ES2901323T3 - Dispositivo fotovoltaico y método para fabricar el mismo - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo (1) fotovoltaico que es un dispositivo fotovoltaico de contacto posterior interdigitado (IBC), que comprende: - un sustrato (3) a base de silicio que es de dopaje de tipo p o de tipo n y que tiene una primera cara (3a) que define un plano X-Y; - una capa (5) de silicio amorfo intrínseco a-Si:H(i) situada sobre dicha primera cara (3a); - una primera capa (2) de silicio modelada situada sobre dicha capa (5) intrínseca, siendo dicha primera capa (2) de silicio de dopaje de tipo p o de tipo n, comprendiendo dicha primera capa (2) de silicio modelada intersticios (2") entre porciones (2') de recogida de carga, comprendiendo cada una de dichas porciones (2') de recogida de carga segundas porciones (2b) de una capa de silicio al menos parcialmente nanocristalina en su lado alejado de dicho sustrato (3) a base de silicio; - estando situada una segunda capa (4) de silicio nanocristalino sobre dichas porciones (2') de recogida de carga, y sobre dichos intersticios (2"), y que tiene otro tipo de dopaje que el tipo de dopaje de dicha capa (2) de silicio modelada, en donde - dichas porciones (2') de recogida de carga comprenden, cada una, una porción (2a) de capa amorfa situada entre dicha capa (5) intrínseca y dichas segundas porciones (2b), teniendo dichas porciones (2a) de capa amorfa, en al menos una de sus secciones transversales paralelas a dicho plano X-Y, y en cualquier dirección radial, una anchura (L2a) mayor que es mayor que cualquier anchura (L2b) de dichas segundas porciones (2b), estando dichas porciones (2a) de capa amorfa y dichas segundas porciones (2b) básicamente centradas entre sí.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo fotovoltaico y método para fabricar el mismo
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de los dispositivos fotovoltaicos. Más en particular, se refiere a un dispositivo fotovoltaico con contactos posteriores del tipo de contacto posterior interdigitado (IBC), en el que el material colector está modelado, lo que da como resultado un dispositivo que comprende una unión de túnel en la parte posterior del dispositivo. La invención también se refiere a un método para producir este dispositivo fotovoltaico.
Una aplicación particularmente ventajosa de la presente invención es para la producción de células fotovoltaicas altamente eficientes destinadas a generar energía eléctrica, pero la invención también se aplica, de manera más general, a cualquier dispositivo similar en donde una radiación entrante sea convertida en una señal eléctrica, tales como fotodetectores y detectores de radiaciones ionizantes.
Antecedentes de la invención
Las células solares de heterounión de silicio de contacto posterior interdigitado (IBC-SHJ), si bien son altamente eficientes, presentan dificultades debido a su sumamente complejo procesamiento. De hecho, la realización de dispositivos IBC-SHJ requiere modelar las capas traseras de a-Si:H y las pilas de TCO/metal en peines interdigitados, con una precisión muy alta. La mayoría de las técnicas conocidas del estado de la técnica se basan en el uso de procesos complejos y costosos. Se describen ejemplos en, por ejemplo, los siguientes documentos:
- Efficient interdigitated back-contacted silicon heterojunction solar cells, N.Mingirulli et al, Phys.status solidi-Rapid Res. Lett., Vol.5, n.° 4, págs. 159-161, abril de 2011;
- The role of back contact patterning on stability and performance of Si IBC heterojunction solar cells, U.K.DAS et al., Proceedings of the 40the IEEE Photovoltaic Specialist Conference, 2014, vol. 1;
La solicitud de patente internacional WO 2006/077343 describe un ejemplo típico de un dispositivo que requiere dos etapas de modelado, pero necesita una capa aislante entre los dedos n y p, lo que hace que el proceso sea complejo.
Independientemente de las técnicas de modelado elegidas, todos los enfoques de la técnica anterior requieren modelar tanto las estructuras colectoras de electrones como de huecos. Esto hace que la realización de todos los dispositivos IBC-SHJ existentes sea larga, delicada y, por lo tanto, muy poco rentable.
Para abordar este problema, se ha propuesto modelar solo una primera capa de silicio que es una capa dopada con n o una capa dopada con p, es decir, una estructura colectora de electrones o de huecos. En estos dispositivos, una segunda capa de silicio de un segundo tipo se deposita encima de las estructuras de recogida de carga modeladas. El dispositivo resultante se denomina "dispositivo IBC-HJT de unión de túnel".
En realizaciones ilustrativas del dispositivo, el primer tipo de estructura colectora de carga es una capa de a-Si:H de tipo n modelada, y el modelado de esa capa proporciona una estructura colectora de carga.
En tal realización, una capa de a-Si:H de tipo p cubre tanto la capa amortiguadora intrínseca de a-Si:H como dicha estructura colectora de carga. En comparación con las técnicas en las que los dos tipos de colectores de carga tienen que modelarse, tal flujo de proceso da como resultado un proceso más simple y, por lo tanto, rentable, porque la segunda capa de silicio, que es del tipo dopado opuesto con respecto al tipo dopado de dicha primera capa de silicio, forma una estructura colectora autoalineada. Aunque el proceso de fabricación de tales dispositivos es más simple que aquellos en los que se estructuran ambos tipos de dedos colectores de portadores de carga, las eficiencias son menores, tal como por ejemplo en el caso del dispositivo descrito en el documento EP 1519422.
El diseño del dispositivo descrito en el documento EP3371833A1, e ilustrado en la figura 1, propone una solución al problema de que la capa de túnel es homogénea y tiene las mismas propiedades cuando está situada en la capa de amortiguación intrínseca y en los dedos colectores de huecos modelados. El documento EP3371833A1 describe una célula solar de heterounión de silicio de contacto posterior interdigitado en la que una primera capa de silicio de un primer tipo está estructurada y forma islas (N) colectoras de carga también llamadas "dedos" colectores de carga, y es una estructura sustancialmente microcristalina pero que comprende una porción amorfa en contacto con la capa amortiguadora.
En el dispositivo del documento EP3371833A1 se proporciona una capa única en dichas islas colectoras de carga y en dichos intersticios (I) entre dichas islas colectoras de carga. La capa (P en la figura 1) comprende una porción (PA) amorfa en dichos intersticios (I), en contacto con la capa 5 intrínseca amorfa, y por lo tanto tiene diferentes propiedades cuando está presente en las estructuras microcristalinas o en la capa intrínseca amorfa que está situada entre estas estructuras. Los electrodos (E1-E3), como almohadillas de contacto o dedos de contacto, se realizan en la parte superior de la capa P de túnel.
Para alcanzar el rendimiento más alto, una célula solar IBC de túnel debe exhibir una resistencia de contacto muy baja, tanto para los contactos de los electrones como de los huecos. El concepto de unión de túnel, como se presenta en el documento EP3371833A1, se basa en la diferenciación del crecimiento de la capa de silicio (p) entre el colector de huecos (3-5-P-E2 en la figura 1) y los colectores de electrones (3-5-N-P-E1, 3-5-N-P-E3 en la figura 1).
Por lo general, la capa (p) de silicio crece inicialmente más amorfa en el colector de huecos mientras crece inmediatamente nanocristalina en el colector de electrones. Esto se debe al hecho de que el crecimiento inicial de la capa de silicio en las zonas del área de recogida de huecos se realiza en la capa 5 de silicio amorfo, mientras que en las zonas de las estructuras colectoras de electrones el crecimiento ocurre en una capa de silicio ya nanocristalina (N en la figura 1).
El dispositivo ilustrado en la figura 1 ilustra el grosor relativamente importante de la capa p amorfa (PA) del dispositivo descrito en el documento EP3371833A1. La asimetría de la capa p permite alcanzar una resistencia de contacto muy baja para la pila del colector de electrones (3/5/N/P/E1 o 3/5/N/P/E3 en la figura 1), típicamente 20-50 mOhm.cm2, mientras que el emisor o la pila de colectores de huecos (3/5/PA/P/E2 en la figura 1) presenta una mayor resistencia de contacto, típicamente 50-300 mOhm.cm2, debido a su naturaleza parcialmente amorfa. La fuerte diferencia de conductividad eléctrica entre una capa amorfa y una nanocristalina inhabilita o reduce fuertemente la conducción lateral eléctrica entre los contactos de huecos y electrones, evitando así el cortocircuito entre ambos tipos de contactos. Las conductividades eléctricas típicas para una capa amorfa dopada de tipo n están en el intervalo de 0,001 S/cm a 0,01 S/cm. Una conductividad típica para la capa nanocristalina dopada de tipo n está en el intervalo de 1 S/cm a 100 S/cm.
El inconveniente de tal estructura descrita en el documento EP3371833A1 es la limitación de la resistencia de los contactos de los huecos para alcanzar valores muy bajos, ya que debe permanecer parcialmente amorfa para evitar la derivación lateral. Para alcanzar una baja resistencia de contacto, especialmente en la interfaz entre la capa p y las almohadillas de contacto para el contacto de los huecos, se deben utilizar condiciones de plasma más agresivas para reducir o evitar por completo la fase amorfa de la capa (p) de silicio. La mayor nanocristalinidad de esta capa, que proporciona una ventajosa baja resistencia de contacto a las almohadillas de contacto, al mismo tiempo muestra una mayor conductividad lateral. La conductividad lateral más alta aumenta la posibilidad de que las cargas que se deben recoger en un tipo de contacto viajen a la región de otro tipo de contacto, donde pueden recombinarse con el tipo opuesto de cargas y, por lo tanto, perderse. Por tanto, un dispositivo de célula solar mostraría una resistencia a la derivación y una eficiencia de célula inferiores incluso con la ventajosa resistencia de contacto más baja.
Por lo tanto, es necesario encontrar una solución para evitar la baja resistencia a la derivación entre ambos contactos a la vez que se explote todo el potencial de baja resistencia de contacto para ambos tipos de contactos.
Una unión de túnel es una barrera, tal como una fina capa aislante o potencial eléctrico entre dos materiales conductores de electricidad. Los electrones o huecos atraviesan la barrera mediante el proceso de tunelización cuántica, lo que proporciona cierta probabilidad de atravesar la barrera. Por lo general, una unión de túnel en células fotovoltaicas utiliza semiconductores degenerados y muy dopados para facilitar la recombinación directa de portadores de electrones y huecos. La región de agotamiento es muy delgada (intervalo nanométrico) lo que permite el transporte de un lado de la unión al otro lado. En consecuencia, al crear un IBC basado en la unión de túnel propuesta por el documento EP3371833A1, se forma una unión de túnel alrededor de las estructuras dopadas del primer tipo (N en la figura 1), que incluye bordes laterales sustancialmente rectos, que evitan el uso de una capa altamente nanocristalina como se discutió anteriormente.
Compendio de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico que permite paliar las desventajas de la técnica anterior. En particular, la invención permite utilizar, a diferencia de los dispositivos de la técnica anterior, una capa altamente nanocristalina depositada sobre colectores de carga dopados de primer tipo estructurados, tales como colectores de carga de huecos o de electrones estructurados.
Por consiguiente, la presente invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico que es un dispositivo fotovoltaico de contacto posterior interdigitado (IBC) que comprende:
- un sustrato a base de silicio que es de dopaje de tipo p o de tipo n y que tiene una primera cara que define un plano X-Y;
- una capa de silicio amorfo intrínseca de a-Si:H(i) situada sobre dicha primera cara;
- una primera capa de silicio modelada situada sobre dicha capa intrínseca, siendo dicha primera capa de silicio de dopaje de tipo p o de tipo n,
- comprendiendo dicha primera capa de silicio modelada intersticios entre las porciones de recogida de carga que comprenden cada segunda porciones de una capa de silicio al menos parcialmente nanocristalina en su lado alejado de dicho sustrato a base de silicio.
- estando situada una segunda capa de silicio nanocristalino sobre dichas porciones de recogida de carga, y en dichos intersticios, y que tiene otro tipo de dopaje que el tipo de dopaje de dicha capa de silicio modelada
Las porciones de recogida de carga comprenden, cada una, una porción de capa amorfa situada entre dicha capa intrínseca y dichas segundas porciones, teniendo dichas porciones de capa amorfa, en al menos una de sus secciones transversales paralelas a dicho plano X-Y, y en cualquier dirección radial, un ancho mayor que es mayor que cualquier ancho de dichas segundas porciones, estando dichas porciones de capa amorfa y dichas segundas porciones (2b) básicamente centradas entre sí.
En una realización, la anchura más grande de las porciones de capa amorfa es al menos un 10% mayor que dicha cualquier anchura de dichas segundas porciones.
En una realización, dicha capa amorfa tiene una altura entre 1 nm y 25 nm, y en donde la altura de dichas primeras porciones de recogida de carga está entre 25 nm y 100 nm.
En una realización, dicha primera capa de silicio modelada y/o dicha segunda capa de silicio nanocristalino incluye oxígeno y/o carbono.
En una realización, dicha capa amorfa y/o dichas segundas porciones comprenden oxígeno (O) y/o carbono (C).
En una realización, dicha segunda capa de silicio nanocristalino tiene una fase cristalina superior al 50%.
La invención también se logra mediante un método para la fabricación de un dispositivo fotovoltaico como se describe y comprende las etapas (a-d) de:
a. proporcionar un sustrato a base de silicio que tiene un dopaje de tipo n o de tipo p y que comprende una capa de a-Si:H(i) amorfa intrínseca situada sobre dicha primera cara;
b. realizar sobre áreas predeterminadas de dicha capa intrínseca, una primera deposición de una capa de silicio amorfo de tipo n o de tipo p, para crear una capa amorfa modelada que comprende una pluralidad de islas de capa amorfa distintas y separadas;
c. realizar sobre cada una de dichas islas de capa amorfa una segunda deposición de una segunda capa nanocristalina que tiene el mismo tipo de dopaje que dicha capa amorfa, siendo dicha segunda deposición diferente a dicha primera deposición, para crear encima de cada una de dichas islas de capa amorfa, formando dichas segundas porciones de capa nanocristalina con dichas islas de capa amorfa una pluralidad de porciones de recogida de carga, teniendo dichas porciones de capa amorfa, para cualquiera de su sección transversal paralela a dicho plano X-Y, una primera área proyectada sobre dicho plano X-Y que es mayor que una segunda área proyectada, en dicho plano X-Y, de dicha segunda capa nanocristalina;
d. realizar una única capa de silicio nanocristalino sobre dichas porciones de recogida de carga y sobre los intersticios entre dichas porciones de recogida de carga, teniendo dicha capa única de silicio nanocristalino un tipo de dopaje diferente al tipo de dopaje de dichas porciones de recogida de carga.
En una realización, dicha capa de silicio amorfo y dicha segunda capa nanocristalina se depositan ambas utilizando la misma máscara.
En una realización, la deposición de la capa de silicio amorfo y dicha segunda capa nanocristalina se realiza utilizando dos máscaras diferentes, realizándose dicha primera deposición utilizando una primera máscara que tiene aberturas más grandes que la segunda máscara utilizada en dicha segunda deposición.
En una realización, dichas primera y segunda etapas de deposición se realizan utilizando la misma máscara, y en donde durante dicha primera deposición la máscara no está en contacto con dicho sustrato, y en donde durante dicha segunda etapa de deposición la máscara está en contacto con dicho sustrato proporcionando primeras porciones de recogida de carga que comprenden porciones de capa amorfa que son más anchas que dichas segundas porciones de capa nanocristalina.
En una realización, al menos una máscara para depositar dicha capa de silicio amorfo y/o dicha segunda capa nanocristalina es una máscara mecánica hecha de INVAR o acero inoxidable.
En una realización, dichas primera y segunda etapas de deposición se realizan utilizando una sola máscara que tiene aberturas sustancialmente cónicas para proporcionar patrones de diferentes tamaños de dicha capa de silicio amorfo y/o dicha segunda capa nanocristalina cuando se utilizan diferentes tipos de parámetros de deposición, tales como densidad de fase gaseosa, temperatura, mezcla de gases, generación de precursores reactivos o una combinación de los mismos.
Breve descripción de los dibujos
La presente invención se describirá ahora con referencia a los dibujos adjuntos, donde:
- la figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de un dispositivo fotovoltaico de túnel IBC-HJT de la técnica anterior en el que solo se modela un tipo de estructuras colectoras de carga y en el que una capa del otro tipo cubre tanto la estructura colectora de carga modelada como sus intersticios, y tiene diferentes propiedades en dichas estructuras modeladas y en dichos intersticios;
- la figura 2 es una vista esquemática en sección transversal de un dispositivo fotovoltaico de la invención que ilustra las diferentes zonas de contacto y la forma de una isla amorfa de una capa modelada amorfa en contacto con una capa intrínseca situada encima de un sustrato. La figura 2 ilustra también que las primeras estructuras colectoras de carga están compuestas por una porción amorfa grande y una porción nanocristalina menos ancha. La figura 2 ilustra también los intersticios de dicha capa modelada amorfa, a través de los cuales los segundos tipos de carga, opuestos a las primeras cargas, se transmiten a un electrodo que no se ilustra
- la figura 3 ilustra una realización de una estructura colectora de carga del dispositivo de la invención;
- la figura 4 ilustra una vista superior del lado posterior de un IBC-SHJ de la invención;
- la figura 5 ilustra una parte ampliada de la vista superior de la figura 4 en la parte posterior de un IBC-SHJ de la invención
- las figuras 6 a 10 ilustran diferentes realizaciones de las estructuras colectoras de carga de la invención y, de forma más precisa, posibles formas de la superficie de contacto entre islas amorfas y una segunda capa nanocristalina;
- la figura 11 ilustra el nivel de energía de una unión de túnel formada por una estructura colectora de carga estructurada;
- la figura 12 ilustra el nivel de energía de una zona de separación sin tunelado; la figura 13 ilustra una sección transversal de una estructura colectora de carga de la invención.
- la figura 14 muestra una imagen de microscopio de un detalle de una estructura colectora de carga antes de la deposición de una segunda capa de silicio nanocristalino;
- la figura 15 ilustra una estructura de la técnica anterior que muestra una zona de contacto que incluye un contacto de unión de túnel entre una primera capa 2b nanocristalina y una segunda capa 4 nanocristalina
- la figura 16 ilustra una sección transversal de una estructura colectora de carga de la invención que muestra una zona de contacto que incluye un contacto de unión de túnel entre una primera capa 2b nanocristalina y una segunda capa nanocristalina, y muestra una zona de separación que incluye un contacto de bloqueo entre la primera capa 2a amorfa y una segunda capa nanocristalina.
- la figura 17 ilustra curvas IV (curvas de corriente - voltaje) de células solares IBC-HJT acabadas de la invención, que incluyen estructuras colectoras de carga con y sin las denominadas zonas de separación realizadas depositando una capa amorfa adicional más grande.
Descripción detallada
La presente invención se describirá con respecto a realizaciones particulares y con referencia a ciertos dibujos, pero la invención no se limita a los mismos. Los dibujos descritos son solo esquemáticos y no limitativos. En los dibujos, el tamaño de algunos de los elementos puede estar exagerado y no estar dibujado a escala con fines ilustrativos. Las dimensiones y las dimensiones relativas no corresponden a reducciones reales a la práctica de la invención.
Debe observarse que el término "que comprende" en la descripción y las reivindicaciones no debe interpretarse como restringido a los medios enumerados a continuación, es decir, no excluye otros elementos.
La referencia en toda la memoria descriptiva a "una realización" significa que un rasgo, estructura o característica particular descrita en relación con la realización se incluye en al menos una realización de la invención. Por tanto, las apariciones de la expresión "en una realización" o, "en una variante", en diversos lugares a lo largo de la descripción no se refieren necesariamente a la misma realización, sino a varias. Además, los rasgos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada, como resultará evidente para un experto a partir de esta descripción, en una o más realizaciones. De manera similar, diversas características de la invención a veces se agrupan en una única realización, figura o descripción, con el fin de facilitar la lectura de la descripción y mejorar la comprensión de uno o más de los diversos aspectos de la invención. Además, aunque algunas realizaciones descritas en lo sucesivo incluyen algunas pero no otras características incluidas en otras realizaciones, se pretende que combinaciones de características de realizaciones diferentes estén dentro del alcance de la invención, y de diferentes realizaciones. Por ejemplo, cualquiera de las realizaciones reivindicadas puede utilizarse en cualquier combinación. También se entiende que la invención se puede poner en práctica sin algunos de los numerosos detalles específicos
expuestos. En otros casos, no todas las estructuras se muestran en detalle para no oscurecer la comprensión de la descripción y/o las figuras.
La expresión sección transversal en el documento se define como una sección transversal horizontal, es decir, una sección transversal en un plano X-Y paralelo al plano del sustrato. La expresión vertical significa aquí perpendicular al sustrato. Una sección transversal vertical es una sección transversal en un plano que comprende el eje vertical Z que es ortogonal al sustrato. Los planos X-Z e Y-Z definen planos verticales que son ortogonales al sustrato. Los planos horizontales son planos X-Y que son paralelos al sustrato. Una dirección radial significa una dirección definida en una sección transversal horizontal, así definida también en un plano horizontal. Una dirección lateral se define en una dirección X y/o Y en un plano horizontal. Una anchura se define como una anchura de una estructura que cruza una línea virtual en una sección transversal horizontal, dicha anchura también se define como un diámetro.
Los espesores se definen en el presente documento como espesores en la dirección vertical, es decir, en la dirección del eje Z.
En el presente documento, las primeras estructuras 2' colectoras de carga se definen como estructuras que están configuradas para recoger cargas positivas o negativas cuando el dispositivo está en funcionamiento. Tales cargas pueden ser electrones o huecos. Las cargas del signo opuesto se recogen, en funcionamiento, en el medio, es decir, a través de los intersticios 2” de dichas primeras estructuras 2' colectoras de carga.
Se ha encontrado que, para resolver el problema descrito en la sección de la técnica anterior, una segunda capa 4 aún puede depositarse como una capa altamente nanocristalina, cuando se cambia la forma de las estructuras 2 colectoras de carga del otro tipo de contacto. Por ejemplo, una capa 4 altamente nanocristalina del tipo p puede depositarse sobre y entre las estructuras 2' colectoras de carga de tipo n, o una capa 4 completamente nanocristalina del tipo n puede depositarse sobre y entre las estructuras 2’ colectoras de carga de tipo p'. Dicha capa 4 altamente nanocristalina es una capa continua, es decir, una capa que no tiene aberturas. El nuevo diseño de las estructuras 2' colectoras de carga se realiza depositando las primeras porciones 2a de estructura, definidas también como una porción 2a de capa amorfa, que tiene una composición de tipo amorfo. En la parte superior de estas primeras porciones 2a de estructura, se depositan segundas porciones 2b de estructura más pequeñas, que tienen una composición de tipo nanocristalino, y también se definen como segundas porciones 2b de capa nanocristalina. Por tanto, dichas primeras porciones 2a de estructura son más grandes que dichas segundas porciones 2b de estructura. Estas segundas porciones 2b de estructura están centradas preferiblemente sobre dichas primeras porciones 2a de estructura.
El nuevo diseño de las estructuras 2 da una nueva denominada zona 20 de separación que sirve para separar lateralmente las zonas 10 y 30 de contacto. Estas zonas 20 de separación garantizan una alta resistencia a la derivación entre los diferentes tipos de contactos 10, 30 incluso cuando se utiliza una capa 4 altamente nanocristalina.
A continuación se describirán diferentes realizaciones.
El dispositivo 1 fotovoltaico de la invención es un dispositivo fotovoltaico de contacto posterior interdigitado (IBC) y comprende:
- un sustrato 3 a base de silicio que tiene un dopaje de tipo p o de tipo n y que tiene una primera cara 3a que define un plano X-Y y una dirección Z vertical ortogonal a dicho plano X-Y;
- una capa 5 de a-Si:H(i) amorfa intrínseca situada sobre dicha primera cara 3a, que define áreas 5a predeterminadas como se ilustra en la figura 2;
- una primera capa 2 de silicio modelada, situada sobre dicha capa 5 intrínseca, intrínseca, comprendiendo dicha primera capa 2 de silicio modelada los intersticios 2" entre dichas primeras porciones 2' de recogida de carga, comprendiendo dichas porciones 2' de recogida de carga una primera capa 2a parcial y una segunda capa 2b parcial.
- una segunda capa 4 de silicio nanocristalino situada sobre dichas primeras porciones 2' de recogida de carga y dichos intersticios 2”, teniendo dicha segunda capa 4 de silicio un dopaje de otro tipo que dicha primera capa 2 de silicio modelada,
- almohadillas conductoras de electricidad, no ilustradas en las figuras, situadas sobre dicha segunda capa 4 de silicio nanocristalino.
Como es evidente, por ejemplo, en la figura 2, dichos intersticios 2" son aberturas en la primera capa 2 de silicio modelada, realizadas mediante el proceso de deposición como se describe más adelante. La primera capa 2a parcial tiene una estructura amorfa que se deposita directamente encima de la capa 5 intrínseca y la segunda parte 2b se deposita encima de la primera capa 2a parcial y tiene una estructura nanocristalina;
El aspecto esencial de la invención es que dichas porciones 2a de capa amorfa tienen, en al menos una de sus secciones transversales paralelas a dicho plano X-Y, y en cualquier dirección radial en esa sección transversal, una
dimensión L2a que es mayor que la dimensión L2b de dichas porciones 2b de capa nanocristalina. Las porciones 2b de capa nanocristalina están básicamente centradas sobre las porciones 2a amorfas y por eso una parte de la capa 2a sobresale a lo largo del borde de las primeras porciones 2' colectoras de carga, definiendo una interfaz amorfa/nanocristalina entre la capa amorfa 2a y la capa 4 nanocristalina que conduce a la denominada zona 20 de separación. Esta zona 20 de separación separa las zonas 10 de contacto de un tipo de las zonas 30 de contacto de otro tipo. Son posibles las siguientes combinaciones:
- un sustrato 3 de tipo n y una primera capa 2 de silicio modelada de tipo n y una segunda capa 4 de silicio nanocristalino de tipo p, que es una realización preferida;
- un sustrato 3 de tipo n y una primera capa 2 de silicio modelada de tipo p y una segunda capa 4 de silicio nanocristalino de tipo n;
- un sustrato 3 de tipo p y una primera capa 2 de silicio modelada de tipo n y una segunda capa 4 de silicio nanocristalino de tipo p;
- un sustrato 3 de tipo p y una primera capa 2 de silicio modelada de tipo p y una segunda capa 4 de silicio nanocristalino de tipo n.
La primera capa 2 de silicio modelada de forma particular de la invención proporciona un efecto sorprendente que es la esencia para resolver los problemas relacionados con dispositivos tales como los descritos en el documento EP 3371833A.
Para distinguir la descripción utilizada anteriormente de una capa de silicio amorfo y una capa de silicio nanocristalino, estos términos se definen ahora.
Una capa de silicio amorfo debe entenderse como una estructura de silicio entrelazada aleatoriamente, no ordenada, en la que los enlaces no enlazados a átomos de silicio vecinos están típicamente saturados por átomos de hidrógeno. La expresión capa amorfa también debe incluir redes de silicio amorfo con estructuras ordenadas de rango cercano que están en el rango de varios átomos.
Una capa de silicio nanocristalino se considera como una capa que contiene cristales de silicio de tamaño nanométrico, incrustados en una matriz a base de silicio amorfo hidrogenado. Los cristales de tamaño nanométrico tienen un tamaño entre varios nm (>3 nm) hasta varios 100 nm (<500 nm). Al depositar una capa nanocristalina de una fase gaseosa, puede mostrar una capa de nucleación amorfa que comienza a adquirir una naturaleza más cristalina con el aumento del espesor de la capa, ya sea por una mayor densidad de nanocristales y/o nanocristales de mayor tamaño.
En la mayoría de los casos prácticos, típicamente en realizaciones como las de las figuras 2-8, dichas porciones 2a de capa amorfa tienen, en todas sus secciones transversales paralelas a dicho plano X-Y, y en cualquier dirección radial en esa sección transversal, una anchura que es mayor que la anchura de dichas porciones 2b de capa nanocristalina. En la mayoría de los casos prácticos, la anchura más grande de las porciones 2a de capa amorfa será la anchura en la interfaz con la capa 5 amortiguadora.
En variantes, dichas primeras porciones 2’ de recogida de carga pueden tener una sección transversal vertical como se ilustra en la figura 3. Tales casos se pueden describir en general como sigue: una porción 2a de capa amorfa tiene una mayor anchura L2a que es mayor que la mayor anchura L2b de dicha capa 2b parcialmente nanocristalina. Las primeras porciones 2’ de recogida de carga pueden tener cualquier forma definida en cualquier plano paralelo a dicho plano X-Y. Las secciones transversales horizontales de las primeras porciones 2’ de recogida de carga pueden tener formas lineales o circulares.
En la presente invención, la estructura particular de la estructura 2 colectora de carga que comprende una porción 2a amorfa y una porción 2b nanocristalina, y que crea de forma más precisa zonas 20 de separación entre los contactos 30 de primer tipo y los contactos 10 de segundo tipo, permite evitar una derivación lateral cuando se utiliza una segunda capa 4 altamente nanocristalina. En una realización preferida, la primera capa 2 de silicio modelada es del tipo n y la segunda capa 4 de silicio nanocristalino es del tipo p.
En la figura 13 se ilustra una vista ampliada, y los niveles de energía en la zona 30 de contacto y las zonas 20 de separación se ilustran respectivamente en las figuras 11 y 12. Cuando se proporciona una capa 2a amortiguadora más ancha hecha, por ejemplo, de silicio amorfo dopado con n antes de la deposición de una capa 2b nanocristalina dopada con n menos ancha, la zona 20 de separación alrededor de la estructura 2’ de contacto incluye un diodo PN estándar (no de túnel) hecho de una capa de a-Si:H(n) y una capa de nc-Si:H(p) como se muestra en la Figura 12. Este diodo se comporta como un diodo PN típico con un campo eléctrico interno en la región de agotamiento. Este efecto de campo evita que las cargas de electrones y de huecos se recombinen en el borde de los dedos sobre una longitud predeterminada, definida como la longitud de una sección transversal vertical de dicha zona 20 de separación, como se ilustra en la figura 2. Estas zonas 20 de separación garantizan una alta resistencia a la derivación entre los diferentes tipos de contactos 10, 30 incluso cuando se utiliza una capa 4 altamente nanocristalina. Mediante el procedimiento de la invención, que se describe con más detalle en la sección de métodos, se realiza una zona 20 de
separación, que evita la recombinación de electrones-huecos a lo largo de los bordes de las estructuras 2 de contacto, mientras que las zonas 30 de contacto en las estructuras 2 de contacto, que incluyen un diodo de túnel, se encuentran simplemente en el área central de las estructuras 2 de contacto donde hay un contacto directo entre las capas 2b nanocristalinas y la capa 4 nanocristalina, también ilustrada en la figura 11, en la que se ilustran esquemáticamente los niveles de energía.
Para demostrar el beneficio sorprendente de la presente invención, el tiempo de vida de los portadores minoritarios medido con y sin la amplia capa 2a amortiguadora de a-Si(n) de la invención se resumen a continuación:
- el tiempo de vida del portador minoritario después de la pasivación de doble cara con capas de a-Si:H(i), con o sin amortiguador 2a de a-Si(n), es 8000 gs;
- el tiempo de vida del portador minoritario después de la capa 2b nanocristalina (n) depositada mediante una máscara sin amortiguador 2a de a-Si(n) es 6650 gs, y es 8200 gs con amortiguador de a-Si(n);
- el tiempo de vida del portador minoritario después de la deposición de la capa 4a nanocristalina (p) sin amortiguador 2a de a-Si(n) es 400 gs, y es 7460 gs con amortiguador de a-Si(n).
El precursor de la célula solar se mide después de depositar las capas de a-si:H(i) de doble cara, luego nuevamente después de depositar la capa 2b modelada nanocristalina con y sin estructuras 2a modeladas de capa amorfa más anchas, estando las estructuras 2a amorfas individuales más anchas colocadas debajo de las estructuras 2b individuales más pequeñas centradas entre sí. Una tercera medición del tiempo de vida del portador minoritario se realiza después de la deposición de la segunda capa 4 nanocristalina. La eliminación de las estructuras 2a de capa más ancha degrada fuertemente el tiempo de vida del portador minoritario (es decir, a 400 gs) mediante la recombinación interna de los portadores a lo largo de los bordes de las estructuras 2, inhibiendo los dispositivos IBC HJT para que alcancen una alta eficiencia, mientras que la inserción de las estructuras 2a de capa amorfa más ancha mantiene la pasivación a un nivel excelente (es decir, a 7460 gs).
Así, la presente invención presenta una morfología específica del dedo electrónico, que proporciona un efecto sorprendente, es decir, proporciona una unión de contacto solo en la parte central de las estructuras 2 de contacto, mientras que a lo largo de los bordes de las estructuras 2 de contacto una zona 20 de separación lateral presenta una barrera eléctrica (en dirección lateral), actuando como una zona de aislamiento, que evita la recombinación de los portadores de electrones-huecos. La longitud de la zona de separación (típicamente 5 a 100 gm) se puede modificar mediante varios medios que se describen a continuación.
La diferencia entre la estructura de la técnica anterior descrita en el documento EP3371833A1 y los dedos colectores de carga de la invención se ilustra en la figura 15 (estructura del documento EP3371833A1) y la figura 16 (estructura de la invención).
En la figura 15, la estructura de contacto electrónico tiene la misma anchura a lo largo de su espesor, con un material de capa hecho de "silicio amorfo de tipo n o silicio protocristalino o silicio nanocristalino o silicio microcristalino o cualquier combinación o pila de estos capas o cualquier aleación hecha de estas capas (tal como aleación con oxígeno o carbono)". Cuando se compara con el dispositivo de la técnica anterior de la figura 15, la invención (figura 16) se diferencia por la inserción de una capa amorfa dopada con n dedicada que es más grande que las capas dopadas con n nanocristalinas colocadas por encima. La parte de la capa 2a que sobresale de la capa 2b crea la zona 20 de separación que sirve como zona de aislamiento eléctrico a lo largo de los bordes de las estructuras 2 de contacto que no existe en la técnica anterior. Esta zona de aislamiento evita la recombinación de portadores de electrones y huecos en los bordes de las estructuras 2 de contacto que se presentaba antes (Tabla 1).
En una realización, dicha capa 2a amorfa está en contacto directo con dicha capa 5 de a-Si:H(i) amorfa intrínseca. En variantes, puede depositarse una capa adicional, no ilustrada, entre la capa 5 y la capa 2a amorfa.
En una realización, ilustrada en la figura 3, dicha anchura L2a de dichas porciones 2a de capa amorfa es preferiblemente un 10% más grande, incluso más preferiblemente un 20% más grande, que dicha anchura L2b de dicha capa 2b nanocristalina. En variantes, el área proyectada virtual, en un plano X-Y de dichas porciones 2a de capa amorfa puede ser un 5% más grande, preferiblemente un 10% más grande, incluso más preferiblemente un 20% más grande que el área proyectada virtual, en un plano X-Y, de dicha capa 2b al menos parcialmente nanocristalina.
En una realización, dicha capa 2a amorfa tiene una altura Ha entre 1 nm y 45 nm, preferiblemente entre 3 nm y 25 nm. La altura H de dichas primeras porciones 2’ de recogida de carga está típicamente entre 25 nm y 100 nm.
En variantes, la capa 2a amorfa es preferiblemente amorfa en más del 80% y puede comprender nanocristales.
En una variante adicional de la invención, el primer tipo de capa 2a modelada puede incluir oxígeno, nitrógeno o carbono.
En una variante adicional, el segundo tipo de capa 2b modelada puede incluir oxígeno, nitrógeno o carbono.
En variantes de ejecución, la capa 2a amorfa y/o dichas segundas porciones 2b pueden comprender oxígeno (O) y/o carbono (C).
En una variante adicional, la densidad del oxígeno o del carbono podría mejorarse en la superficie exterior de la capa 2a.
La invención también se logra mediante un método para la fabricación de un dispositivo 1 fotovoltaico como se describe, y comprende las etapas (a-d) de:
a. proporcionar un sustrato 3 a base de silicio que tiene un dopaje de tipo n y que comprende una capa 5 de a-Si:H(i) amorfa intrínseca situada sobre dicha al menos primera cara 3a;
b. realizar sobre áreas 5a predeterminadas una primera deposición de una capa 2a de silicio amorfo dopado de tipo n,
c. realizar sobre cada una de dichas islas 2a de capa amorfa una segunda deposición de una segunda capa 2b nanocristalina que tiene el mismo tipo de dopaje que dicha capa 2a amorfa, siendo dicha segunda deposición diferente a dicha primera deposición, de modo que se cree encima de cada una de las dichas islas 2a de capa amorfa, formando dichas segundas porciones 2b de capa nanocristalina con dichas islas 2a de capa amorfa una pluralidad de porciones 2’ de recogida de carga, teniendo dichas porciones 2a de capa amorfa, para cualquiera de sus secciones transversales paralelas a dicho plano X-Y, una primera área proyectada en dicho plano X-Y que es mayor que una segunda área proyectada, en dicho plano X-Y, de dicha segunda capa 2b nanocristalina;
d. realizar una única capa 4 de silicio nanocristalino sobre dichas porciones 2’ de recogida de carga y sobre los intersticios 2" entre dichas porciones 2’ de recogida de carga, teniendo dicha única capa 4 de silicio nanocristalino un tipo de dopaje diferente al tipo de dopaje de dichas porciones 2’ de recogida de carga.
El término "más ancha" se define como anteriormente, es decir, al menos una anchura de las porciones 2a de capa amorfa es más ancha que la anchura más grande de las porciones 2b de capa nanocristalina. En situaciones prácticas, como se ilustra en las figuras 2 a 9, la anchura más grande de las porciones 2a de capa amorfa es la anchura en el contacto con la capa 5 amortiguadora.
En una realización, dicha capa 2a de silicio amorfo y dicha capa 2b nanocristalina de tipo n se depositan utilizando la misma máscara.
En una realización, dicha capa 2a de silicio amorfo y dicha capa 2b nanocristalina de tipo n se depositan utilizando una máscara mecánica.
En una realización, dicha capa 2a de silicio amorfo y dicha capa 2b nanocristalina de tipo n o tipo p se depositan utilizando una máscara mecánica hecha de INVAR o acero inoxidable.
En una realización, la deposición de la capa 2a de silicio amorfo y dicha capa 2b nanocristalina se realiza utilizando dos máscaras diferentes, realizándose dicha primera deposición utilizando una primera máscara que tiene aberturas más grandes que la segunda máscara utilizada en dicha segunda deposición.
En una realización, dichas primera y segunda etapas de deposición se realizan utilizando la misma máscara, y en donde durante dicha primera deposición la máscara no está en contacto con el sustrato 3, y en donde durante dicha segunda etapa de deposición la máscara está en contacto con dicho sustrato, lo que conduce a primeras porciones 2’ de recogida de carga que comprenden porciones 2a de capa amorfa que son más anchas que las porciones 2b de capa nanocristalina encima de dichas porciones 2a de capa amorfa.
En una realización, dichas primera y segunda etapas de deposición se realizan utilizando una sola máscara que tiene aberturas con un diseño que proporciona patrones de diferentes tamaños cuando se utilizan diferentes tipos de parámetros de deposición. Un diseño de máscara que tenga una abertura más ancha en la superficie de contacto de la oblea y una abertura más estrecha en la superficie que mira a la zona de deposición puede conducir a un tamaño de patrón que depende en gran medida de los parámetros de plasma elegidos en el proceso de deposición. Los parámetros de deposición pueden variar, por ejemplo, en la densidad de la fase gaseosa, la temperatura, la mezcla de gases, la generación de precursores más o menos dirigida o una combinación de los mismos.
Claims (12)
1. Un dispositivo (1) fotovoltaico que es un dispositivo fotovoltaico de contacto posterior interdigitado (IBC), que comprende:
- un sustrato (3) a base de silicio que es de dopaje de tipo p o de tipo n y que tiene una primera cara (3a) que define un plano X-Y;
- una capa (5) de silicio amorfo intrínseco a-Si:H(i) situada sobre dicha primera cara (3a);
- una primera capa (2) de silicio modelada situada sobre dicha capa (5) intrínseca, siendo dicha primera capa (2) de silicio de dopaje de tipo p o de tipo n,
comprendiendo dicha primera capa (2) de silicio modelada intersticios (2") entre porciones (2') de recogida de carga, comprendiendo cada una de dichas porciones (2') de recogida de carga segundas porciones (2b) de una capa de silicio al menos parcialmente nanocristalina en su lado alejado de dicho sustrato (3) a base de silicio;
- estando situada una segunda capa (4) de silicio nanocristalino sobre dichas porciones (2') de recogida de carga, y sobre dichos intersticios (2"), y que tiene otro tipo de dopaje que el tipo de dopaje de dicha capa (2) de silicio modelada,
en donde
- dichas porciones (2') de recogida de carga comprenden, cada una, una porción (2a) de capa amorfa situada entre dicha capa (5) intrínseca y dichas segundas porciones (2b), teniendo dichas porciones (2a) de capa amorfa, en al menos una de sus secciones transversales paralelas a dicho plano X-Y, y en cualquier dirección radial, una anchura (L2a) mayor que es mayor que cualquier anchura (L2b) de dichas segundas porciones (2b), estando dichas porciones (2a) de capa amorfa y dichas segundas porciones (2b) básicamente centradas entre sí.
2. El dispositivo (1) fotovoltaico según la reivindicación 1, en donde dicha mayor anchura (L2a) de las porciones de capa amorfa es al menos un 10% mayor que dicha anchura (L2b) de dichas segundas porciones (2b).
3. El dispositivo (1) fotovoltaico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde dicha capa (2a) amorfa tiene una altura (Ha) entre 1 nm y 25 nm, y en donde la altura (H) de dichas primeras porciones (2') de recogida de carga está entre 25 nm y 100 nm.
4. El dispositivo (1) fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde dicha primera capa (2) de silicio modelada y/o dicha segunda capa (4) de silicio nanocristalino incluyen oxígeno y/o carbono.
5. El dispositivo (1) fotovoltaico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde dicha capa (2a) amorfa y/o dichas segundas porciones (2b) comprenden oxígeno (O) y/o carbono (C).
6. Dispositivo (1) fotovoltaico según una de las reivindicaciones 1 a 5, en donde dicha segunda capa (4) de silicio nanocristalino tiene una fase cristalina superior al 50%.
7. Método de fabricación de un dispositivo (1) fotovoltaico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, y que comprende las etapas (a-d) de:
a) proporcionar un sustrato (3) a base de silicio que tiene un dopaje de tipo n o de tipo p y que comprende una capa (5) de a-Si:H(i) amorfa intrínseca situada sobre dicha primera cara (3a);
b) realizar sobre áreas predeterminadas de dicha capa (5) intrínseca, una primera deposición de una capa (2a) de silicio amorfo de tipo n o de tipo p, para crear una capa amorfa modelada que comprende una pluralidad de islas (2a) de capa amorfa distintas y separadas;
c) realizar sobre cada una de dichas islas (2a) de capa amorfa una segunda deposición de una segunda capa (2b) nanocristalina que tiene el mismo tipo de dopaje que dicha capa (2a) amorfa, siendo dicha segunda deposición diferente de dicha primera deposición, para crear en la parte superior de cada una de dichas islas (2a) de capa amorfa, dichas segundas porciones (2b) de capa nanocristalina formando con dichas islas (2a) de capa amorfa una pluralidad de porciones (2') de recogida de carga, teniendo dichas porciones (2a) de capa amorfa, para cualquiera de su sección transversal paralela a dicho plano X-Y, una primera área proyectada en dicho plano X-Y que es mayor que una segunda área proyectada, en dicho plano X-Y, de dicha segunda capa (2b) nanocristalina;
d) realizar una única capa (4) de silicio nanocristalino sobre dichas porciones (2') de recogida de carga y sobre los intersticios (2") entre dichas porciones (2') de recogida de carga, teniendo dicha única capa (4) de
silicio nanocristalino un tipo de dopaje diferente al tipo de dopaje de dichas porciones (2') de recogida de carga.
8. Método según la reivindicación 7, en donde dicha capa (2a) de silicio amorfo y dicha segunda capa (2b) nanocristalina se depositan ambas utilizando la misma máscara.
9. Método según las reivindicaciones 7 u 8, en donde la deposición de la capa (2a) de silicio amorfo y dicha segunda capa (2b) nanocristalina se realiza utilizando dos máscaras diferentes, realizándose dicha primera deposición utilizando una primera máscara que tiene aberturas más grandes que la segunda máscara utilizada en dicha segunda deposición.
10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, en donde dichas primera y segunda etapas de deposición se realizan utilizando la misma máscara y en donde durante dicha primera deposición la máscara no está en contacto con dicho sustrato (3) y en donde durante dicha segunda etapa de deposición la máscara está en contacto con dicho sustrato (3) proporcionando primeras porciones (2') de recogida de carga que comprenden porciones (2a) de capa amorfa que son más anchas que dichas segundas porciones de capa (2b) nanocristalina.
11. Método según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en donde al menos una máscara para depositar dicha capa (2a) de silicio amorfa y/o dicha segunda capa (2b) nanocristalina es una máscara mecánica hecha de INVAR o acero inoxidable.
12. Método según la reivindicación 7, en donde dichas primera y segunda etapas de deposición se realizan utilizando una sola máscara que tiene aberturas sustancialmente cónicas para proporcionar patrones de diferentes tamaños de dicha capa (2a) de silicio amorfa y/o dicha segunda capa (2b) nanocristalina cuando se utilizan diferentes tipos de parámetros de deposición, tales como densidad de fase gaseosa, temperatura, mezcla de gases, generación de precursores reactivos o una combinación de los mismos.
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