DE BANDA INTERMEDIA

SECTOR TÉCNICO Células solares, industria fotovoltaica, energía solar.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Las células solares de banda intermedia están basadas en los denominados materiales de banda intermedia (Fig.1). Éstos se asemejan a un material semiconductor pero incluyen una banda electrónica (1) adicional a Ia banda de conducción (2) y de valencia (3) situada dentro de Ia banda tradicionalmente prohibida del semiconductor. Es por ello que esta banda se denomina "intermedia". Como se detalla en Ia Patente WO0077829 (Célula solar fotovoltaica de semiconductor de anda intermedia) incluyendo este material de banda intermedia (4) entre dos semiconductores convencionales, uno de tipo p (5) y otro de tipo n (6), se fabrica una célula solar de banda intermedia (Fig.2). La célula solar de banda intermedia tiene unas prestaciones superiores a las de las células solares convencionales de un solo gap ya que, gracias a Ia banda intermedia es posible absorber fotones de energía inferior a Ia del gap del semiconductor. La absorción adicional (Fig. 1) se realizaría mediante Ia absorción de fotones que como (12) provocan transiciones de Ia banda de valencia (3) a Ia banda intermedia (1) y de fotones que como (13) provocan transiciones de Ia banda intermedia (1) a Ia de conducción (2). En Ia célula solar de banda intermedia, esta absorción adicional se traduce en una mayor corriente eléctrica, sin pérdida importante de voltaje, y por ende en una mayor eficiencia.

Para Ia fabricación de materiales de banda intermedia, en Ia patente

ES2276624 (Método para Ia supresión de Ia recombinación no radiativa en materiales dopados con centros profundos) se ha propuesto Ia inserción en altas concentraciones (típicamente por encima de 6x10 ¹⁹ cm ^'3 ) de cualquier elemento que produzca un centro profundo en un semiconductor. La implantación iónica consigue introducir en altas concentraciones el elemento deseado, con frecuencia por encima del límite de solubilidad del elemento en el semiconductor, siendo por ello una tecnología capaz de alcanzar las altas concentraciones de impurezas requeridas. Sin embargo, el uso de Ia implantación iónica produce un material de banda intermedia únicamente en Ia superficie del semiconductor implantado.

La situación anterior plantea una dificultad tecnológica, a saber, Ia de completar el proceso de fabricación para dar lugar a una célula solar de banda intermedia que incluya capas p y n (emisores) de semiconductor convencional rodeando esta capa. La dificultad tecnológica viene derivada por el hecho de que, una vez creado este material, cualquier tratamiento tecnológico posterior que lleve a Ia fabricación de un dispositivo completo, debe prevenir que Ia alta concentración de impurezas conseguida no se destruya, por ejemplo, al incluir posteriormente tratamientos térmicos que provoquen Ia segregación de Ia impurezas o Ia formación de clústeres del elemento implantado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Esta patente idea un método por el cual es posible completar Ia estructura que es necesaria para obtener una célula solar de banda intermedia a partir de una capa de material de banda intermedia fabricado por implantación iónica.

El método propuesto consiste en que el material de banda intermedia se fabrica por implantación iónica de titanio en un substrato de silicio cristalino. La implantación iónica del titanio se puede sustituir por un elemento que da lugar a un centro profundo en el silicio situado a más de 0.1 eV de Ia banda de conducción y de Ia banda de valencia contados hacia el centro del gap.

El material del emisor frontal que recubre Ia capa de titanio es silicio amorfo hidrogenado dopado (a-Si:H) y el material del emisor posterior que recubre Ia capa de titanio también es silicio amorfo hidrogenado con un dopaje de tipo contrario al del emisor. Las capas de silicio amorfo hidrogenado se depositan por PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) o por HWCVD (Hot Wire Chemical Vapour Deposition).

Entre Ia capa de material de banda intermedia y el emisor frontal se incluye una capa de silicio amorfo hidrogenado no dopado.

El emisor posterior se separa del substrato de silicio cristalino por una capa de silicio amorfo hidrogenado.

En todos los casos Ia temperatura de trabajo del substrato es inferior a 25O ⁰ C.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Figura 1. Diagrama de bandas simplificado de un material de banda intermedia.

Figura 2. Estructura básica de una célula solar de banda intermedia.

Figura 3. Ilustración del proceso de fabricación de Ia célula solar de banda intermedia. Estructura después de realizar el proceso de implantación iónica.

Figura 4. Ilustración del proceso de fabricación de Ia célula solar de banda intermedia. Estructura después de Ia deposición de Ia capa frontal de silicio amorfo hidrogenado.

Figura 5. Ilustración del proceso de fabricación de Ia célula solar de banda intermedia. Estructura después de Ia deposición de Ia capa frontal y posterior de silicio amorfo hidrogenado.

Figura 6. Estructura de Ia célula solar de banda intermedia fabricada por implantación iónica de Ti y deposición de emisores de silicio amorfo hidrogenado. EXPOSICIÓN DETALLADA DE UN MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Se parte de una oblea de silicio cristalino de alta resistividad de tipo n (10 Ωcm) de tipo Cz ó FZ y orientación <1 ,0,0>. La oblea se adelgaza hasta 250 μm utilizando NaOH al 28% y textura por uno de los lados. Para ello se ponen dos obleas con las caras enfrentadas antes de sumergirlas en el ataque químico texturizante que consiste en una disolución al 2% de NaOH en 2 propanol a 25 ⁰ C durante 1 hr. El propósito del texturado es proporcionar un atrapamiento de luz en el volumen de Ia célula con el fin de que ésta pase varias veces por el material de banda intermedia facilitando Ia absorción en éste de luz de energía por debajo del gap. La elección preferente de una oblea de alta resistividad viene motivada con el fin de disminuir Ia absorción por electrones libres durante el proceso de atrapamiento de luz de Ia célula con el fin de que los fotones de energía inferior a Ia del gap no sean absorbidos por estos electrones libres sino por las transiciones ópticas que involucran a Ia banda intermedia pero también pueden utilizarse obleas de baja resistividad. Por otro lado, al colocarse las obleas con sus caras enfrentadas se evita que el ataque químico penetre en las caras que se encuentran enfrentadas. A continuación se limpian las obleas utilizando un ataque RCA2 consistente en una disolución 6:1 :1 HaOΗCLH∑O∑ calentado a 8O ⁰ C durante 3 minutos y después en H ₂ SO ₄ /H ₂ O ₂ (1 minuto a 25 ⁰ C) seguido de un baño en HF (1 minuto a 25 ⁰ C). Otros ataques químicos como el denominado CP, consistente en 300 HNO ₃ , 100 CH ₃ COOH y 4OmL HF pueden usarse también en el proceso de limpieza.

A continuación las obleas se introducen en el implantador iónico implantándose Ti a una dosis de 1x10 ¹⁵ a 1x10 ¹⁶ crrf ² por Ia cara que no se encuentra texturada. Esta elección preferente de Ia cara de Ia oblea no texturada frente a Ia texturada viene determinada por el hecho de ofrecer al implantador una dirección cristalina conocida con el fin de asegurar un mayor control del proceso de implantación. Sin embargo, también pueden usarse obleas que hayan sido texturadas por ambos lados ahorrándose el paso de enfrentamiento de una cara de Ia célula frente a Ia otra durante el proceso de texturado a costa de un sacrificio en este control. Como fuente de Ti, en el implantador se utiliza TiCI ₄ . La energía de implantación es de 20-35 keV. Este proceso produce una implantación de átomos de Ti en Ia mayor parte de Ia superficie de Ia oblea de silicio superior a 10 ²⁰ cm ^'3 hasta una profundidad de unas 0.1 μm. Esta concentración, que se encuentra por encima del límite de solubilidad del Ti en silicio, es suficiente para producir el material de banda intermedia. A continuación, con el fin de mejorar Ia calidad cristalina de Ia capa implantada, Ia superficie de Ia oblea se somete a un proceso pulsado de aleado láser (PLM). Este proceso consistente en el barrido de Ia superficie implantada de Ia oblea mediante un láser de excímero (KrF) de 248 nm de longitud de onda pulsado durante 20 ns y con una densidad de energía de hasta 1 J/cm ² . La corta duración del pulso provoca una recristalización del blanco sin que tenga lugar una redistribución importante de las impurezas implantadas. Al finalizar este proceso se habrá creado un material de banda intermedia (4) en Ia superficie de Ia oblea (7) con Ia banda intermedia situada a unos 0.3 eV de Ia banda de conducción del silicio (Fig. 3).

A continuación las obleas se introducen en el sistema dé ^{^} PECVD con el fin de depositar en primer lugar una capa de 1 a 5 nm de silicio amorfo hidrogenado intrínseco (8) y a continuación, otros 50 nm de silicio amorfo hidrogenado tipo p (5) (figura 4). El propósito de Ia capa intrínseca es disminuir

Ia recombinación de Ia unión banda intermedia-silicio tipo p. En el sistema de deposición de PECVD se utiliza una radiofrecuencia de 13.54 MHz. La frecuencia también puede variarse a 40, 60 ó 75 MHz si se utiliza un sistema de alta frecuencia (VHF). En lugar de una capa p, también puede depositarse una capa n. En este caso, Ia deposición de Ia capa intrínseca ayudará a prevenir también el paso de electrones desde Ia banda de conducción del silicio amorfo tipo n a Ia banda intermedia por efecto túnel.

A continuación, en Ia cara posterior de Ia célula (Ia texturada) se deposita otra capa de silicio amorfo hidrogenado intrínseco (8) y una capa de silicio amorfo hidrogenado de tipo n (6). En el caso de que en Ia cara frontal se hubiese depositado silicio de tipo n, ahora, en Ia cara posterior se depositaría de tipo p.

Finalmente, Ia estructura se completa depositando en Ia cara frontal y posterior una capa de oxido conductor transparente (TCO) (9) y los contactos metálicos. Estos se realizan depositando una pasta serigráfica de plata que se recuece a 18O ⁰ C. El contacto frontal (10) ha de tener forma de malla de metalización a fin de que permita el paso de Ia luz hacia Ia estructura de Ia célula. El contacto posterior (11) puede recubrir completamente Ia cara posterior, pero es preferible que también tenga forma de malla de metalización a fin de que Ia luz que llega a esta superficie, y en particular Ia luz de energía inferior a Ia del gap del silicio, tenga una alta probabilidad de sufrir una reflexión interna total y dirigirse de nuevo hacia Ia zona de material de banda intermedia (4)