COLECCIÓN DE CORRIENTE POR EFECTO TRANSISTOR Y

PROCEDIMIENTO PARA SU FABRICACIÓN

D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de Ia invención es una célula solar fotovoltaica y, en particular, una nueva estructura de célula solar que posee todos sus contactos eléctricos en Ia cara posterior de Ia célula, presentando una mayor fotocorriente y, consecuentemente, una mayor eficiencia de conversión luz a electricidad, debido a Ia desaparición de las sombras originadas por las metalizaciones de Ia cara frontal.

La estructura de estas células facilitan su interconexión para Ia formación de módulos fotovoltaicos, al situarse todos sus contactos eléctricos en Ia cara posterior de Ia célula.

Asimismo, se pueden conseguir; en base a las células solares propuestas, módulos fotovoltaicos con una estética mejorada, al quedar situadas todas las metalizaciones, contactos eléctricos e interconexiones en Ia cara posterior de las células, y, por tanto, ocultas desde el exterior del módulo.

Esta nueva estructura permiten también realizar células solares para aplicaciones bajo luz concentrada, al no estar limitadas por las pérdidas óhmicas originadas por las limitaciones geométricas de Ia malla de contactos eléctricos.

Finalmente, las células solares objeto de Ia invención pueden

realizarse empleando materiales de baja calidad, al estar favorecida Ia colección de corriente por un efecto transistor, siendo su fabricación compatible con técnicas industriales de bajo coste.

También es objeto de Ia presente invención el método de fabricación, industrial, para Ia obtención de estas células solares.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las células solares de silicio de contactos posteriores han sido desarrolladas en el pasado, primero con objetivos de obtener una alta eficiencia, beneficiándose de Ia inexistencia de sombras en Ia cara frontal de las células, después por simplificar su interconexión, abaratando Ia fabricación de los módulos fotovoltaicos, al tiempo que se obtiene una mejora estética en éstos, razón por Ia que su mercado se ha dirigido principalmente hacia el sector de fachadas fotovoltaicas, muy exigente en Ia estética de los proyectos.

En 1984, R. Swanson presenta Ia Célula Solar de Contactos Puntuales, Point Contact Solar CeII, PCSC. Esta célula, mejorada en su proceso de fabricación, es actualmente producida y comercializada por Ia compañía SunPower de Sunnyvale, CA, USA.

La célula PCSC colecta toda Ia corriente fotogenerada en Ia cara posterior de Ia célula, es decir, en Ia cara en Ia que se sitúan los contactos eléctricos, Io cual presenta Ia problemática de que los fotones, que entran en

Ia célula a través de su cara frontal, son absorbidos en unas pocas mieras desde Ia superficie y los electrones de conducción, depositarios de Ia energía de dichos fotones, deben recorrer una distancia apreciable hasta ser colectados en Ia cara posterior de Ia célula y, por tanto, ser convertidos en corriente eléctrica útil, capaz de circular por un circuito eléctrico extemo a Ia

célula solar. Por tanto, existe una alta probabilidad de que estos electrones, en su camino hacia Ia cara posterior de Ia célula, cedan su energía a alguno de los múltiples mecanismos que existen en el interior de los semiconductores, disminuyendo Ia magnitud de Ia corriente eléctrica generada.

Los mecanismos de cesión de energía están asociados a Ia pureza y calidad del material semiconductor empleado, motivo por el cual estas células PCSC se fabrican empleando silicio de muy alta calidad, crecido mediante Ia técnica de Zona Flotante (Floating Zone, FZ) Io que, unido a las especiales condiciones de pureza y limpieza empleadas en su fabricación, convierte a Ia célula PCSC en una célula de muy alta eficiencia (más del 20%), pero también de un elevado coste.

Por ello, las células PCSC se dirigen actualmente hacia mercados muy específicos, como por ejemplo en Ia fabricación de aeroplanos fotovoltaicos, o sistemas fotovoltaicos de muy alta eficiencia que trabajan bajo luz concentrada.

En 1993, J. Gee, de los laboratorios SANDIA, NM, USA, presenta Ia célula Emitter Wrap Through, EWT. En esta estructura todos los contactos eléctricos, al igual que en Ia célula PCSC, se sitúan sobre Ia cara posterior de Ia célula. Sin embargo, en esta célula Ia mayor cantidad de corriente es colectada por Ia cara frontal, próxima a Ia región en que son absorbidos los fotones, Io que posibilita altas eficiencias de conversión incluso empleando substratos de calidades inferiores.

Para Ia extracción de Ia corriente a través de los contactos eléctricos de Ia cara posterior, se hace necesario construir un camino eléctrico que conecte las caras frontal y posterior realizándose una serie de taladros, mediante láser, que forman orificios que conectan Ia región tipo n (dopada

con fósforo) de Ia cara frontal con las regiones tipo n de Ia cara posterior, en las que se sitúan los contactos eléctricos del polo negativo de Ia célula solar.

Para realizar Ia conexión eléctrica entre Ia cara frontal y posterior, los orificios se difunden con fósforo para crear un camino continuo, tipo n, entre ambas caras. El substrato o material sobre el que se construye Ia estructura de Ia célula, es del tipo p, contrario a las conexiones eléctricas realizadas entre caras, Io que fuerza a que Ia principal unión pn, en Ia que se produce Ia mayor colección de corriente, se sitúe en Ia cara frontal de Ia célula.

La célula EWT requiere del empleo de un láser para Ia realización de una multitud de orificios y además, a este proceso de agujereado deben seguir otros de eliminación química de zonas dañadas y difusión de los agujeros. En muchas ocasiones se recurre a Ia fotolitografía para Ia definición de Ia compleja geometría de Ia cara posterior. Así, deben existir regiones tipo n bajo los orificios difundidos del mismo tipo, así como regiones tipo p contactando el grueso del substrato o base de Ia célula solar.

Por estos motivos, Ia célula EWT es muy adecuada para fabricar células de contacto posterior pero su fabricación es compleja y Ia realización del número de orificios necesarios encarece su realización.

También se conocen otro tipo de estructuras destinadas a simplificar Ia fabricación de las células de contacto posteriores, con colección de corriente en su cara frontal, como en el caso de Ia célula EWT pero que requieren un menor número de orificios para el paso de Ia corriente como por ejemplo las denominadas MWA (Metallization Wrap Around) y MWT (Metallization Wrap Through) que incorporan una fina rejilla de metalización en su cara frontal.

En estas estructuras, Ia corriente es colectada en Ia cara frontal y dirigida hacia Ia rejilla metálica, al igual que sucede en las células

convencionales pero, las líneas colectoras de corriente, en las que se soldarán las tiras de interconexión entre células, se sitúan sólo sobre Ia cara posterior de Ia célula. La corriente es traspasada desde Ia superficie frontal hasta Ia posterior mediante un anillo metálico situado en Ia periferia de Ia célula, en el caso de Ia célula MWA, o bien mediante orificios que contactarán Ia rejilla metálica frontal con las líneas colectoras posteriores, en el caso de las células MWT. En este último caso, los orificios suelen estar metalizados, Io que complica su proceso de fabricación. En Ia estructura MWT Ia corriente es guiada a través de Ia superficie frontal mediante las líneas de Ia rejilla metálica, por Io que las pérdidas óhmicas pueden ser muy reducidas. Además, el hecho de que los orificios de transvase de corriente se hallen metalizados contribuye así mismo a reducir dichas pérdidas, Io que permite utilizar un reducido número de orificios.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una estructura para una célula solar de contactos posteriores y bajo coste.

La estructura propuesta, al igual que las estructuras EWT, MWT, y

MWA, colecta Ia corriente fotogenerada, en su cara frontal, empleando para su transporte hasta Ia cara posterior múltiples transistores bipolares que, en el caso de emplear substratos tipo p serán del tipo npn.

Para que el transporte de corriente se realice de una manera efectiva, se reduce notablemente el espesor de Ia región de base, de tal manera que los transistores bipolares presenten una elevada ganancia de corriente.

Con el empleo de los substratos de silicio multicristalino actualmente disponibles, con un espesor de 50 micrómetros, se pueden conseguir colecciones de corriente superiores al 95%.

Los transistores bipolares integrados en Ia estructura de Ia célula solar, objeto de Ia invención, tienen Ia misma función que los orificios realizados en las células con estructura EWT pero con Ia particularidad de que pueden extenderse sobre una superficie mayor de Ia oblea, reduciéndose las pérdidas óhmicas originadas en las células EWT y MWT ya que, en estas estructuras, el área total de los orificios origina una disminución en Ia superficie de célula ópticamente activa de Ia célula y por tanto unas pérdidas de fotocorriente generada.

En el caso de Ia estructura objeto de Ia invención, no existe ninguna merma en Ia superficie activa de Ia célula solar y, por tanto, es posible extender el área de transistor a Ia práctica totalidad de Ia célula solar.

En Ia nueva estructura propuesta, que en adelante denominaremos TWT (Transistor Wrap Through), los transistores bipolares, de espesor muy reducido, están adyacentes a porciones de célula solar de un espesor muy superior. Estas zonas o regiones de mayor espesor y que denominaremos gruesas por contraposición a las áreas ocupadas por transistores, se encargan de proveer a Ia célula solar de Ia rigidez mecánica necesaria para su fabricación en entornos industriales.

Los contactos eléctricos, todos ellos situados en Ia cara posterior de

Ia célula, se realizan sobre las regiones gruesas pero, en el caso de substratos tipo p y transistores npn, los correspondientes al terminal negativo pueden realizarse sobre los mismos transistores, en un proceso de fabricación más simple.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 muestra de forma esquemática el principio de funcionamiento de Ia estructura de célula TWT, objeto de Ia invención.

La figura 2 muestra una estructura de célula solar según el objeto de Ia invención en Ia cual los contactos eléctricos del polo positivo se sitúan sobre las zonas gruesas de Ia célula, mientras que los contactos del polo negativo se disponen en las regiones adelgazadas de Ia base del substrato.

La figura 3 muestra una estructura de célula solar según el objeto de Ia invención, en Ia cual, tanto el contacto eléctrico del polo positivo como el del negativo se disponen sobre zonas gruesas de Ia célula.

La figura 4 muestra de forma esquemática el proceso de fabricación de una estructura celular TWT, según Ia realización mostrada en Ia figura 1.

La figura 5 muestra de forma esquemática el proceso de fabricación de una estructura celular TWT, según Ia realización mostrada en Ia figura 2.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Esta invención refiere una nueva estructura de célula solar en Ia que ambos contactos metálicos, que conforman los electrodos positivo y negativo del dispositivo, se sitúan en Ia cara posterior de Ia célula, entendiendo por cara frontal, opuesta a Ia cara posterior, aquella cara del dispositivo que se enfrenta a Ia radiación solar para su absorción y su posterior conversión a electricidad.

La estructura TWT que propone Ia invención está compuesta por una base o substrato que puede estar constituido por silicio, bien tipo p o tipo n.

La base de Ia célula estará limitada en ambas caras por emisores, o regiones altamente dopadas, del tipo opuesto al de base, esto es, emisores tipo n para bases tipo p o emisores tipo p para bases tipo n.

En regiones seleccionadas de Ia cara posterior se realizarán emisores del mismo tipo que Ia base, por ejemplo emisores tipo p para bases tipo p, para fa agciilliittaarr o ell r c>nonnttaaHctroi o ellóéHctτriirc*no r dioe ¿ éosítaa.

La región de base llevará estrechamientos, realizados por algún proceso de adelgazamiento, que aproximarán a los emisores de ambas caras creando un transistor bipolar efectivo, tipo npn para bases tipo p o tipo pnp para bases tipo n. Este transistor realizará un transporte efectivo, hacia el emisor de Ia cara posterior, de Ia corriente de portadores mayoritarios colectada por el emisor frontal. La colección de mayoritarios por el emisor frontal, que serán los minoritarios de base, garantiza una elevada colección de fotocorriente. La construcción de transistores muy efectivos, basados en regiones de base muy estrechas, garantiza una buena conducción de Ia corriente hacia los contactos metálicos y el circuito eléctrico exterior.

La figura 1 muestra el principio de funcionamiento de Ia estructura de célula TWT objeto de Ia invención. La luz entra en el dispositivo a través de su cara frontal y será absorbida en las proximidades de ésta. La cara frontal de Ia célula incorpora una unión pn, capaz de colectar Ia corriente fotogenerada, cuya parte fundamental corresponde a Ia corriente de electrones, en el caso de bases tipo p, generada en Ia base de Ia célula. Esta corriente recorrerá Ia superficie frontal de Ia célula a través de su emisor tipo n hasta llegar a un estrechamiento de Ia base, en el cual el transistor bipolar asociado Ia transportará hasta el emisor tipo n situado en Ia cara posterior de Ia célula y de ahí Ia corriente de electrones recorrerá superficialmente el emisor tipo n de Ia cara posterior hasta alcanzar un contacto metálico, a través del cual será suministrada al circuito exterior.

Las figuras 2 y 3 muestran dos posibles realizaciones de Ia estructura TWT objeto de Ia invención. En ambas realizaciones, puede observarse que todos los contactos eléctricos, tanto positivos como negativos, se sitúan en

Ia cara posterior de Ia célula, que coincide con Ia parte inferior de Ia célula. Entre ambas caras frontal y posterior se realizan estrechamientos, representados en Ia parte central de las figuras, y obtenidos por adelgazamiento de su cara posterior, aunque también podrían estar situados en zonas diferentes u obtenerse por adelgazamiento de Ia cara frontal de Ia célula.

Los estrechamientos generan transistores npn, para las estructuras mostradas en las figuras, es decir, con substratos tipo p y generarían transistores pnp para el caso de bases tipo n flanqueadas por emisiones tipo p, situados en cada cara de Ia oblea.

La estructura de célula de Ia figura 2 usa las regiones adelgazadas de base para colocar en ellas los contactos eléctricos del polo negativo de Ia célula solar, mientras que los electrodos que conforman el polo positivo se sitúan sobre las zonas gruesas de Ia célula.

La célula de Ia figura 3 presenta los dos contactos eléctricos, el positivo y el negativo, sobre zonas gruesas de Ia célula. En este caso, Ia corriente eléctrica debida a los electrones debe recorrer una mayor porción del emisor tipo n posterior, por Io que su contribución a las pérdidas óhmicas será mayor que en Ia célula de Ia figura 2.

Por el contrario, Ia realización de ambos contactos sobre regiones gruesas facilitará Ia fabricación industrial de estos contactos y su posterior encintado con tiras de cobre, necesario para el interconexionado de células.

La fabricación de ambas estructuras puede hacerse mediante técnicas consideradas como industriales, fundamentalmente por su capacidad de ser implementadas sobre grandes lotes de células.

A continuación, se incluyen unos ejemplos de fabricación, representados en las figuras 4 y 5 que permiten obtener estructuras de célula como las mostradas en las figuras 2 y 3.

Ejemplo 1 :

Para Ia fabricación de Ia célula de Ia figura 1 , el proceso de fabricación a seguir puede ser el que se detalla a continuación:

a) La oblea de partida, tipo p en este caso, se limpia y adelgaza en un baño químico hasta que desaparezcan las trazas de grietas y microgrietas que han podido ser generadas o inducidas en procesos anteriores, como el de aserrado del lingote. La oblea se oxida en un horno a elevada temperatura y en ambiente de oxígeno o de vapor de agua o bien combinado de ambos, ya sea mediante burbujeo de gas en un matraz con agua o por recombinación de oxígeno e hidrógeno. Se obtendrá con ello una estructura como Ia representada en Ia figura 4.a.

b) Con un proceso fotolitográfico o serigráfico se enmascaran pequeñas porciones de Ia cara posterior de Ia célula que constituirán las regiones gruesas de Ia célula, con ventanas para Ia introducción de Ia difusión tipo p. Se elimina el óxido de silicio no cubierto por el enmascarante obteniéndose una estructura como Ia representada en Ia figura 4.b.

c) Se deposita selectivamente una capa de aluminio. Debido a que las dimensiones más críticas en esta estructura, ancho de las líneas de óxido y tamaño de las ventanas, pueden ser superiores a 200 micrómetros, no se precisarán precisiones de alineación mejores que +/-100 micrómetros, pudiendo emplearse Ia serigrafía para Ia deposición de estas capas de aluminio. Un proceso de alta temperatura, en el entrono de 800 a 1100 ⁰ C producirá una difusión del aluminio hacia el interior del silicio, creándose las

regiones p+. Tras este proceso se habrá obtenido Ia estructura representada en Ia figura 4.c.

d) Mediante un ataque químico se adelgazará Ia base de Ia célula por las regiones no protegidas por el óxido de silicio, finalizándose con un ataque anisotrópico, creándose Ia estructura representada en Ia figura 4.d.

e) Una difusión de fósforo en ambiente de vapor de oxicloruro de fósforo, por ejemplo, creará emisores tipo n sobre todas las superficies no cubiertas por el óxido o por el aluminio, Io que da origen a los emisores frontal y posterior que originarán los transistores npn en las regiones estrechas de base. La estructura de Ia célula será como Ia que se indica en Ia figura 4.e.

f) Una deposición de capas pasivadoras de las superficies y de capas antirreflectantes sobre Ia cara frontal de Ia célula aumentará Ia eficiencia de ésta. Por último, una serigrafía de plata creará el contacto negativo de Ia célula. Esta serigrafía puede extenderse, simultáneamente, sobre los depósitos de aluminio que recubren los emisores tipo p. La plata situada sobre ellos facilitará su soldadura y por tanto Ia conexión de las cintas de cobre empleadas en Ia interconexión de células. Se habrá llegado a Ia estructura de Ia figura 4.f, estando ya finalizada Ia célula solar.

Ejemplo 2:

Para Ia fabricación de Ia célula de Ia figura 2, el proceso de fabricación a seguir puede ser el que se detalla a continuación: a) La oblea de partida, tipo p en este caso, se limpia y adelgaza en un baño químico hasta que desaparezcan las trazas de grietas y microgrietas que han podido ser generadas o inducidas en procesos anteriores, como el de aserrado del lingote. La oblea se difunde con fósforo en un horno de alta temperatura, en Ia banda de los 800 a 1000 ⁰ C y en ambiente de oxicloruro

de fósforo. La oblea se oxida en un horno a elevada temperatura y en ambiente de oxígeno o de vapor de agua o bien combinado de ambos, ya sea mediante burbujeo de gas en un matraz con agua o por recombinación de oxígeno e hidrógeno. Se obtendrá con ello una estructura como Ia representada en Ia figura 5.a.

b) Con un proceso fotolitográfico o serigráfico se enmascaran pequeñas porciones de Ia cara posterior de Ia célula que constituirán las regiones gruesas de Ia célula, con ventanas para Ia introducción de Ia difusión tipo p. Se elimina el óxido de silicio no cubierto por el enmascarante obteniéndose una estructura como Ia representada en Ia figura 5.b.

c) Se deposita selectivamente una capa de aluminio. Debido a que las dimensiones más críticas en esta estructura, ancho de las líneas de óxido y tamaño de las ventanas, pueden ser superiores a 200 micrómetros, no se precisarán precisiones de alineación mejores que +/-100 micrómetros, pudiendo emplearse Ia serigrafía para Ia deposición de estas capas de aluminio. Un proceso de alta temperatura, en el entrono de 800 a 1100 ⁰ C producirá una difusión del aluminio hacia el interior del silicio, creándose las regiones p+. Tras este proceso se habrá obtenido Ia estructura representada en Ia figura 5.c.

d) Mediante un ataque químico se adelgazará Ia base de Ia célula por las regiones no protegidas por el óxido de silicio, finalizándose con un ataque anisotrópico, creándose Ia estructura representada en Ia figura 5.d.

e) Una difusión de fósforo en ambiente de vapor de oxicloruro de fósforo, por ejemplo, creará emisores tipo n sobre todas las superficies no cubiertas por el óxido o por el aluminio, Io que da origen a los emisores frontal y posterior que originarán los transistores npn en las regiones estrechas de base. La estructura de Ia célula será como Ia que se indica en Ia figura 5.e.

f) Una deposición de capas pasivadoras de las superficies y de capas antirreflectantes sobre Ia cara frontal de Ia célula aumentará Ia eficiencia de ésta. Por último, una serigrafía de plata creará el contacto negativo de Ia célula. Esta serigrafía puede extenderse, simultáneamente, sobre los depósitos de aluminio que recubren los emisores tipo p. La plata situada sobre ellos facilitará su soldadura y por tanto Ia conexión de las cintas de cobre empleadas en Ia interconexión de células. Se habrá llegado a Ia estructura de Ia figura 5.f, estando ya finalizada Ia célula solar.