PT2208238E

PT2208238E - Células solares de baixo custo e os métodos para sua produção

Info

Publication number: PT2208238E
Application number: PT88465091T
Authority: PT
Inventors: Sinha Ashok
Original assignee: Sunpreme Inc
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2013-07-10
Also published as: CN103296138A; KR20100095442A; US20110207259A1; EP2618387A1; US20110223708A1; US7960644B2; EP2208238B1; US7956283B2; ES2422256T3; US20090120492A1; WO2009062117A1; KR101293162B1; US20090120493A1; CN101960618A; EP2208238A1; CN101960618B

Description

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DESCRIÇÃO

"CÉLULAS SOLARES DE BAIXO CUSTO E OS MÉTODOS PARA SUA PRODUÇÃO"

APLICAÇÕES RELACIONADAS

Este pedido reivindica beneficio de prioridade do Pedido de Patente Provisional U.S. com Número de Série 60/986,996, arquivada em 9 de novembro de 2007, cuja descrição é aqui incorporada na sua totalidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção A presente invenção relaciona-se com células solares fotovoltaicas e, mais especificamente, ao método para fabricar material de base de baixo custo para tais células e método para fabricar células de baixo custo e a resultante estrutura do dispositivo de células. 2. Técnica Relacionada A geração de energia convencional a partir de combustiveis fósseis representa a maior ameaça desde a última idade de gelo para o bem-estar do planeta. Entre todas as fontes alternativas de energia, a seguir à conservação, as células solares fotovoltaicas são, indiscutivelmente, a alternativa mais limpa, omnipresente e potencialmente mais fiável em comparação com outras abordagens, tais como etanol, energia hídrica e energia eólica. O conceito é uma simples junção p-n de estado sólido que converte luz em uma pequena voltagem CC. As células podem ser empilhadas para carregar uma bateria de automóvel ou alimentar a rede elétrica por 2 meio de um conversor CC/AC. Dos vários materiais semicondutores disponiveis para esta finalidade, o silicio comanda 99% da produção de células solares fotovoltaicas. Comparado com outros compostos de células solares à base de semicondutores, que têm maior eficiência de conversão, especialmente em células de pequena área, o silicio é muito mais abundante na crosta terrestre e fornece fiabilidade comprovada de até 30 anos em um telhado castiqado pelo tempo em vários climas em todo o mundo. Além disso, as técnicas de fabrico comercial em larga escala utilizando silicio têm sido empregues durante dezenas de anos e estão bem desenvolvidas e compreendidas. Consequentemente, o silicio é provável que se mantenha o material de base dominante para células solares.

No entanto, apesar de mais de trinta anos de trabalho, as células solares à base de silicio não apresentaram todo o seu potencial para geração de energia em larga escala. Um obstáculo importante para tal aceitação é o custo associado com o fabrico de células solares, e especialmente o custo do material base, em bruto (substratos) utilizado para o fabrico de células solares. O material conta para mais de metade do custo total de fabrico de células solares, em comparação com apenas cerca de 10% no caso de semicondutores de microchips. Ironicamente, por causa da enorme procura e altos custos de produção, o preço do material de silicio para células solares na verdade aumenta em conjunto com o preço do petróleo. Por exemplo, ao longo dos últimos anos o custo por kg de material de polissilicio utilizado para produzir pastilhas de silicio solares aumentou drasticamente, e para células solares de pelicula fina o custo do gás de silano utilizado para depositar a película bem como o do gás NF3 para limpar os reatores após a deposição têm aumentado de forma semelhante. Em contraste, os preços dos chips de semicondutores (isto é, 3 por unidade de memória ou função lógica) diminuíram exponencialmente ao longo dos últimos trinta anos, seguindo a lei de Moore. Esta diferença nas curvas de aprendizagem pode estar relacionadas com grandes diferenças na tecnologia e as contribuições de custos relativas de materiais contra o processo e conceção para a sempre crescente densidade de dispositivo por unidade de área.

De acordo com o atual estado da arte, a produção de células solares à base de de polissilício é feita em três etapas principais. Primeira, grandes quantidades de pastilhas de silício são produzidas para o substrato - tipicamente um milhão de pastilhas por mês para uma bastante modesta capacidade instalada de 25MW. Segunda, estas pastilhas são processadas em células solares por formação de uma junção p-n e metalização. Terceira, estas pastilhas são então "empacotadas" num módulo para instalação nas instalações dos utilizadores.

As pastilhas à base de silício para as células solares são feitas por decompor termicamente gases perigosos contendo Si-H-Cl, um tal di-clorosilano e tri-clorossilano, para produzir polissilício de ultra-alta pureza, geralmente referidos como nove noves, isto é, 99.9999999% puro. Esses gases são ambos altamente inflamáveis e tóxicos. No entanto, devido aos riscos ambientais e de saúde na gaseificação de silício, poucas fábricas operam em todo o mundo, causando assim um ponto de estrangulamento para a indústria de semicondutores e células solares. Fábricas de gaseificação de silício recentemente propostas enfrentam a resistência das comunidades locais com base em preocupações ambientais e de segurança. Estas fábricas também requerem grandes investimentos de capital e longos prazos de execução. Consequentemente há sempre um desequilíbrio entre a procura e a oferta de pastilhas não revestidas. 4 0 silício puro (chamado polissilício, após a gaseificação e decomposição dos compostos à base de silano) é geralmente fornecido na forma de peletes próprios para aplicações em semicondutores e células solares. Os peletes são então fundidos e, utilizando uma semente, um único monocristal em pérola ou fitas multi-cristalinas são puxadas. Alternativamente, o polissilício é fundido numa forma cilíndrica. 0 cilindro puxado é cortado com serra, moldado e polido em pastilhas redondas de 5-6 polegadas, as quais posteriormente podem ser cortadas em pastilhas quadradas. Decapante químico molhado em um químico alcalino tal como KOH é então aplicado para a textura. As junções p-n são formadas com forno para difusão P0CI3. Passivação de revestimento antirreflexo é então aplicada com PECVD SiON. Uma pasta de prata de impressão em tela é aplicada a uma superfície do tipo n e pasta de alumínio é aplicada à superfície de tipo p. A pasta é então sinterizada para formar contactos eléctricos. Finalmente, as células são testadas e classificadas de acordo com as suas características, por exemplo, a sua curva I-V.

Os processos acima são bem conhecidos e têm sido praticados nas indústrias por muitos anos. No entanto, enquanto que no semicondutor a maior parte do custo (isto é, o valor) está nos processos que transformam a pastilha de silício polida num circuito integrado funcional, no fabrico de células solares os processos que transformam a pastilha polida em uma célula solar em funcionamento são menos dispendiosos do que os processos para a produção das próprias pastilhas polidas. Ou seja, em termos comerciais, o processo de transformação de uma pastilha de silício em células solares não é uma etapa de alto valor acrescentado na cadeia global de fabrico do painel solar. Portanto, qualquer melhoria ou redução de custos para fabrico de pastilhas de partida - em oposição à melhoria na tecnologia de fabrico de células - 5 permitiria a redução drástica no preço dos painéis solares acabados. 0 documento US2003/203547 divulga uma estrutura solar.

Para ultrapassar o problema da matéria-prima de Silício para células solares, têm sido feitos esforços agressivos juntamente com duas abordagens principais para reduzir a quantidade de silício consumido por watt da célula solar. Esses são os seguintes: 1. Redução da espessura da pastilha de 500ym a ~300ym padrão. Esta abordagem é limitada pela força das pastilhas, as quais tendem a quebrar durante o transporte de alta velocidade através do equipamento de processo. 2. 0 uso de películas finas de vários materiais de células solares tais como Silício, CdTe, CuInGaSe tipicamente em vidro e outros substratos mais baratos. Para permitir a irradiação de luz na célula solar, um dos elétrodos é feito de um óxido transparente condutor (OTC) , tais como InSnOx ou ZnC>2.

Entre vários materiais de células solares de película fina, mais uma vez o Silício é o material economicamente mais rentável. Na estrutura solar, a espessura é reduzida para cerca de l-lOym a partir de 300-500ym para pastilhas. Destes l-10ym, a maior parte da espessura da película depositada tipicamente consiste de uma camada amorfa intrínseca não dopada do polímero de Si-H, abreviado como camada i a-Si:H. Esta camada i aSi:H, a qual é ensanduichada entre o a-Si:H do tipo n dopado e películas a-Si:H do tipo p, fornece o volume necessário para a absorção da luz incidente, em que pares de eletrão-lacuna são criados. Estes portadores então difundem-se para os elétrodos n- e p- da célula solar para criar uma voltagem 6 fotovoltaica e corrente para a geração de energia. No entanto, porque os comprimentos de onda de infravermelhos do espetro solar têm profundidades de transmissão longa por meio de silício, uma quantidade significativa da radiação solar é perdida, reduzindo assim a eficiência da conversão fotovoltaica. Isto é, a eficiência quântica da conversão é perdida, em particular para os comprimentos de onda maiores na gama de infravermelhos. Outra limitação intrínseca das estruturas de película fina é que os comprimentos de difusão de portadores minoritários estão limitados pela espessura da película para menos do que lOum. Esta é uma figura de mérito para prever a eficiência da célula solar do produto acabado. Para as células solares à base de silício cristalino puro, os comprimentos de difusão são tipicamente cerca de 80um.

Existem outras limitações fundamentais para estruturas de célula solar de película fina, as quais até agora limitaram a produção de células solares de película fina para cerca de 5% do total do mercado dos painéis solares, em comparação com mais de 80% para as células solares à base de pastilhas de silício Algumas destas limitações são as seguintes: 1. Custo do gás de Silano para depositar as películas a-Si:H tem vindo a crescer rapidamente pela mesma razão que o preço do polissilício, nomeadamente escassez de capacidade deste gás extremamente inflamável. Além do Silano, os reatores de CVD enriquecidos com plasma utilizados para produzir películas solares finas necessitam de grandes quantidades de uma especialidade de gás NF3 para efetuar a limpeza de plasma in-situ do reator PECVD para garantir um elevado tempo de atividade do equipamento de produção. 7 2. A eficiência de conversão fotovoltaica de células solares de silicio de película fina é baixa, às vezes menos de metade das células solares à base de pastilhas de silício. 3. Os bens de capital necessários para montar uma fábrica de células solares de película fina, geralmente de cerca de $50M, são quase 10 vezes maiores do que para uma fábrica de células solares à base de pastilhas de silício com uma produção de energia comparável. O custo de capital é impulsionado principalmente pelos reatores CVD de plasma à base de vácuo utilizados para depositar as películas de passivação a-Si:H e SiN, e reatores PVD à base de vácuo utilizados para depositar as películas OTC.

Como pode ser compreendido a partir do exposto, a indústria de células solares foi bifurcada em dois campos: o campo das células solares à base de pastilhas de silício que procura utilizar pastilhas de silício de alta pureza para obter alta eficiência de células, e o campo das películas finas que se coíbe de utilizar substratos de pastilhas de silício a fim de reduzir custos. Consequentemente, o campo baseado em pastilhas de silício é limitado pela disponibilidade de pastilhas de silício puro, enquanto que o campo das películas finas é limitado pela eficiência de conversão, principalmente devido à absorção insuficiente de luz no substrato de vidro, bem como pelo custo de gás de SiH4 necessário para a produção de uma camada de absorção relativamente espessa de silício hidrogenado intrínseco.

SUMÁRIO O seguinte sumário da invenção é incluído de modo a fornecer uma compreensão básica de alguns aspetos e características da invenção. Este sumário não é uma 8 panorâmica global da invenção e como tal não se destina a identificar particularmente elementos criticos ou chave da invenção ou a delinear o âmbito da invenção. A sua única finalidade é apresentar alguns conceitos da invenção de uma forma simplificada como um prelúdio para a descrição mais detalhada que é apresentada abaixo.

Diversas formas de realização da presente invenção fornecem métodos para fabricar substratos de silício sem a necessidade de realizar a gaseificação do silício. Consequentemente, os custos e os riscos para a saúde e para o ambiente envolvidos no fabrico de silício de grau nove-noves estão a ser evitados. Os substratos podem ser utilizados para o fabrico de células solares com uma eficiência que é comparável e que até ultrapassa a das células solares de película fina.

Características da invenção abordam um ou mais dos seguintes problemas críticos enfrentados pela indústria das células solares: a) Disponibilidade e custo de material de silício de "capacidade solar", tanto para pastilhas como para películas finas b) Custo de capital para fábricas de células solares c) Custo por watt de futuras células solares. d) Escalabilidade do Processo de Produção para grandes volumes e) Compatibilidade ambiental e fiabilidade de 25 anos 9

Características da invenção permitem obter uma solução digna de produção para os problemas acima mencionados, por, entre outros, fabricar uma estrutura de célula solar que capitaliza a eficiência de conversão das pastilhas de silicio em massa e os benefícios das estruturas de células de película fina. De acordo com aspetos da invenção, a célula solar é fabricada pela utilização de pastilhas de silício feitas de muito baixo custo de silício de grau metalúrgico como substrato, e fabricar uma célula solar de película fina sobre o substrato. De acordo com características da invenção, as células são fabricados por deposição de películas finas de espessuras muito pequenas (por exemplo, 10%) em comparação com células solares de película fina convencionais. Além de reduzir o custo tanto do substrato como do material de película, a estrutura proposta garante uma eficiência de conversão aumentada sobre as células solares de película fina convencionais. Isto é, pela utilização de pastilhas de silício de grau metalúrgico o fabrico de substratos torna-se menos perigoso e mais amigo do ambiente, ao mesmo tempo que reduz o custo dos substratos. Além disso, a utilização de pastilhas de silício de grau metalúrgico como o substrato, a eficiência da conversão é aumentada em comparação com estruturas de película fina formadas sobre vidro.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Outros aspetos e características da invenção serão evidentes a partir da descrição detalhada, a qual é feita com referência às figuras seguintes. Deverá ser apreciado que a descrição detalhada e as figuras fornecem vários exemplos não limitativos de diversas formas de realização da invenção, a qual é definida pelas reivindicações anexas. 10

As figuras acompanhantes, as quais são incorporadas e constituem parte desta especificação, exemplificam as formas de realização da presente invenção e, em conjunto com a descrição, servem para explicar e ilustrar princípios da invenção. As figuras destinam-se a ilustrar as caracteristicas das formas de realização exemplares de uma maneira diagramática. As figuras não têm a intenção de descrever todas as caracteristicas das formas de realização reais nem as dimensões relativas dos elementos descritos, e não estão desenhadas à escala. A Figura 1 é um fluxograma ilustrando um processo de acordo com uma forma de realização da invenção. A Figura 2 ilustra um processo de acordo com uma forma de realização da invenção. A Figura 3 ilustra um processo de acordo com uma outra forma de realização da invenção. A Figura 4 ilustra um processo de acordo com uma forma de realização da invenção. A Figura 5 ilustra uma outra forma de realização da invenção. A Figura 6 ilustra uma outra forma de realização da invenção. A Figura 7 ilustra uma outra forma de realização da invenção. A Figura 8 ilustra uma outra forma de realização da invenção, que é semelhante à da Figura 7, excetuando que os dopantes estão invertidos. 11 A Figura 9A ilustra um exemplo de um processo para fabricar um substrato pronto de células solares, geralmente aqui referido como SmartSi™. A Figura 9B ilustra um exemplo de um processo que pode ser utilizado para converter uma pastilha SmartSi numa célula solar Smart-Si PV. A Figura 10 ilustra uma célula solar completa, fabricada de acordo com as formas de realização da invenção.

As Figuras 11A e 11B ilustram formas de realização para células solares de multi-junção SmartSi.

As Figuras 12A e 12B ilustram formas de realização para células solares de multi-junção SmartSi com junção de difusão

As Figuras 13A e 13B ilustram formas de realização de disposição simétrica do substrato de Silicio metalúrgico ensanduichado entre películas finas i-Si/Si:H-dopado em ambos os lados.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Formas de realização da presente invenção fornecem métodos para o fabrico de células solares a custos reduzidos, simultaneamente reduzindo os riscos para a saúde e ambiente envolvidos no fabrico de células solares convencionais. Como observado no sitio da Energia Solar, do Departamento de Energia dos EUA: "para ser útil como um material semicondutor em células solares, o silicio deve ser refinado para uma pureza de 99,9999%." (Disponível em http://wwwl.eere.energy.gov/solar/silicon.html.) Isto é geralmente referido como 6N, ou silicio de grau solar, SoG 12

Si. Em contraste com a sabedoria convencional, a presente invenção fornece métodos para a produção de substratos e células solares utilizando silicio de grau metalúrgico, Si GM, de pureza 3N-SN. Várias formas de realização divulgadas combinam os benefícios das células solares à base de silicio com aqueles das células solares à base de película fina para fornecer células tendo eficiências de conversão de cerca de 14%. A Figura 1 é um fluxograma ilustrando um processo de acordo com uma forma de realização da invenção. Na Figura 1, 0 processo começa na etapa 100 ao produzir material de partida de peletes de silício metalúrgico através da redução de quartzo com grafite. 0 nível de pureza obtido pode ser 99,9% ou 99,999% de pureza, ou seja, cerca de três-noves até cerca de cinco-noves de pureza. Notavelmente, o quartzo está facilmente disponível a baixo custo. Além disso, este processo salta a etapa de gaseificação, evitando assim o processo perigoso de gaseificação e a produção de silano.

Na próxima etapa, 200, o pó é derretido em moldes de forma quadrada ou redonda de 5 pol., 6 pol., 8 pol., etc. e o líquido é deixado solidificar lentamente num cilindro com grandes grãos de silício. Opcionalmente, o cilindro solidificado é refundido e em seguida solidificado em secções, de modo a mover as impurezas para um lado do cilindro. Neste processo a velocidade de arrefecimento e o gradiente de temperatura são controlados na direção horizontal de modo a fazer com que as impurezas se movam para a superfície do cilindro e no sentido vertical, para fazer com que as impurezas se concentrem nas fronteiras de grão de silício. Na etapa 200, o silício fundido é opcionalmente dopado com uma pequena quantidade de boro para produzir p-Si com 1E17-1E18 de cm-3 de boro. 13

Alternativamente um único cristal de tipo p pode ser puxado a partir da fusão utilizando o convencional processo de Czochralsky. Na etapa 300 as superfícies dos cilindros sólidos são maquinadas até um estado polido. Na etapa 400 o cilindro é cortado em pastilhas de Si, cerca de 20mils, isto é, 0,020 pol. de espessura, utilizando, por exemplo, diamante ou fio de serra, e em seguida a superfície é polida de um lado, enquanto o outro lado é quimicamente decapado em um acabamento liso. A sucata pode ser recolhida para reutilização no fundido. Assim que o fabrico das células solares esteja terminado (com todos os processos descritos em baixo terminados) se desejado a pastilha pode ser desbastada ainda mais, de modo que a camada p seja de cerca de 0,007 pol. A Figura 2 ilustra um processo de acordo com uma forma de realização da invenção. O processo inicia-se com uma pastilha DSi 200, feita de silício "sujo", isto é, silício metalúrgico de 3-5 noves obtido, por exemplo, pelo processo da forma de realização da Figura 1. A pastilha 200 é exposta a POCI3 a cerca de 900°C, utilizando um forno convencional, de modo a fornecer uma camada n em cima da pastilha 210 com concentração de l.Oelô átomos/cm3. Em seguida, uma câmara de plasma é utilizada para fornecer camadas de SiN 220 no topo da camada tipo n 210. Em seguida um processo de POCI3 a temperaturas superiores a 900°C é utilizado para extrair as impurezas da camada DSi 200 para a camada de vidro derretido 230. Isto aumenta a pureza de camada 200 tipo P, especialmente em torno da junção previamente formada. A camada 230 é então retirada de volta usando, por exemplo, decapagem-reversa do processo de aplanamento químico-mecânico (CMP). Isto remove a camada 230 com as suas impurezas que foram extraídas a partir da camada 200. Finalmente contactos de prata 240 são colocados sobre as camadas dopadas n 220 e um elétrodo de alumínio 14 250 é fornecido sobre a camada 200. Toda a estrutura é então recozida a cerca de 700 °C para permitir que os elétrodos de prata façam contacto óhmico de baixa resistência para a camada tipo n 210 e o elétrodo 250 de alumínio para a camada tipo p 200. A Figura 3 ilustra um processo de acordo com uma outra forma de realização da invenção. O processo começa na etapa 100 por sublimação de uma camada de 2um de espessura de silício amorfo a partir de um cadinho contendo silício metalúrgico. Isto deve ser feito a 1000-1200C, abaixo do ponto de fusão de silício, em um fundo Ar de vácuo de cerca de 10E-6 torr. Esta etapa define a camada de junção ativa, relativamente pura uma vez que qualquer carbono e impurezas metálicas não sublimam a 1200C. Além disso, pequenas quantidades de oxigénio residual num ambiente de fundo de árgon ajudar a catalisar a sublimação através da formação d uma pequena quantidade de óxido de Si-mono na superfície do cadinho. Na Etapa 200, a pastilha é exposta a um gás contendo P, tais como POCI3 ou PBr3 em um ambiente de 02 mais N2 ou Ar. Esta etapa forma a junção p-n por dopagem da superfície tipo n e que permite a difusão de B do substrato "sujo" para a camada de Si sublimada limpa. A parte traseira do pastilha é então decapada ou CMP (químico - mecanicamente polida) na Etapa 300 para remover qualquer vidro dopado com Fósforo. Em seguida, na Etapa 400, o plasma é utilizado para depositar revestimento antirreflexo SiN na parte frontal lateral (tipo n) da pastilha. Na Etapa 500 os contactos são formados, por exemplo, o laser pode ser usado para fazer furos para contactos. Na Etapa 600 os elétrodos condutores são feitos, por exemplo, serigrafia ou outro método podem ser utilizados para depositar pasta de metal na parte dianteira e traseira para definir o elétrodo. A pastilha é então 15 sinterizada a 6000700C para formar os contactos. A temperatura mais elevada é utilizada para permitir que a prata penetre através da camada inteira SiN no caso em que a prata seriqrafada é depositada no revestimento antirreflexo SiN sem quaisquer furos de contacto perfurados a laser através desta camada. A Figura 4 ilustra um processo de acordo com uma forma de realização da invenção. 0 processo inicia-se com uma pastilha de silicio tipo p suja 400. Em seguida, um processo de evaporação é utilizado para gerar uma camada de SiOx evaporada 410 sobre a pastilha 400. Uma camada do tipo n 420 é fornecida (Isto poderia ser feito através da difusão parcial na camada 410, por deposição de camada de Si dopada com fósforo, ou por outros meios aceitáveis) sobre a camada de SiOx 410. A camada 410 é então selada utilizando a camada 430, e absorção por getter é utilizada para puxar as impurezas para a parte inferior 440 da pastilha 400 para fornecer uma melhor camada de pureza 400. A parte do fundo 440 pode então ser removida antes das linhas condutoras serem depositadas. formados então

De acordo com ainda outra forma de realização, uma pastilha de silicio suja é primeiro decapada para fornecer textura na sua superfície superior. A pastilha é então tratada num forno de POCI3 para formar a junção p-n da pastilha. A superfície superior da pastilha é coberta com uma camada de plasma de SiN depositada. A pastilha é então reexposta a POCI3 para absorver por getter todas as impurezas do metal no lado posterior, e endurecer a junção a partir de vazamento. O vidro na parte traseira da pastilha é então removido por, por exemplo, decapagem traseira. Lacunas de contacto são então formadas utilizando, por exemplo, perfuração a laser ou gravação de contacto. Contactos de metal são então formados utilizando tecnologia 16 convencional. Ou então, pasta de prata blindada é formada diretamente no topo da camada de nitreto depositado de plasma e, em seguida, recozida a ~ 700°C para difundir a Prata para a camada dopada com Fósforo perto do topo da pastilha, sem a utilização de quaisquer lacunas de contacto.

Notavelmente, assim que a junção metalúrgica p-n Si é formada, é bastante permeável devido às impurezas metálicas na interface de junção. Um efeito do P0CI3 é formar a camada n é retirar as impurezas de perto da superfície onde a junção é formada. Portanto, nesta forma de realização uma segunda etapa P0C13 é realizada, enquanto protegendo o lado da frente activa com SiN, de modo a remover as impurezas do metal a partir da junção da frente para a traseira da pastilha. Os metais podem ser acumulados num vidro derretido a baixa temperatura na parte traseira da pastilha, e em seguida removidos por decapamento quimico ou CMP.

Em vez do substrato de silício, pode-se utilizar um substrato feito de aço inoxidável ou de vidro revestido com Si sublimado, e formar uma junção p-n no mesmo por difusão a partir de uma fiada de vidro B, P. Isto é diferente do Silício PECVD amorfo depositado para aplicações de tela plana de transístor de película fina nas quais as películas sublimadas não têm qualquer hidrogénio preso. Por conseguinte, estas não se devem degradar após subsequentes etapas de difusão a alta temperatura. As películas PECVD perdem eficiência com o tempo, provavelmente por causa de alterações da composição associadas com a desadsorção de H. A Figura 5 ilustra uma outra forma de realização da invenção. 0 material de partida para a forma de realização da Figura 5 é uma pastilha de silício metalúrgico multi- 17 cristalina de baixo custo de pureza de cerca de quatro 9's a cinco 9's, ou seja, 99,99% a 99,999% feita por fundição seguida de arrefecimento lento. 0 Silicio metalúrgico é simplesmente feito a partir de uma reação quimica em forno do quartzo (Si02) com grafite (C) , ambos encontrados em minas em várias partes do mundo. Estes dois materiais são essencialmente as formas mais puras de areia e carvão. A grafite pode ser substituída por outros subprodutos de petróleo ou de matéria vegetal orgânica contendo C puro. 0 pó de silicio metalúrgico é fundido, uma quantidade medida de B é adicionada à massa fundida conforme necessário para produzir cerca de 5E17 átomos*cm“3 de concentração de dopante tipo p. A massa fundida é arrefecida lentamente para a produção de lingotes de forma cilíndrica contendo grãos multi-cristalinos de silício com cerca de lOppm de impurezas, tais como Cr, Fe, Ni, Mn e C. 0 processo de arrefecimento é ajustado de modo a fazer com que as impurezas sejam distribuídas em aglomerados atómicos chamados precipitados. Estes tendem a ser menos ativos eletricamente do que os átomos distribuídos homogeneamente, os quais normalmente ocupam sítios substitucionais, eletricamente ativos na malha de cristal de silício. As impurezas substitucionais atuam como armadilhas ou centros de recombinação de lacunas de eletrões, as quais se pensa que degradam a eficiência da conversão fotovoltaica da célula solar através da redução do comprimento de difusão de portadores de carga na camada de absorção de luz. 0 comprimento de difusão pode ser estimado através de métodos físicos de ensaios bem conhecidos para eficiência quântica de conversão de luz em portadores de carga como uma função do comprimento de onda da luz. 0 material fundido, lingote; é maquinado em cilindros mais pequenos, serrados em pastilhas, decapado para remover danos de superfície e, em seguida, polido sobre um ou ambos os lados, de acordo com as práticas padrão da indústria. Esta pastilha de grau 18 metalúrgico resultante é utilizada como um substrato para a produção de células solares. Ao contrário dos substratos de silício utilizados para as células solares de silício multi-cristalino convencionais, esta forma de realização não requer o uso de polissilício de sete 9's de pureza igual ou superior, convencionalmente feita por redução de compostos SiHxCly de fase de vapor. 0 substrato 500 é submetido a um pré-deposição limpa, envolvendo tipicamente 100:1 HF para remover quaisquer óxidos nativos, NH4OH/H2O2 para remover impurezas orgânicas, e em seguida HC1 para remover quaisquer contaminantes metálicos. É então revestido com uma camada (10-1000Â) muito fina, tipicamente abaixo de 100 Â, 505 de Si:H intrínseco, amorfo não dopado num equipamento PECVD padrão utilizando um plasma gerado no S1H4 e H2 sem gases contaminantes presentes. Em seguida, a parte ativa da junção é formada por deposição de uma camada 510 de n-dopado a-Si:H a qual pode ser convenientemente realizada no mesmo aparelho, mas com um plasma contendo PH3 para além do S1H4 e H2. Isto é seguido por camadas sucessivas de um óxido condutor transparente 520, tal como Zn02 ou InSnO e, se necessário, um revestimento antirreflexo 515 consistindo de SiOxNy. Estes formam o elétrodo de topo através do qual a luz solar pode ser transmitida para a camada de absorção de silício em massa. Para uma eficiência de recolha de carga adicional, uma série de elétrodos tipicamente constituídos por pasta de prata pode ser formada sobre a camada de óxido condutor transparente 520. Para um contacto de baixa resistência com a traseira da estrutura da célula, o lado inferior da pastilha é revestido com uma camada 525 de Al, quer depositado através de um processo PVD ou uma pasta serigrafada contendo Al e em seguida sinterizado de modo a formar uma menor resistência de contacto. 19 A estrutura da célula solar resultante contém então pelo menos as seguintes novas características. Uma junção p-n formada por deposição de uma camada n de película fina de Si:H amorfo e pastilhas absorvente feita de uma pastilha de silício multi-cristalina de grau metalúrgico de tipo p, com um custo de cerca de dez vezes menos do que pastilhas de silício convencionais feitas utilizando polissilício de grau solar ou semicondutores. Uma camada de absorção de luz de silício multicristalino tipo p metalúrgico com uma espessura de 250-500um, feito por fundir pó de silício metalúrgico com dopante B em vez de usar um polissilício de grau solar muito mais caro. Uma camada intermédia opcional de película intrínseca de Si:H (não dopada) é inserida entre o substrato metalúrgico tipo p e a película n-Si:H para passivar a superfície do silício metalúrgico que tipicamente terá quebrado ligações (anómalas superficiais) devido à sua natureza multi-cristalina e impurezas no material e, assim, melhorar a eficiência de conversão fotovoltaica. A camada ARC 515 pode ser omitida no caso de redução de custos, e em vez da superfície do silício de grau metalúrgico pode ser tornada áspera através da sua decapagem em KOH para expor facetas (111) nos grãos principalmente orientados (100). Esta rugosidade minimiza a reflexão da luz, de modo que a camada ARC pode ser desnecessária. A Figura 6 ilustra outra forma de realização da invenção. A forma de realização da Figura 6 é semelhante à da Figura 5, exceto que a dopagem é invertida. Ou seja, a camada absorvente 600 é fabricada como um silício metalúrgico tipo η. A fase amorfa depositada 610 é de polaridade oposta, ou seja, para junção tipo p. A Figura 7 ilustra uma outra forma de realização da invenção. A forma de realização da Figura 7 é semelhante à 20 da Figura 5. No entanto, na forma de realização da Figura 7, uma estrutura opcional consistindo de uma pelicula a-i Si:H 730 seguida por uma pelicula a-n Si:H 735, é fabricada antes do fabrico da camada de alumínio de contacto traseira 725, de modo a aumentar a eficiência da conversão com uma heterojunção com uma estrutura de camada de passivação intrínseca contendo uma camada de Si-H intrínseca depositada muito fina seguida de uma camada de Si-H fina ativa eletricamente de polaridade oposta do que aquela do substrato absorvente. A este respeito, para as formas de realização descritas das Figuras 5-8, a ordem sugerida de fabrico é indicada para cada camada ilustrada por letras entre parênteses. A Figura 8 ilustra uma outra forma de realização da invenção, a qual é semelhante à da Figura 7, exceto que os dopantes são invertidos. Isto é, o substrato é nome de silício de grau metalúrgico de tipo n, uma camada de junção 810 é tipo p, e a camada 835 é tipo n.

Como pode ser apreciado, as formas de realização das Figuras 5-8 fornecem uma célula solar através da construção de uma junção de película fina sobre um substrato de silício de grau metalúrgico. Isto tem a vantagem de uma melhor absorção de luz devido às propriedades do silício metalúrgico, em comparação com as células de película fina convencionais tendo uma camada de absorção muito fina. Consequentemente, a eficiência da conversão é aumentada. Por outro lado, a utilização de pastilhas de silício metalúrgico proporciona baixo custo comparando com pastilhas solares convencionais ou de silício de grau semicondutor. Além disso, utilizando as pastilhas de silício de grau metalúrgico tal como aqui descrito, perigos para saúde e para o ambiente são reduzidos. A intenção relativa às formas de realização das Figuras 5-8 era de separar as três funções envolvidas com o processo 21 PV, o qual converte luz em eletricidade por primeiro absorver luz no silicio para criar pares eletrão e lacuna e em seguida criar um portador minoritário (eletrões) de corrente tirando proveito da lacuna de banda na junção p-n. Normalmente, em silicio multi-cristalino ou mono-cristalino com uma estrutura de junção p-n difusa, ambos os processos ocorrem simultaneamente. Comprimentos de difusão de portadores minoritários, os quais podem variar desde 50 a 100 a 300 ym após passarem de silicio multi-cristalino convencional para cristal único Czochralsky de Si para silicio refinado na zona de flutuação de cristal único. As eficiências de conversão PV correspondentes são cerca de 18%, 22% e 25%. Na outra extremidade, células solares de pelicula fina depositadas de junção única amorfa baseiam-se numa camada intermédia aSi:H, tipicamente cerca de 1 ym de espessura, para ser a camada de absorção. O comprimento de difusão é limitado pela espessura da camada de pelicula fina de cerca de 1 ym. A eficiência de conversão fotovoltaica correspondente é reduzida para cerca de 6%. Nas formas de realização desta invenção o comprimento de difusão dos portadores minoritários não está limitado pela pelicula fina, mas é sim determinado pelas caracteristicas do substrato de silicio metalúrgico.

Exemplo I

Silicio de grau metalúrgico de três noves foi produzido por fundir por indução peletes de silicio de dois noves em um cadinho de grafite de cerca de 1.5m x 1.5m, e depois lentamente arrefecido numa forma cilíndrica durante 24 horas. A crosta superficial rica em carbono foi removida, e o cilindro esmagado em grãos ou peletes. O material resultante continha tanto B como P, mas era geralmente tipo p com resistividade na gama dos 0,1-1 ohmcm. O material 22 resultante foi então fundido em lingotes de silício de grau metalúrgico de cerca de 0.5m x lm, com refrigeração controlada e ajustamento dopante. Pastilhas de silício de grau metalúrgico foram fabricadas por maquinagem de núcleos de 6 polegadas para fora do lingote, a superfície do cilindro foi alisada e então pastilhas de 500 ym de espessura foram serradas dos cilindros. Uma superfície foi polida mecanicamente, e ambas as superfícies foram levemente decapadas para revelar a estrutura de grão grande poligonal na parte de trás da pastilha. Isto resultou em cerca de 500 pastilhas de silício de grau metalúrgico de quatro noves e cinco noves de pureza. As pastilhas foram encaixotadas em dois grupos utilizando medidas de sonda de 4 pontos - um grupo maioritário com resistividade de 0,3-0,5 ohmcm, e o restante de ~ 1 ohmcm. O perfil de composição SIMS tanto do material 4N e 5N foi semelhante, com níveis de impurezas metálicas de transição de 1E14 átomos cm-3. As impurezas metálicas foram tipicamente aquelas associadas com silício metalúrgico, nomeadamente Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Cu. Além disso, um nível substancial de carbono a 1E15 átomos cm"3 estava presente.

Amostras das pastilhas foram usadas para fabricar células solares. A ferramenta PECVD (Deposição Química em fase de Vapor Assistida por Plasma) foi utilizada para depositar películas finas de películas a-Si:H tipo i, a-Si:H tipo p e a-Si:H tipo n utilizando um plasma rf em SÍH4, H2 com gases dopantes apropriados - PH3 e B2H6. Uma ferramenta de pulverização de PVD (Deposição de Vapor por Plasma) foi utilizada para depositar cerca de 1000Â de InxSnyOz para utilizar como um óxido condutor transparente para ambos os elétrodos superior e inferior. Um equipamento de decapagem foi utilizado para decapar cerca de 10 ym de profundidade de mesas de silício para criar díodos isolados do resto da pastilha. Com este processo, começando com uma pastilha de 23 silício de grau metalúrgico tipo p com 0,1 Qcm (100), uma única heterojunção com uma estrutura de camada de passivação intrínseca com contacto traseiro p+ difundido foi criada e medida para o díodo I-V e eficiência quântica em toda a gama espetral. Com uma plotagem de I/QE vs λ, o comprimento de onda, o declive forneceu o comprimento de difusão L em pm. O comprimento L e IDSat são preditores bem conhecidos de eficiência de conversão PV. Esta estrutura forneceu uma IDSat de 400mA e um comprimento L de 80 pm o que corresponde a uma eficiência de conversão de PV de cerca de 20%. Uma estrutura formada numa pastilha de silício de grau metalúrgico tipo p com 0,4 Qcm também funcionou muito bem com um comprimento de difusão de portador minoritário (eletrão) , Le de 7 pm o que corresponde a uma eficácia de conversão de PV de 12-13%, assumindo uma estrutura com resistência em série bem controlada. Uma estrutura formada numa pastilha de silício de 1.0 Qcm de grau metalúrgico de tipo p também trabalhou muito bem com um portador minoritário (eletrão) de comprimento de difusão, Le de 8 pm, o qual corresponde a uma eficiência de conversão PV de 14%, assumindo uma estrutura com resistência em série bem controlada.

Exemplo II

Uma única heterojunção com uma estrutura intrínseca de dispositivo de camada de passivação é formada sobre substratos de grau metalúrgico de baixo custo por depositar uma pilha de películas Si:H de nano-escala na parte frontal, ou seja, o lado do "dispositivo", e uma película de a-Si:H dopada na parte de "contacto" traseira. Os substratos de grau metalúrgico previnem a necessidade e os custos de desbastar agressivamente o substrato de 500 a 250 pm tal como é feito para substratos de silício cristalino. As pastilhas mais espessas fornecem um tratamento mais 24 robusto em linhas de processos automatizados. Este material também evita o custo, o tempo de ciclo e a complexidade da gaseificação baseada em polissilicio, a solidificação, o processo de fundir e puxar, uma vez que o dispositivo ativo é criado por uma fina película de Si H apenas fora da superfície dos substratos de grau metalúrgico que é passivada por uma película de a-Si:H intrínseca de nano-escala.

Os substratos de grau metalúrgico podem ser formados em tamanhos padrão, por exemplo, 6-pol, 8-pol, -12-pol, que podem ser processados num equipamento de processamento de semicondutor padrão PECVD. Em contraste, células solares convencionais baseadas em película fina são criadas em grandes áreas de vidro (geralmente, 4x6 pés ou 6x7 pés), as quais requerem câmaras especialmente construídas, tendo um grande volume interno, o que provoca dificuldades para bombear a baixa pressão e provoca desperdício nos gases reativos utilizados para a formação das camadas de película fina. Reciprocamente, estes reatores PECVD são caros de comprar e caros de operar devido ao elevado custo dos consumíveis (ou seja, gases reativos desperdiçados) . 0 elevado volume interno destas câmaras especialmente construídas também apresenta dificuldades de desperdício de transformação e custos. Por outro lado, a formação de película fina em pastilhas de tamanho padrão pode ser feita em reatores normais com pequeno volume interno, de modo que a operação e problemas de desperdício de transformação são minimizados. A estrutura do dispositivo de película fina resultante sobre o substrato de silício metalúrgico tem uma eficiência de PV que é cerca de duas vezes maior do que para as células solares de película fina convencionais, graças a uma ordem de grandeza maior de comprimentos de difusão de portadores minoritários no substrato do silício metalúrgico. 25

Exemplo III A figura 9A ilustra um exemplo de um processo para fabricar um substrato pronto de célula solar, geralmente aqui referido como SmartSi™. Na etapa900 o quartzo de grau metalúrgico é fundido e reduzido numa célula eletrolitica contendo elétrodos de grafite e é em seguida deixado a arrefecer e solidificar para fornecer um lingote de cerca de dois noves de silício metalúrgico. 0 lingote é dividido em peletes, tratadas em substâncias químicas para lixiviar impurezas da superfície e é em seguida fundido no lingote. 0 lingote é então retirado da sua crosta e dividido em pepitas de três a quatro noves de silício metalúrgico. As pepitas resultantes são classificadas de acordo com a sua resistividade.

As pepitas classificadas de silício de GM são fundidas na etapa 915. A massa fundida é deixada solidificar em um lingote, o qual na etapa 920 é maquinado, cortado em pastilhas e as pastilhas são polidas. Na etapa 925 uma câmara de PECVD é utilizada para formar uma camada fina de silício amorfo intrínseco, i-a-Si:H, para passivar a superfície do substrato de Si de GM. Na etapa 930 uma câmara de PECVD é utilizada para formar uma camada tipo n, n-a-Si:H sobre camada de passivação. Neste ponto, uma pastilha "SmartSi" 935 terá sido criada o que permite formar uma indústria de células solares PV em praticamente qualquer lugar do mundo, com um investimento muito pequeno, um número relativamente pequeno de máquinas simples, e com muito pouco conhecimento técnico. Isto é, como pode ser apreciado, tudo o que é necessário a fim de converter a pastilha SmartSi em uma célula solar é fazer contactos frontais e traseiros, e talvez uma camada antirreflexo e protetora. Isto pode ser feito facilmente utilizando 26 serigrafia ou tecnologia de impressão corrente. Além disso, como mostrado pelo texto explicativo, uma outra etapa de PECVD 930' pode ser realizada para formar um posterior do tipo p 935' na parte traseira do substrato, de modo a melhorar o contacto com a camada condutora que se irá seguir. A Figura 9B ilustra um exemplo de um processo que pode ser usado para converter uma pastilha SmartSi em uma célula solar PV Smart-Si. Como mencionado acima, o que é necessário é formar contactos na parte traseira e frontal do substrato SmartSi. Como para a frontal, um método convencional consiste em formar uma rede metálica condutora. A abordagem usual é projetar redes com muitos dedos finos, condutores espalhando-se para todas as partes da superfície da célula. Os dedos da rede devem ser suficientemente largos para conduzir bem (com baixa resistência), mas suficientemente estreitos de modo a não bloquear grande parte da luz recebida. Este tipo de rede mantém as perdas de resistência baixas, enquanto o sombreamento for somente cerca de 3% a 5% da superfície da célula. As redes da superfície superior podem ser feitas de, por exemplo, alumínio, prata, ou metal de molibdénio, por deposição de vapores metálicos numa célula através de uma máscara, pintando estes por meio de um método de serigrafia, ou a utilização de fotolitografia, o que fornece a mais alta qualidade, mas tem o maior custo.

Uma alternativa para contactos de rede metálicos é uma camada de óxido condutor transparente (OCT), tal como óxido de estanho (Sn02) e óxido de estanho de índio, geralmente conhecido como ITO. A vantagem dos OCTs é que eles são praticamente invisíveis à entrada de luz, e eles formam uma boa ponte a partir do material semicondutor até ao circuito eléctrico externo. A forma de realização mostrada na Figura 27 9Β utiliza OCTs como os contactos para a frente das células. Na etapa 940 a camada de OTC é formada utilizando o processo CVD. Na etapa 945 contactos frontais são metalizados utilizando, por exemplo, pasta metálica traçada sobre a superfície frontal utilizando tela de seda, impressão, etc. Na etapa 950 o contacto traseiro é metalizado para formar elétrodos coletores utilizando, por exemplo, pasta metálica (por exemplo, pasta de prata) traçada sobre a superfície traseira utilizando serigrafia, impressão, etc., ou por deposição catódica de alumínio ou outro metal na traseira do substrato. Quando se utiliza pasta para metalizar o contacto frontal é desejável sinterizar a pastilha a fim de formar um bom contacto óhmico, tal como apresentado na etapa 955. Na etapa 960 as pastilhas são cortadas com a forma desejada, por exemplo, se o processamento foi realizado utilizando pastilhas circulares, nesta etapa podem ser cortados em quadrados. As pastilhas são, em seguida, classificadas de acordo com a eficiência de conversão, de modo a resultar em células PV SmartSi 970.

Em todas as formas de realização descritas acima, antes de formar qualquer uma das camadas o substrato de Si GM pode ser texturizado em um ou por ambos os lados, por, por exemplo, decapar em solução alcalina, tal como solução de hidróxido de potássio. O substrato pode ser em seguida enxaguado e seco, por exemplo, através do aquecimento do substrato. Além disso, a descarga de plasma de gás de hidrogénio pode ser utilizada para reduzir a quantidade de carbono na superfície do substrato. A camada de película fina de silício amorfo intrínseca pode ser formada em uma câmara de PECVD utilizando gás silano (SiH4) misturado com gás de hidrogénio (H2). A camada fina de silício amorfo de tipo n pode ser formada em uma câmara de PECVD utilizando silano, hidrogénio, e gás fosfina (PH3) . A camada fina de 28 silício amorfo tipo p pode ser formada em uma câmara de PECVD utilizando silano, hidrogénio, e gás de diborano (B2H6) . A Figura 10 ilustra uma célula solar completa, fabricada de acordo com as formas de realização da invenção. A célula solar é formada sobre um substrato de silício de grau metalúrgico 1000, o qual neste exemplo é dopado do tipo p. Em seguida, uma camada de silício amorfo intrínseca 1005 é formada no lado de cima, seguida por uma camada de silício amorfo do tipo n 1010. Uma camada de OTC 1020 é formada sobre a camada de tipo n, e contactos, por exemplo, contactos de prata 1025 são formados sobre o OTC para formar bom contacto óhmico. Um contacto traseiro pode ser formado utilizando, por exemplo, alumínio. Neste ponto, a célula é completa e é operacional; no entanto, de modo a protegê-la dos elementos o processamento adicional seguinte é realizado. A parte frontal é protegida por uma camada opcional de película de resina 1015, por exemplo, acetato de etileno vinilo, seguido de vidro 1045. A parte traseira pode também ser protegida utilizando uma película de resina 1035, seguida por vidro ou outro revestimento de proteção 1040 .

Como se mostra nas Figuras 9A e 9B, as formas de realização discutidas acima podem ser utilizadas para fabricar as pastilhas SmartSi, as quais podem ser posteriormente processadas para fabricar células solares SmartSi. De acordo com um outro aspeto da invenção, uma célula solar SmartSi pode ser processada posteriormente para fabricar uma célula solar Smart-Si multi-junção com bandas interditas múltiplas a fim de melhorar a eficiência de conversão de energia fotovoltaica. Uma forma de realização de uma célula solar SmartSi multi-junção está ilustrada na Figura 11A. Na Figura 11A, um substrato de silício de grau 29 metalúrgico 1100 é dopado do tipo p. A superfície de topo do substrato de tipo p é passivada com uma camada fina de silicio amorfo intrínseco 1105 tendo átomos de hidrogénio dispersos na mesma e ocupando ligações anómalas superficiais de silicio. Este é por vezes referido como silicio hidrogenado. Uma camada de silicio hidrogenado amorfo do tipo n fino, 1110, é formado sobre a camada intrínseca 1105, para assim formar a primeira junção p-i-n, tal como é mostrado na forma de realização da célula solar SmartSi descrita acima. As camadas intrínsecas e do tipo n 1105 e 1110 são relativamente muito mais finas do que as camadas de pelicula fina tipicas de uma célula solar de pelicula fina convencional, uma vez que nesta forma de realização a primeira estrutura de pelicula fina não precisa de funcionar como absorvente de luz, em vez disso a luz é absorvida no substrato de silicio metalúrgico.

Para aumentar a eficiência de conversão das células solares Smart-Si, uma estrutura p-i-n de célula solar de pelicula fina convencional é agora formada no topo da célula solar SmartSi. Primeiro, uma camada de silicio hidrogenada amorfa do tipo p de pelicula fina 1120 é formada sobre a célula solar SmartSi. Em seguida, uma camada de silicio hidrogenada amorfa intrínseca de pelicula fina 1125 é formada sobre a camada tipo p 1120 e uma camada de silicio hidrogenado amorfo tipo n de pelicula fina 1130 é formada sobre a camada intrínseca 1125. A camada intrínseca 1125 funciona como um outro absorvente de luz e gera pares eletrão-lacuna para assim converter a luz em energia elétrica. Para recolher a energia elétrica um elétrodo transparente de topo ITO 1135 é formado sobre a camada do tipo n 1130, e em seguida contactos metálicos 1140 são formados sobre o ITO 1135. Aqui os contactos metálicos 1140 são feitos de prata, utilizando por exemplo pasta de prata e em seguida, sinterizando a estrutura para formar um bom 30 contacto óhmico. Adicionalmente, um elétrodo metálico 1145 é formado na parte inferior do substrato 1100. Aqui os contactos 1145 são feitos de aluminio. A Figura 11B ilustra uma estrutura multi-junção semelhante, exceto que a polaridade das camadas é invertida.

As figuras 12A e 12B ilustram formas de realização para células solares SmartSi multi-junção com junção de difusão. As formas de realização das Figuras 12A e 12B são basicamente as mesmas, exceto que a polaridade das camadas é invertida. Portanto, a descrição prossegue somente com respeito a uma delas, isto é, a forma de realização da figura 12A. Na Figura 12A, um substrato de silício metalúrgico 1200 é feito de acordo com as formas de realização acima descritas, e é dopado do tipo n. Em seguida, a camada de topo do substrato é difundida para formar uma camada de difusão de tipo p 1260. Isto forma uma junção p-n dentro do substrato de silício metalúrgico e proporciona uma região de conversão da célula solar, semelhante à da célula solar à base de silício padrão. Em seguida, uma fina camada de passivação 1205 de silício hidrogenado amorfo intrínseco é formada no topo da camada tipo p difusa. Uma camada de silício hidrogenado amorfo do tipo n 1215 é formada sobre a camada intrínseca 1205, de modo que as camadas 1215, 1205 e 1260 formam uma junção p-i-n tendo uma banda interdita diferente da junção p-n dentro do substrato 1200 e, portanto, absorvendo a luz em diferentes frequências. Em seguida uma junção p-i-n de película fina convencional é formada no topo da camada 1215 através da formação de uma camada de silício hidrogenado amorfo de tipo p 1220, camada de silício hidrogenado amorfo intrínseco 1225 e camada de silício hidrogenado amorfo do tipo n 1230. Nessa estrutura, a camada intrínseca 1225 é de muito mais elevada espessura do que a camada de intrínseca 1205, uma vez que funciona como um absorvedor de luz. Além 31 disso, a estrutura p-i-n de película fina tem uma banda interdita diferente da das estruturas abaixo da mesma e portanto absorve a luz em diferentes frequências. Portanto, escolhendo cuidadosamente a espessura das camadas, pode-se "afinar" a estrutura para absorver a luz numa vasta gama de frequências.

As Figuras 13A e 13B ilustram formas de realização de disposição simétrica de substrato de Silício metalúrgico ensanduichado entre películas finas Si intrínseco/Si:H dopado de ambos os lados. As Figuras 13A e 13B são imagem de espelho uma da outra, exceto que a polaridade das camadas estão invertidas. Assim apenas a Figura 13A é explicada. Na Figura 13A, um substrato de silício metalúrgico do tipo p 700 tem uma camada intrínseca superior 705 e uma camada intrínseca inferior 730, ambas funcionam como camadas de passivação e não como absorvedores. Em seguida, uma fina camada de silício hidrogenado amorfo do tipo n 710 é formada no topo da camada intrínseca 705, e uma outra camada do tipo n 735 é formada sobre a camada intrínseca 730. Os contactos 720 e 725 são então formados tal como descrito com respeito a outras formas de realização.

Deve entender-se que os processos e técnicas aqui descritos não estão inerentemente relacionados com qualquer aparelho particular e podem ser implementadas por qualquer combinação adequada de componentes. Além disso, vários tipos de dispositivos de uso geral podem ser usados de acordo com os ensinamentos aqui descritos. Também se pode provar vantajoso construir aparelhos especializados para efetuar as etapas do método aqui descritas. A presente invenção foi descrita com relação a exemplos particulares, os quais são pretendidos em todos os seus aspetos como ilustrativos e não restritivos. Os especialistas na matéria 32 apreciarão que muitas combinações diferentes de hardware, software, e firmware serão adequadas para a realização prática da presente invenção. A presente invenção tem sido descrita em relação a exemplos particulares, os quais são destinados em todos os seus aspetos como ilustrativos e não restritivos. Os especialistas na matéria apreciarão que muitas combinações diferentes de hardware, software, e firmware serão adequadas para a realização prática da presente invenção. Além disso, outras implementações da invenção serão evidentes para os especialistas na matéria a partir da consideração da especificação e prática da invenção aqui divulgada. Pretende-se que a especificação e os exemplos sejam considerados somente como exemplares, com o verdadeiro âmbito da invenção sendo indicado pelas reivindicações seguintes.

Lisboa, 03 de Julho de 2013

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Uma célula solar caracterizada por compreender: um substrato 500; 600; 700; 800; 1000; 1100; 1200; 1300; 1300' caracterizada por compreender um silício dopado de grau metalúrgico dopado; uma primeira estrutura de película fina (505, 510; 605, 610; 705, 710; 805, 810; 1005,1010; 1105, 1115; 1105', 1115'; 1205', 1215'; 1305, 1315; 1305', 1310') formada sobre e em contacto com o lado superior do substrato, uma primeira estrutura de película fina formada sobre e em contacto com o lado superior do substrato, formando assim uma junção p-i-n com o substrato; um contacto condutor de topo (520; 620; 780; 820; 1020, 1025; 1135,1160; 1135', 1140; 1235,1240; 1235', 1240'; 1320; 1320'), formado acima da estrutura de película fina; condutor um contacto condutor inferior (525; 625; 725; 735; 825, 835; 1030; 1145; 1245; 1325; 1325') formado sobre a parte de baixo do substrato; e, em que o substrato é dopado como um de um tipo p ou tipo n; e em que a estrutura de película fina compreende uma camada intrínseca (505; 605; 705; 805; 1005; 1105; 1105' 1205; 1205'; 1305; 1305') formada sobre e em contacto com o substrato e uma fina camada de contacto dopada (510; 610; 710; 810; 1010; 1115; 1115'; 1215; 1310; 1310') de polaridade oposta do substrato formado sobre e em contacto com a camada intrínseca. 2

2. A célula solar da reivindicação 1, caracterizada por pelo menos uma da camada intrínseca e a camada fina dopada compreenderem uma camada de silício amorfo.

3. A célula solar da reivindicação 2, caracterizada por pelo menos uma da camada intrínseca e a camada fina dopada compreenderem átomos de hidrogénio dispersos dentro de uma camada de silício.

4. A célula solar da reivindicação 3, caracterizada por o contacto condutor inferior (725,735,825,335) compreender um substrato dopado e camada condutora (735;835) da mesma polaridade que o substrato (700,-800) formados sobre o lado inferior do substrato e uma camada de metal, (725,-835) formada sobre a camada condutora dopada sobre o condutor.

5. A célula solar da reivindicação 3, caracterizada por o contacto condutor de topo compreender um condutor transparente formado sobre a camada fina dopada.

6. A célula solar da reivindicação 4, caracterizada por compreender ainda uma camada intrínseca amorfa (730,-830) formada entre o lado inferior do substrato (700,-800) e a camada condutora dopada (735,-835).

7. A célula solar da reivindicação 1, caracterizada por o substrato compreender silício de grau metalúrgico de pureza de três a cinco noves.

8. A célula solar da reivindicação 1, caracterizada por a primeira estrutura de película fina (1105,1115,1205,1215) compreender um primeiro intrínseco e em contacto com a sobre e em camada (1102,-1205) formada sobre e em contacto com o substrato (1100,-1200) e uma primeira camada do tipo n 3 (1115;12015) formada sobre e em contacto com a camada intrínseca, e compreender ainda uma segunda estrutura firme fina (1120,1125; 1220,1225) formada sobre a primeira estrutura de película fina e compreendendo uma camada do tipo p (112 0,-1220) formada sobre e em contacto com a primeira camada do tipo n (1115,-1215), uma segunda camada intrínseca (1125,-1225) formada sobre a camada do tipo p (112 0,-122 0) e tendo uma espessura maior do que a primeira camada intrínseca (1105,-1205) e uma segunda camada do tipo n (1130,-1230)

9. A célula solar da reivindicação 8, caracterizada por compreender ainda uma camada de difusão (1260;1260') formada no substrato; (1000,-1200) a camada de difusão sendo uma de um tipo n ou tipo p.

10. Um método de fabricar uma célula solar, caracterizado por compreender: formar (920) um substrato compreendendo um silício de grau metalúrgico dopado para um do tipo p; formar (935,930) uma primeira estrutura de película fina sobre e em contacto com o substrato, a primeira estrutura de película fina caracterizada pelo facto de compreender: formar (925) uma primeira camada intrínseca compreendendo camada de Si:H amorfo não dopado sobre e em contacto com o substrato; formar (930) uma primeira camada dopada compreendendo a-Si:H n-dopado sobre e em contacto com a camada intrínseca; e, formar 950 contactos inferiores no lado inferior do substrato. 4 11. 0 método da reivindicação 12, caracterizado por compreender ainda: formar uma segunda estrutura de pelicula fina compreendendo um segunda camada dopada sobre a primeira camada dopada; formar uma segunda camada intrínseca ao longo e em contacto com a segunda camada dopada; e formar uma terceira camada fina dopada ao longo e em contacto com a segunda camada intrínseca. 12. 0 método da reivindicação 12, caracterizada por o substrato compreender silício de grau metalúrgico de pureza de três a cinco noves. 13. 0 método da reivindicação 12, caracterizado por compreender ainda a formação de uma segunda estrutura de película fina sobre a primeira estrutura de película fina. Lisboa, 03 de Julho de 2013