CONTACTOS ASÍ CREADOS

Sector técnico de la invención

La presente invención tiene su ámbito de aplicación en la fabricación de dispositivos optoelectrónicos, Incluyendo células solares de alta y baja concentración, lámina delgada, diodos emisores de luz orgánicos (OLED, organic light-emitting diode), y en general, cualquier dispositivo en el que se requiera extraer o inyectar corriente por medio de contactos eléctricos. En particular, la presente invención se refiere a un procedimiento para la creación de contactos eléctricos en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Antecedentes de la invención

Las técnicas de deposición de contactos eléctricos que se utilizan en la industria actual constan de varias fases en su aplicación hasta conseguir la completa operatividad del contacto. Estas técnicas implican la deposición del conductor sobre el sustrato final, un recrecimiento que se hace necesario en función de la técnica empleada y un sinterizado del depósito a fin de maximizar sus características conductoras y de adherencia al sustrato.

Una de las técnicas más ampliamente extendida para la creación de contactos metálicos, especialmente en células solares comerciales, es la serigrafía, que consiste en trasladar una capa de material con un patrón deseado a la superficie de la oblea (dispositivo optoelectrónico). Las pantallas y las pastas son los elementos esenciales de esta tecnología. Sin embargo, esta técnica presenta algunos inconvenientes: es una técnica costosa y que necesita cambios de pantalla según la plantilla a utilizar y el control de parámetros del proceso no es fácil, además no permite la deposición de dos pastas metálicas diferentes sin tratamiento térmicos intermedios. Por otra parte, es deseable obtener altas relaciones entre altura (espesor) y anchura de la línea metálica depositada, denominado "aspect ratio" para tener un contacto eficiente, ya que se desea tener la mínima resistencia del conductor (máxima altura o espesor) con el mínimo área de contacto (el área de contacto en una célula es área perdida en el que no incide el sol). A mayor altura de línea de capa depositada con la misma achura, mejores resultados.

Además, la serigrafía requiere la aplicación de presión sobre el dispositivo, lo que conlleva en ocasiones a la ruptura del mismo.

Aunque también se conoce la deposición mediante transferencia con láser (LIFT, láser induced forward transfer) del depósito del material conductor desde un sustrato donante que lo contiene hasta un sustrato final, esta técnica no pueden considerarse técnicamente completa, puesto que necesita bien de un recrecimiento del contacto mediante técnicas de electrodeposición, bien de un sinterizado en horno para la obtención de resistividades y adherencias útiles. El problema de la sinterízación convencional mediante horno es que produce inevitablemente una afectación térmica en todo el dispositivo. Esto hace que cambien las características no sólo de los contactos metálicos, sino también del resto del dispositivo. En la presente invención, se evitan calentamientos que pueden ser perjudiciales para el resto de los componentes de la pieza (ya sean capas semiconductores tipo p o tipo n, la heterounión p/n del semiconductor, capas conductoras transparentes o incluso el propio substrato).

La invención que se propone resuelve las anteriores debilidades de las técnicas convencionales, proponiendo un procedimiento para la creación de contactos eléctricos de forma efectiva y eficaz, entre las ventajas obtenidas mediante la presente invención, se encuentran las siguientes:

- Proceso de deposición de contactos con gran flexibilidad, tanto en valores de anchura y altura del contacto como en posibilidad de variaciones rápidas del estampado utilizado, es decir, existe gran flexibilidad en cuanto al patrón o estampado ("pattern") a crear ,

- Aumento de resolución en los valores de altura y anchura de los contactos,

- Aumento de la velocidad de proceso,

- Minimización de la afectación térmica en el sinterizado, restringiéndola a la zona con contactos y no a la célula/dispositivo optoelectrónico en sí,

-Minimización del consumo de energía para la creación de los contactos eléctricos.

Además, los contactos creados mediante la presente invención permiten tanto conducir como extraer la electricidad. El proceso supone un ahorro de material de contacto, ya que solo se utiliza la cantidad justa para realizar el mismo, no precisando de procesos de limpieza posteriores ni tratamientos térmicos adicionales. .

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para la creación de contactos eléctricos en los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.

A continuación se definen algunos elementos que se utilizaran para la descripción de las etapas del procedimiento y que ayudarán a la compresión del mismo.

Sustrato final: se trata de la superficie sobre la cual se desea depositar el contacto. Se trata, pues, de la superficie de cualquier dispositivo electrónico u optoelectrónico.

Sustrato donante: lámina transparente al láser que se utiliza como portadora del material de contacto, y desde la cuál se realiza su transferencia al sustrato final.

Predepósito: es el depósito del material de contacto sobre el sustrato donante. Material de contacto: constituye el material que se desea transferir al sustrato final para servir de contacto, preferiblemente se trata de una pasta de base metálica y con buenas propiedades conductoras intrínsecamente o tras ser sometida a un proceso de curado. La pasta metálica debe contener, preferiblemente, un metal con alto grado de conductividad eléctrica, como el cobre, la plata, etc. También se puede utilizar pasta de nanopartículas de carbono, nanotubos de carbono, pasta de grafeno o film de grafeno como material de contacto.

Las pastas metálicas son composiciones que además del metal tienen una serie de componentes como fritas de vidrio en su mayoría, modificadores de reología, disolventes, controladores del sintetizado y otros aditivos. El porcentaje de metal en la pasta puede variar entre el 10 y el 99%. Valores habituales de porcentaje de metal están comprendidos entre el 40 y el 90% y preferentemente, entre el 75 y el 85%.

La presente invención tiene por objeto describir un procedimiento para la creación de contactos eléctricos mediante la transferencia de una pasta metálica o material de contacto desde un sustrato donante a un sustrato final y su posterior sintetizado.

El procedimiento incluye las siguientes etapas:

- Deposición del material de contacto o pasta metálica sobre el sustrato final, mediante la transferencia de dicho material desde un sustrato donante al sustrato final utilizando la técnica de transferencia inducida por láser (LIFT). Preferiblemente se utilizan láseres pulsados para llevar a cabo la deposición del material de contacto

- Sinterizado del material de contacto o pasta metálica para conseguir la cohesión de dicho material de contacto o pasta metálica y disminuir su resistencia, de manera que sus características de resistividad eléctrica y adherencia al sustrato final las hace útiles para la inyección o extracción de corriente. Este proceso de sinterizado se realiza mediante un láser, preferiblemente láser continuo.

Para realizar la deposición de la pasta metálica, el sustrato donante se sitúa junto al sustrato final, de manera que la pasta metálica se sitúe entre ambos. Mediante la radiación selectiva con la fuente láser, la pasta metálica es transferida al sustrato final, de manera que en él se forman los contactos. En esta etapa se deben tener en cuenta las siguientes variables:

- Espesor de predepósito de pasta metálica sobre el sustrato donante. Esta variable influye principalmente en el espesor final del depósito en el sustrato final. En el caso de aplicaciones a células fotoeléctricas, los espesores de predepósito utilizados son de 150 mieras o inferiores, preferiblemente entre 40 y 60 mieras. - Distancia entre el sustrato donante y el sustrato final. Esta variable influye principalmente en la resolución de la transferencia. Su valor ha de estar relacionado con el espesor de predepósito, Puede oscilar entre décimas y miles de mieras con valores habitualmente comprendidos entre 0,1 y 1000 mieras, preferiblemente entre 50 y 100 mieras.

- Características del haz láser aplicado (potencia media, velocidad de barrido, diámetro del haz, frecuencia de repetición de pulso, longitud de onda del láser, fluencia del láser, potencia de pico). Los láseres utilizados, así como sus características dependerán de las características de las pastas metálicas utilizadas para formar el contacto, del tamaño de depósito final que desee conseguirse, de la velocidad requerida de proceso, etc.

El sinterizado de la pasta metálica es fundamental para disminuir la resistencia del contacto, así como para obtener una buena adherencia de la pasta metálica al sustrato debido a que el proceso de sinterizado permite la creación de fuertes enlaces entre las partículas del material de contacto. El proceso de sinterizado se realiza mediante una fuente láser, preferiblemente láser continuo. Las variables del láser (potencia, longitud de onda, diámetro del haz) y de las condiciones de irradiación (velocidad de barrido, tamaño de la mancha focal) son función del espesor del depósito, tipo de material y geometría del depósito.

Dependiendo de que el dispositivo incorpore o no una capa dieléctrica entre la superficie a contactar y el depósito de material descrito, puede ser necesario abrir una ventana en dicha superficie dieléctrica para que el contacto presente las propiedades eléctricas necesarias. Dicha abertura de la capa dieléctrica puede realizarse también con láser pulsado, preferiblemente en el rango de los picosegundos. En aquellas tecnologías en las que la pasta metálica se transfiere a un material con condiciones de conductividad aceptable, como óxidos conductores transparentes, no es necesario realizar una ventana en la superficie dieléctrica

Mediante un haz láser se irradia el depósito de pasta metálica conductora. Para ello se hace recorrer la luz láser por el depósito de manera que el tiempo de irradiación permita el sinterizado de todo el bloque de pasta metálica.

Con este procedimiento, el calentamiento se produce exclusivamente sobre la pasta metálica, no afectando significativamente al resto del dispositivo, ni necesitando de posteriores procesos térmicos, por ello se pueden utilizar tanto dispositivos plásticos como poliméricos o dispositivos que no soporten altas temperaturas de proceso, como los dispositivos que incorporar heterouniones en su estructura. El láser de luz continua permite un sinterizado profundo y completo de la capa metálica. A diferencia del sintenzado en hornos, en el caso del sintenzado con láser, la afección térmica es mínima, ya que el haz láser se dirige al contacto del material transferido mientras que el resto del dispositivo se encuentra frío. Así pues, en el procedimiento de la presente invención se realiza una sinterización selectiva con un consumo de energía inferior y una menor carga térmica global en el dispositivo.

La complejidad del proceso de sintenzado se encuentra en la elección del tipo de fuente láser. Dependiendo de la fuente láser y de la pasta metálica utilizada, se obtienen profundidades de sintenzado distintas. Los láseres en continuo presentan buenos resultados de penetración, obteniéndose tras el proceso de sinterización conductividades eléctricas similares a las obtenidas con procesos de sintenzado en horno. Es fundamental la elección de la potencia de la fuente, tamaño del diámetro del haz (habitualmente del orden del ancho de la línea transferida) y velocidad de barrido.

En una realización preferida del proceso de sinterización se utiliza un láser continuo en verde, con potencia en torno a 5-20 vatios y tamaño de spot en torno a 120 mieras, con velocidades de barrido comprendidas entre 1 mm/s y 500 mm/s.

Las fuentes láser pulsadas hacen más difícil el control de la termodinámica intrínseca al proceso de sinterizado, por lo que es más conveniente utilizar fuentes de láser continuo para esta etapa del procedimiento. Se reserva, sin embargo, el uso de láseres pulsados a aquellas aplicaciones muy específicas en que el espesor de las líneas depositadas sea extremadamente fino y se necesite limitar la carga térmica en el material a sinterizar. Sin embargo, para las geometrías habitualmente empleadas en dispositivos eléctronicos y optoelectrónicos con láser continuo se puede penetrar y sinterizar el depósito en profundidad y homogéneamente.

La combinación de estas dos técnicas (LIFT y sinterizado con láser) da lugar a unos contactos con excelentes propiedades conductoras, con gran adherencia, alta relación entre la altura y anchura del contacto, con un sinterizado del contacto completo y profundo y sin necesidad de realizar una etapa adicional de recrecimiento del contacto. Se persigue la menor resistencia eléctrica (mayor altura o sección del contacto) con menor área de contacto (anchura del contacto) para evitar sombreado. Cuando mayor sea el "aspect ratio" o relación entre altura y anchura de la línea del contacto más eficiente será éste.

La anchura de los contactos eléctricos creados mediante el proceso de la presente invención oscila entre 4 y 200 mieras, preferiblemente entre 50 y 100 mieras. En cuanto a la relación ente la altura y anchura de línea, los valores oscilan entre 0,0001 y 0,5 Para anchuras de línea en tomo a las 4 mieras, utilizadas en contactos para células multi- unión como las empleadas en alta concentración fotovoltaica, se pueden usar láseres de onda bajas (355nm por ejemplo) para la sinterización.

En el procedimiento de la presente invención se pueden utilizar diferentes pastas metálicas para crear los contactos sin necesidad de realizar un proceso intermedio de secado o sinterizado entre la deposición de una y otra pasta metálica. Así por ejemplo, puede utilizarse una pasta metálica de alta conductividad o una pasta metálica con buena adherencia, o bien las dos pastas para crear un mismo depósito, en función de las necesidades requeridas. También puede aplicarse una única pasta para la formación de tipos de contactos diferentes, por ejemplo superponiendo líneas para conseguir una mayor relación de aspecto ("aspect ratio").

En el caso de una célula solar comercial estándar existen dos áreas diferenciadas de metalización en la parte frontal: por una parte están los contactos eléctricos (denominados "dedos" ó, del inglés, "fingers") que forman la primera fase de metalización y tienen como misión extraer la corriente de la superficie del dispositivo y conducirla hasta los contactos de la segunda fase de metalización que son los denominados "buses" o "busbars". Los "fingers" han de ser lo más finos posibles, con muy buen contacto con el sustrato, con una alta relación entre la altura y la anchura de línea del contacto, interesa que tengan una alta conductividad y buena unión eléctrica. La misión de los "buses" consiste en recoger la corriente de los "fingers" y cederla a la cinta de soldadura, o del inglés "ribbon" que se suelda en ellos. En el caso de los "buses", lo importante es que la adherencia al sustrato sea muy buena para no tener problemas de fiabilidad en el proceso de soldadura. Luego, en función del tipo de contacto a depositar, puede utilizarse como material de contacto una pasta metálica con una buena adherencia o una buena conductividad, o bien pueden utilizarse dos pastas diferentes para realizar el mismo tipo de contacto, o una misma pasta para crear los dos tipos de contactos.

Los dispositivos electrónicos pueden ser LEDs (diodos emisores de luz, del ingles "light- emitting diodes"), OLED (diodos emisores de luz orgánicos , del inglés "organic light- emitting dioses") y a células lll-V, que se trata de células solares formadas por elementos de la tabla periódica comprendidos en las columnas III a V, son las utilizadas en módulos solares fotovoltaicos de alta concentración. En el caso de éstas últimas, los contactos pueden crearse i) en la parte frontal donde se encuentra la unión pn (malla metálica de fingers y salida de corriente de la célula a través de busbars colocados en los laterales), ii) en la parte trasera, colocándose todo igual pero en la parte trasera (tanto fingers como busbars), iii) colocando los fingers en la parte frontal, unos conductores/caminos que atraviesa la célula (también de metal) y conectan con los busbars colocados a la unión pn de la parte trasera".

Descripción de los dibujos

Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1: Muestra un esquema de la etapa de deposición de la pasta metálica sobre el sustrato final (Figura perteneciente al estado del arte)

Figura 2: Muestra un diagrama de la altura vs distancia horizontal (anchura) de línea del contacto depositado mediante la técnica LIFT.

Figura 3: Muestra dos gráficas de la resistencia del contacto depositado con las pastas de plata comercial SOL 540 y SOL 550 de la firma Heraeus ® respectivamente, en función de la potencia láser con y sin sinterizado.

Las referencias numéricas que aparecen en la figura 1 son las siguientes:

1. - Material de contacto

2. - Sustrato donante

3. - Sustrato final o receptor

4. - Láser

Descripción detallada de la invención

A continuación se describe la creación de contactos metálicos utilizando los siguientes materiales:

Material de contacto (1): se utilizan dos pastas diferentes comercialmente disponibles de modelos SOL 540 y SOL 550 de Heraeus ®.

Características:

Sustrato donante (2): es un portamuestras de vidrio, transparente al láser. El espesor de pasta de plata sobre el sustrato donante (espesor de predepósito) es de entre 40 y 50 mieras. Sustrato final o receptor (3): es un óxido conductor transparente (TCO) de lámina delgada (Thin Film).

Láser (4) para proceso de transferencia de la pasta metálica: Se utiliza un láser de Spectra Physics 532-2 de 532 nm y 15 ns de pulso, con frecuencias de 20 a 150KHz y cintura de haz de 30 μπι, con potencia máxima de 2 W.

-Para la pasta de plata Sol540:, las variables de láser utilizado para proceso de transferencia de la pasta metálica son las siguientes: potencia óptima de 3,7 W, con ventana desde 2,2 a 4,0 W, velocidad de barrido de 3 mm/s y tamaño de spot de 120 mieras de diámetro

Para la pasta de plata Sol550, las variables de láser utilizado son las siguientes: Potencia óptima de 3,4 W, con ventana desde 2,0 a 3,8 W, velocidad de barrido de 3 mm/s y tamaño de spot de 120 mieras de diámetro

Tal y como se muestra en la figura 1 , en primer lugar se lleva a cabo la deposición de la pasta de plata (1) situada inicialmente en un portamuestras de vidrio o sustrato donante (2) sobre el sustrato final (3), para lo cual se utiliza el láser pulsado (4) descrito anteriormente.

La Figura 2 muestra un diagrama de la altura y distancia horizontal (anchura) de línea del contacto depositado mediante la técnica de transferencia inducida por láser (LIFT), que permite obtener alta relación entre la altura y la anchura del contacto. Es decir, es posible obtener, a diferencia de las técnicas convencionales, líneas de gran altura o espesor (unas 25 mieras), pero estrechas o con una distancia horizontal pequeña, del orden de 100 mieras.

Una vez depositada la pasta metálica (1) sobre el sustrato final (3), se lleva cabo la sinterización de la pasta depositada. Para ello se utiliza además una fuente láser de Spectra Physics, Modelo Millennia ®. Se trata de un láser en continuo con una potencia máxima de 10W y de 532 nm de longitud de onda y velocidad de escáner de 3 mm/s y un diámetro de spot de 120 mieras.

Se realizan los sinterizados a distintas potencias, para cada una de las dos pastas, obteniendo resultados muy aceptables en un rango de lo suficientemente ancho como para considerar al proceso robusto. La calidad de los resultados es función de la resistencia. A menor resistencia, mejor se podrá evacuar/inyectar la corriente en el dispositivo.

Como puede verse en la figura 3, la resistencia de las pastas sinterizadas es del orden de 20 veces menores que sin el sinterizado. La gran ventaja del calentamiento por láser es que permite el calentamiento selectivo del contacto metálico, sin afectar al resto del dispositivo optoelectrónico. Además, el uso de un láser continuo permite realizar una sinterización parcial y profunda del contacto y no solo superficial como ocurre en ocasiones con las técnicas convencionales (hornos) limitadas a una temperatura para que no se vea afectado el dispositivo optoelectrónico en cuestión.

Así pues, la combinación de la técnica de transferencia inducida por láser (LIFT) y la sinterización mediante láser da lugar a contactos con unas características eléctricas óptimas, tal y como se muestra en la figura 3, sin que el sustrato optoelectrónico se vea afectado durante el proceso. Así, en el caso de la pasta metálica SOL540, se obtiene una resistencia de 1 ,24Ω para una potencia de láser de 3,4W en el sintetizado. En el caso de la pasta metálica SOL550, obtiene una resistencia de 1.5Ω para una potencia de láser de 3,7W.