MXPA06007228A - Metodo para producir un polvo monocristalino de cu(in, ga)se2, y una celda solar de membrana de monograno que contiene dicho polvo. - Google Patents
Metodo para producir un polvo monocristalino de cu(in, ga)se2, y una celda solar de membrana de monograno que contiene dicho polvo.Info
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Abstract
La invencion se refiere a un metodo para producir un polvo que consiste en un compuesto de Cu(In,Ga)Se2 dicho metodo comprende los siguientes pasos: se alean Cu y In y/o Cu y Ga para formar una aleacion de CuIn y/o CuGa con una parte sub-estequiometrica de Cu; se produce un polvo que consiste en dicha aleacion de CuIn y/o CuGa; se anaden Se y cualquiera de kl o Nal al polvo; la mezcla se calienta hasta que se forma una masa fundida, en donde el compuesto de Cu(In,Ga)Se2 se recristaliza, y los granos de polvo que sera producido crecen simultaneamente; y la masa fundida se enfria para interrumpir el crecimiento de los granos; la invencion tambien se refiere a una celda solar de membrana monograno que contiene un contacto posterior, una membrana monograno, por lo menos una capa semiconductora y un contacto anterior, dicha celda solar se caracteriza porque la membrana monograno contiene un polvo producido mediante el metodo inventivo.
Description
También es el objetivo de la invención crear una celda solar con membrana monopartícula que tenga el más alto factor de eficiencia posible. En términos del método, este objetivo se logra según con la invención por un método para la producción de un polvo que consiste en un compuesto de Cu(ln,Ga)Se2, dicho método comprende los siguientes pasos: - alear Cu y In y/o Cu y Ga para formar una aleación de Cuín y/o CuGa con una fracción sub-estequiométrica de Cu, - producir un polvo que consiste en la aleación de Cuín y/o
CuGa, - agregar Se así como cualquiera de Kl o Nal al polvo, - calentar la mezcla hasta que se forme un material fundido en el cual se recristaliza el Cu(ln,Ga)Se2 y, al mismo tiempo, crecen las partículas que serán producidas, - enfriar el material fundido para interrumpir el crecimiento de las partículas. El método de acuerdo con la invención da como resultado el efecto sorprendente de que las partículas producidas con este método tienen unas propiedades fotovoltaicas considerablemente mejoradas en comparación con los que se producen con el método conocido de acuerdo con el estado de la técnica. Las celdas solares que emplean el polvo producido por medio del método de acuerdo con la invención, lograron un factor de eficiencia considerablemente más alto.
Lo anterior se podría deber a las siguientes razones: Con el método conocido de acuerdo con el estado de la técnica, debido al uso de una cantidad estequiométrica de Cu con relación al CulnSe2 que será preparado, podría surgir el problema de que se pudieran formar partículas de polvo que tengan un alto contenido de Cu. En estas partículas, podría ocurrir una segregación de fase en el CulnSe2 estequiométrico y una fase binaria en el CuSe metálico, con lo que esta fase extraña tiende a acumularse en la superficie de las partículas, afectando seriamente las propiedades de una celda solar. Así, por ejemplo, podría ocurrir un corto circuito en el contacto p-n de la celda. Además, con el método conocido, las fases de CuSe formadas durante la producción tienden a depositarse en las partículas. Se sabe que estas fases se pueden lavar con una solución de KNC; sin embargo, esta solución ataca a las mismas partículas. Se sospecha que, en contraste, el uso de una cantidad sub-estequio métrica de Cu con relación al compuesto que será producido que se hace de acuerdo con el método de la invención, provoca la formación de partículas que tienen un alto contenido de Cu que deben suprimirse de inmediato para que se puedan formar las partículas primarias de polvo que tengan un bajo contenido de Cu, que son adecuadas para la producción de celdas solares de alta eficiencia. Además, se asume que las fases binarias de CuSe formadas durante la producción de las partículas, permanecen en los agentes fundentes KI y Nal que se emplean de acuerdo con la invención y que no se depositan en las partículas. Este parece ser el caso especialmente cuando el material fundido se enfría muy rápido, es decir, cuando se hace en forma de enfriamiento rápido. Otra ventaja del método de acuerdo con la invención es que el agente fundente se puede disolver con agua, que no ataca a las mismas partículas. Por lo tanto, en una implementación preferida de acuerdo con la invención, después de que el material fundido se ha enfriado, se remueve KI o Nal del material fundido enfriado al disolverlo con agua. También es muy ventajoso que la relación de la cantidad molar de Cu empleado a la suma de la cantidad molar de In empleado más la cantidad molar de Ga empleado, esté entre 0.8 y 1. Se ha visto que las partículas de polvo que tienen esta relación de la cantidad molar de Cu a la cantidad molar de In y Ga se pueden utilizar para producir celdas solares que logren un factor de eficiencia especialmente alto. También se ha visto que la relación de la cantidad molar de Ga empleado a la cantidad molar de in empleado está entre 0 y 0.43. En este contexto, una relación de 0.43 corresponde a aproximadamente una fracción de Ga de 30% con relación a la cantidad molar de In y Ga. La energía de ancho de banda del compuesto semiconductor de Cu(ln,Ga)Se2 varía con ¡a relación de la cantidad de In empleado a la cantidad de Ga empleado y, con base en los valores posibles de esta relación ln:Ga, la energía de ancho de banda del material semiconductor puede adaptarse fácilmente al propósito de aplicación deseado. Además, dentro del alcance de la invención, se puede crear una celda solar ventajosa. En particular, esta celda solar de membrana monopartícula, comprende un contacto posterior, una membrana monopartícula, por lo menos una capa semiconductora y un contacto anterior, que se caracteriza porque la membrana monopartícula contiene el polvo producido de acuerdo con la invención. A continuación se presentaran con mayor detalle implementaciones preferidas del método y las modalidades preferidas del polvo para celda solar. Primero que nada, se alean Cu, y In y/o Cu Ga, en donde, por un lado las cantidades molares de Cu y por otro lado de In y Ga se seleccionan de tal manera que se forman aleaciones de Cuín y CuGa que tienen bajos contenidos de Cu. Ha resultado ser especialmente ventajosa en la producción de partículas de polvo que se emplean en las celdas solares, la relación de Cu:(ln+Ga) es decir, que la relación de la cantidad molar de Cu empleado a la suma de la cantidad molar de In empleado y la cantidad molar de Ga empleado, sea de entre 1 y 1 :1.2. La relación de la cantidad molar de Ga empleado a la cantidad molar de In empleado de preferencia es de entre 0 y 0.43. En este contexto, una relación de 0.43 corresponde aproximadamente a una fracción de Ga de 30% con relación a la cantidad molar de In y Ga. Así, con el método de acuerdo con la invención, de preferencia se producen compuestos de Cu(ln,Ga)Se2 cuya relación molar de Ga a In esta entre esta relación molar de los compuestos CulnSe2 y CuGao.3lno.7Se2. Después se muelen las aleaciones en un polvo, en donde se ha visto que los tamaños de partícula de las partículas de polvo de Cu(ln,Ga)Se2 que se producen dependen del tamaño de partícula del polvo hecho a partir de la aleación de Cuín y/o CuGa. Por lo tanto, los polvos se muelen sistemáticamente con el fin de que contengan partículas que tengan un tamaño específico. El polvo que consiste en las aleaciones de Cuín y CuGa se rellena entonces en una ampolleta que esta hecha con un material que no reacciona con ninguna de las sustancias que serán colocadas en la misma. Por lo tanto, la ampolleta está hecha con vidrio de cuarzo. Se añade Se al polvo en una cantidad que corresponde a la fracción estequiométrica de este elemento en el compuesto de Cu(ln,Ga)Se2 que será producido. Además, se agrega ya sea K1 o Nal como agente fundente, con lo que ía fracción del agente fundente en el material fundido que se forma subsecuentemente normalmente es de aproximadamente 40% en volumen. Sin embargo, en general la fracción del agente fundente en el material fundido puede ser de entre 10% en volumen y 90% en volumen.
Después la ampolleta se evacúa y se calienta con el contenido indicado a una temperatura de entre 650°C y 810°C. Durante el procedimiento de calentamiento se forma Cu(ln,Ga)Se2. Una vez que se alcanza una temperatura dentro de la escala de temperatura antes mencionada, el Cu(ln,Ga)Se2 se recristaliza y, al mismo tiempo, crecen las partículas. El agente fundente será fundido a esta temperatura, de manera que el espacio que hay entre las partículas se rellena con una fase líquida que sirve como un medio de transporte. El material fundido se mantiene constante a una temperatura preestablecida durante un tiempo de mantenimiento. Dependiendo del tamaño de partícula deseado, se puede requerir un tiempo de mantenimiento de entre 5 minutos y 100 horas. Normalmente es de aproximadamente 30 horas. El crecimiento de las partículas se interrumpe enfriando el material fundido. En este punto resulta muy ventajoso enfriar instantáneamente el material fundido, por ejemplo, en unos cuantos segundos. Este llamado enfriamiento instantáneo parece ser necesario para que cualquier fase binaria de CuSe que se pudiera ver formado permanezca en el agente fundente. Si el enfriamiento se lleva a cabo despacio, probablemente existe el riesgo de que las fases de CuSe sean depositadas sobre los cristales de Cu(ln,Ga)Se2) afectando marcadamente las propiedades del polvo producido en términos de su uso en celdas solares. En un último pasó del método, el agente fundente se remueve disolviéndolo con agua. Entonces las partículas del polvo monocristalino pueden ser extraídas de la ampolleta. El transcurso de la temperatura adecuada durante el tiempo de calentamiento y de enfriamiento, así como el tiempo de mantenimiento, y la temperatura que será mantenida durante el tiempo de mantenimiento se determinan en experimentos preeliminares. Al utilizar el método descrito, se pueden producir polvos cuyas partículas individuales tienen un tamaño promedio de 0.1 µp? a 0.1 mm. La distribución del tamaño de partícula dentro del polvo corresponde a una distribución de Gauss a lo largo de las líneas de D = A-tl/n' exp(-E/kT), en donde D es el diámetro de partícula, t es el tiempo de mantenimiento y T es la temperatura del material fundido; k, como siempre, significa la constante de Boltzmann. Los parámetros A, n y E dependen de las sustancias de partidas empleadas, del agente fundente y de los procesos de crecimiento específico, que no se describen con más detalle en la presente. Sí se utiliza Kl como agente fundente, entonces E es igual a aproximadamente 0.25 eV. En este caso, el valor para n es de 3 y 4. El tamaño de partícula promedio y la forma precisa de la distribución de tamaño de partícula dependen del tiempo de mantenimiento, de la temperatura del material fundido y del tamaño de partícula del polvo empleado que consiste en las aleaciones de Cuín y CuGa. Además, el tamaño de partícula promedio y la distribución de tamaño de partícula están influenciados por la elección del agente fundente. Las partículas que se pueden producir con el método de acuerdo con la invención, son p-conductivas y exhiben una muy buena conductividad eléctrica. La resistencias eléctricas de las partículas producidas de polvo de Cu(ln,Ga)Se2 estuvieron en una escala de 100 O a 10 kQ, dependiendo de la relación de Cu:Ga seleccionada, de la relación de Cu:(ln+Ga) y de la temperatura del material fundido. Esto corresponde a una resistencia específica de 10 kQcm a 2 MQcm. Al utilizar el método de acuerdo con la invención es posible producir polvos monocristalinos cuyas partículas despliegan una composición muy uniforme. Los polvos son especialmente adecuados para la producción de membranas monopartícula que se utilizan en las celdas solares, por lo tanto, al utilizar los polvos que están hechos con el método de acuerdo con la invención, es posible hacer celdas solares que tienen un factor de eficiencia muy alto. Especialmente en vista de los propósitos de aplicación posibles del polvo producido con el método de acuerdo con la invención, deberá señalarse que también es fundamentalmente posible añadir S, además de Se, al polvo que consiste en el Cuín y/o CuGa y fundirlo junto con el agente fundente. De igual manera, el Se se puede reemplazar por completo con S.
En consecuencia, el método hace posible producir una amplia escala de compuestos de Culni.xGaxSySez. Estos compuestos semiconductores cubren un amplio rango de energías de ancho de banda de entre 1.04 eV y 2.5 eV. Se ha visto que los polvos producidos con el método presentado, se pueden utilizar muy ventajosamente en celdas solares. Las celdas solares en las cuales se utilizan estos polvos exhiben un alto factor de eficiencia que se encuentra por encima del promedio. Las celdas solares en las cuales se utilizan los polvos producidos de acuerdo con la invención, son de preferencia celdas solares en las cuales se incorpora una membrana monopartícula hecha con el polvo. Para producir la membrana monopartícula, de preferencia las partículas de polvo se integran en una membrana de polímero, especialmente en una matriz de poliuretano. Normalmente, una celda solar de membrana monopartícula consiste en cuatro capas. El contacto posterior es una capa metálica que normalmente se aplica sobre un sustrato de vidrio. En una modalidad preferida también puede ser un adhesivo eléctricamente conductor. La membrana que contiene los cristales de Cu(ln, Ga)Se2 se aplica como una capa absorbente sobre este contacto posterior y esta membrana normalmente se cubre con una delgada capa semiconductora de CdS n-conductivo.
El contacto anterior se aplica entonces sobre esta capa de CdS y normalmente consiste en un oxido transparente eléctricamente conductor, por ejemplo una aleación de ZnO:Af. De igual manera pueda ser preferible incorporar otra capa semiconductora que esté hecha de ZnO intrínseco, entre la capa de CdS y el contacto anterior.
Claims (1)
- NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES . - Un método para la producción de un polvo que consiste en un compuesto de Cu(ln,Ga)Se2, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: alear Cu y In y/o Cu y Ga para formar una aleación de Cuín y/o CuGa con una fracción sub-estequiométrica de Cu; producir un polvo que consiste en la aleación de Cuín y/o CuGa; agregar Se así como KI o Nal al polvo; calentar la mezcla hasta que se forme un material fundido en el cual el Cu(ln, Ga)Se2 recristaliza y, al mismo tiempo, crecen las partículas de polvo que será producido; enfriar el material fundido para interrumpir el crecimiento de las partículas. 2. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque después del enfriamiento, se remueve KI o Nal por medio de disolución con agua. 3. - El método de conformidad con una o ambas reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado además porque la relación de la cantidad mofar de Cu empleado a la suma de la cantidad molar de In empleado, más la cantidad molar de Ga empleado, es de entre 0.8 y 1. 4. - Eí método de conformidad con una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la relación de la cantidad molar de Ga empleado a la cantidad molar de In empleado es de entre 0 y 0.43. 5.- Una celda solar de membrana monopartícula, que comprende un contacto posterior, una membrana monopartícula, por lo menos una capa semiconductora y un contacto anterior, caracterizada porque la membrana monopartícula contiene un polvo producido por el método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1 a 4.
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