobre la(s) eficiencia(s) de la(s) célula(s) solar(es) que se pueden fabricar según la invención.
La figura 3 muestra esquemáticamente una secuencia posible de una separación de capas asistida con plasma para la fabricación de una capa de pasivación hidrogenada 4, 4' sobre un núcleo de silicio monocristalino 2. La representación en la figura 3 muestra la potencia P en relación al tiempo del proceso t. En este caso se realiza una secuencia alternativa de etapas de separación con plasma y etapas de tratamiento con plasma-H2. En el ejemplo de realización mostrado, que está realizado sólo de forma ejemplar, pero no limitativo con respecto al índice, longitud y secuencia de etapas y potencia utilizadas, el proceso de separación ha sido dividido en tres etapas de separación de capas de plasma de silano más cortas, que han sido seguidas, respectivamente, por etapas de tratamiento de plasma-H2. A través de este tipo de procedimiento se eleva la concentración de hidrógeno en la capa de pasivación, con lo que se puede saturar bien especialmente la superficie límite entre sustrato cristalino y capa de pasivación con hidrógeno, lo que conduce de nuevo a una mejora clara de las propiedades de pasivación de la capa de pasivación 4, 4'. También sin atemperación siguiente o bien con un tiempo de atemperación siguiente más corto se puede conseguir, a través de una conducción del proceso, como se representa esquemáticamente en la figura 3, una elevación clara de la duración de vida de los portadores minoritarios.
Claims (7)
1.Método para producir una célula solar (1), con:
- un núcleo de silicio cristalino (2);
- al menos una capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p (3, 3') y
- al menos una capa de pasivación (4, 4'), que está constituida de silicio o de una aleación de silicio entre al menos una superficie (21,22) del núcleo de silicio (2) y la al menos una capa de silicio o de aleación de silicio dopada n o p (3, 3'), en donde
la capa de pasivación (4, 4') es separada de tal manera que la capa de pasivación (4, 4') producida presenta grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio (Si-H) y grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (Si-H2) y existe una relación (Q) de la pluralidad de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (nSi-H2) con respecto al número total de grupos de moléculas de di-hidruro de silicio (nSi-H2) y de los grupos de moléculas de mono-hidruro de silicio (nSi-H) en un volumen comparativo de la capa de pasivación (4, 4') mayor que 0,4.
en dondela capa de pasivación (4, 4') es separada en varias etapas parciales de un proceso de descarga de plasma, caracterizado por que en una primera variante del método durante la separación de la capa de pasivación (4, 4') se aplica una secuencia alternativa de etapas de separación de plasma de silano y de etapas de tratamiento de plasma-H2, o
en una segunda variante del método durante la separación de la capa de pasivación (4, 4') durante todas las etapas parciales del proceso de descarga de plasma se utiliza un plasma combustible continuo, que actúa sobre la capa de pasivación (4, 4'), y en una etapa parcial siguiente del proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación (4, 4'), que sigue a una etapa parcial precursora de este proceso de descarga de plasma, se modifica al menos un parámetro de separación variable, seleccionado a partir de los parámetros de separación como presión del proceso, potencia eléctrica y flujo de gas precursor, en comparación con el parametro de separación correspondiente respectivo de la etapa parcial precursora.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que en el caso de la separación de la capa de silicio o de aleación de silicio (3, 3') dopada n o p y/o de la capa de pasivación (4, 4') se emplea al menos temporalmente un precursor de carbono, en donde a través del empleo del precursor de carbono, la capa de silicio o de aleación de silicio (3, 3') dopada n o p y/o la capa de pasivación (4, 4') presentan átomos de carbono en enlaces-Si-C.
3. Método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que en el caso de la separación de la capa de silicio o de aleación de silicio (3, 3') dopada n o p y/o de la capa de pasivación (4, 4') se emplea al menos temporalmente un precursor de oxígeno, en donde a través del empleo del precursor de oxígeno, la capa de silicio o de aleación de silicio (3, 3') dopada n o p y/o la capa de pasivación (4, 4') presentan átomos de oxígeno en enlaces-Si-O.
4. Método según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la segunda variante del método, se incrementa o se reduce continuamente el al menos un parámetro de separación variable en al menos una etapa parcial del proceso de descarga de plasma.
5. Método según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la segunda variante del método, en una primera etapa parcial del proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación (4, 4') se conduce un flujo de gas precursor de silicio y un flujo de gas de hidrógeno a una cámara de proceso y en una segunda etapa parcial de este proceso de descarga de plasma se enciende un plasma, en donde el plasma se enciende con un pulso de potencia inicial, que es suficientemente grande para impedir un crecimiento epitáctico de la capa de pasivación (4, 4') sobre el núcleo de silicio cristalino (2).
6. Método según la reivindicación 4 o 5, caracterizado por que en una etapa parcial del proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación (4, 4'), con la participación de un flujo de gas precursor de silicio, de un flujo de gas de hidrógeno y de un plasma, se separa un estrato de la capa de pasivación (4, 4'), y en otra etapa parcial del proceso de descarga de plasma se mantienen el flujo de gas de hidrógeno y el plasma, mientras que se reduce o se desconecta el flujo de gas precursor de silicio.
7. Método según la reivindicación 6, caracterizado por que el proceso de descarga de plasma para la separación de la capa de pasivación (4, 4') se realiza como un proceso de fabricación de la capa estrato-por-estrato, en donde la secuencia de las dos etapas parciales se repite al menos una vez.
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