ES2282999T3 - Celula solar con campo de superficie trasera y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents
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Abstract
PARA PRODUCIR DE UN MODO SENCILLO UN BACK-SURFACE-FIELD, SE PROPONE APLICAR UNA CAPA DE HINCHAMIENTO DE DIFUSION (2) QUE CONTIENE BORO, SOBRE LA PARTE POSTERIOR (RS) DE UN WAFER DE SILICIO (1), E INTRODUCIR EL BORO A 900 HASTA 1200 (GRADOS) C APROXIMADAMENTE, DE 1 HASTA 5 {MI}M DE PROFUNDIDAD EN EL WAFER. ESTO SE REALIZA EN UNA ATMOSFERA OXIGENADA DE MODO QUE SOBRE LAS SUPERFICIES DE SILICIO QUE ESTAN AL DESCUBIERTO SE FORMA UNA CAPA DE OXIDO (4), SIENDO INNECESARIO CUBRIR LAS ZONAS A NO DOTAR. UNA VEZ ELIMINADAS LAS CAPAS DE OXIDO Y DE HINCHAMIENTO TIENE LUGAR UNA DIFUSION DE FOSFORO Y LA PRODUCCION DEL CONTACTO POSTERIOR (3). ESTE CONTIENE ALUMINIO Y PROVOCA, CON EL PROCESO DE QUEMADO, UN BUEN CONTACTO OHMICO.
Description
Célula solar con campo de superficie trasera y
procedimiento para su fabricación.
En el intento de reducir el grosor de células
solares de silicio se observa una disminución del rendimiento de la
célula solar. Por un lado, esto se debe a que una absorción de la
luz solar ya no es completa cuando la longitud de absorción es más
corta. Por otro lado se generan de forma aumentada portadores de
carga en la proximidad del lado trasero, pudiendo los portadores de
carga minoritarios alcanzar por difusión el electrodo trasero y
reducir de esta manera la corriente generada por los portadores de
carga mayoritarios.
Mediante una capa con alto dopado en el lado
trasero es posible generar un campo que actúa en contra de la
difusión de los portadores de carga minoritarios, un llamado campo
de superficie trasera. En una estructura de una célula solar con un
cuerpo de célula solar con dopado p y un emisor con dopado n^{+}
en el lado de incidencia de luz o lado frontal de la célula solar
se requiere para este fin un dopado p^{+} en el lado trasero.
Para realizar la misma se propone frecuentemente aluminio que puede
aplicarse como capa delgada en el lado trasero por ejemplo mediante
metalización por evaporización y puede introducirse o alearse
mediante una etapa de tratamiento térmico. También es posible
generar el dopado p^{+} mediante la aplicación de contactos
traseros con contenido de aluminio y la introducción correspondiente
del aluminio. Igualmente es posible difundir en el sustrato de la
célula solar aluminio procedente de una fuente de difusión de
sustancia sólida. No obstante, esto tiene la desventaja de que en
ambos lados del sustrato de la célula solar tiene lugar un dopado
con aluminio, generándose de esta manera una estructura
p^{+}pp^{+}.
También el boro es apropiado para generar un
dopado p. Un campo de superficie trasera puede generarse mediante
una difusión de fase gaseosa de un compuesto de boro volátil o
gaseoso, mediante aplicación de una capa de silicio con contenido
de boro en el lado trasero, o mediante aplicación de una solución
líquida con contenido de un agente impurificador. No obstante, a
las altas temperaturas requeridas para introducir el dopado se
observa siempre una difusión en todos los lados, debida a la elevada
volatilidad de los compuestos de boro, que debe impedirse mediante
recubrimiento de las zonas de la célula solar que no deben
doparse.
El dopado p^{+} con aluminio, que puede
realizarse con un procedimiento relativamente sencillo, tiene la
desventaja de una mayor susceptibilidad a la corrosión. En el
transcurso del tiempo es posible que se descompongan y se
desprendan zonas de capas con contenido de aluminio, lo que conlleva
daños en los contactos en el lado trasero y puede causar una
reducción de la potencia de la célula solar.
Del 11^{th} E. C. PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY
CONFERENCE, 12. - 16.10.1992, Montreux, Suiza, páginas 164 a 167 se
conoce un procedimiento para la fabricación de una célula solar de
silicio en la que una capa de óxido con dopado con boro se aplica
en el lado trasero de una oblea de silicio y el boro se difunde a
continuación en el silicio a una temperatura de 940ºC. Seguidamente
se genera una capa emisora mediante difusión de fósforo y,
finalmente, los contactos se realizan mediante decapado.
Del documento
WO-A-9119323 se conoce un
procedimiento para la fabricación de una célula solar de silicio
dirigido en particular a la fabricación de zonas dopadas. Según
este procedimiento se aplica en una parte de la superficie de un
sustrato semiconductor una capa de máscara, que forma óxidos y
contiene un agente impurificador, y el sustrato se calienta a
continuación a una temperatura suficiente para la difusión de una
parte del agente impurificador desde la capa de máscara al sustrato
semiconductor, teniendo lugar también un autodopado de la
superficie descubierta del sustrato semiconductor. Las zonas
autodopadas del semiconductor se eliminan mediante decapado
mientras que la capa de máscara forma una capa protectora para las
zonas dopadas debajo de la capa de máscara.
El objetivo de la presente invención consiste en
especificar un procedimiento para generar un campo de superficie
trasera en una célula solar de silicio que pueda integrarse sin
muchos gastos en un procedimiento de fabricación convencional de
células solares, que pueda ponerse en práctica de manera sencilla y
segura y que dé como resultado una célula solar estable a largo
plazo con una sensibilidad reducida respecto a la corrosión.
Mediante el procedimiento debe ser posible ahorrar silicio con
ayuda de células solares más delgadas y, no obstante, conseguir un
rendimiento más alto de la célula solar.
Este objetivo se consigue conforme a la
invención con un procedimiento según la reivindicación 1. Una célula
solar fabricada de esta manera se desprende de la reivindicación 9,
mientras que otras configuraciones de la invención se desprenden de
las reivindicaciones dependientes. La idea básica de la invención
consiste en realizar el dopado p^{+} para el campo de superficie
trasera mediante la expulsión de boro de una capa de fuente de
difusión con contenido de boro. El dopado no deseado en los bordes y
el lado delantero de la oblea se impide por el hecho de que la
expulsión se lleva a cabo en una atmósfera con contenido de oxígeno
a altas temperaturas de 900ºC a 1.200ºC. Bajo estas condiciones se
forma en los bordes y en el lado delantero de la oblea
inmediatamente una capa de óxido que sirve como máscara e impide el
dopado no deseada en estas zonas. Después de la introducción es
posible eliminar tanto la capa de óxido como la capa de fuente de
difusión mediante un sencillo paso de decapado.
La generación del campo de superficie trasera
(BSF) se lleva a cabo por lo tanto antes de realizar la unión
semiconductora, es decir, antes de la difusión de fósforo en el lado
delantero de la célula solar. Las altas temperaturas elegidas
garantizan una introducción profunda de el dopado de boro. Esta se
mantiene estable en todas las etapas posteriores de fabricación de
la célula solar que se llevan a cabo a temperaturas claramente
inferiores.
Otra ventaja de la invención se obtiene en la
fabricación de la unión semiconductora mediante difusión de
fósforo. Esta puede llevarse a cabo en todos los lados, es decir, en
ambos lados y en los bordes de la oblea. Por lo tanto, tampoco para
la difusión de fósforo se necesita una máscara o un recubrimiento de
zonas de capas para impedir un dopado no deseado de determinadas
zonas. El dopado BSF profundamente introducido sólo se sobrecompensa
superficialmente con fósforo.
Mediante el material con contenido de aluminio
del contacto en el lado trasero se consigue durante el cocido del
mismo establecer un contacto con la capa p^{+} y compensar la capa
n^{+} en la zona del contacto en el lado trasero. Es posible
aplicar este contacto de forma estructurada o en toda la
superficie.
La capa de fuente de difusión es una capa con
contenido de boro de la que es posible expulsar el boro
térmicamente. Preferentemente, la capa de fuente de difusión se
aplica con ayuda de un barniz de dopado de boro. Este contiene
además de boro o de compuestos de boro también SiO_{2} en polvo en
suspensión. Este barniz de dopado sirve normalmente para realizar
altos dopados en semiconductores de potencia. El barniz puede
aplicarse de forma líquida por ejemplo mediante centrifugado.
Preferentemente, el lado trasero de la célula
solar está configurado de forma hidrófuga y libre de óxidos. El
barniz de dopado se aplica en esta superficie en una capa lo más
delgada posible y se seca. De esta manera se impide que la capa de
fuente de difusión forme grietas durante la introducción o incluso
se desprenda. Con una capa de fuente de difusión homogénea y no
dañada se consigue un dopado homogéneo del lado trasero.
La introducción del boro desde la capa de fuente
de difusión en la célula solar se lleva a cabo a una temperatura de
900ºC a 1.200ºC, preferentemente de 1.000ºC a 1.100ºC. Este
intervalo se encuentra por debajo de la temperatura de 1.280ºC que
el fabricante del barniz de dopado propone para la aplicación. No
obstante, la temperatura de introducción es más alta que la
empleada en células solares hasta la actualidad.
El fabricante del barniz de dopado de boro ha
propuesto hasta la actualidad recubrir los componentes u obleas en
un lado con el barniz y colocar las mismas de tal manera en una pila
que se encuentren una sobre otra las superficies a dopar o las
superficies que no se deben dopar, respectivamente. De esta manera
debe impedirse un dopado de las respectivas superficies opuestas
sin tener que emplear máscaras para este fin. No obstante, este
procedimiento propuesto tiene la desventaja de que los componentes u
obleas se pegan entre sí a las altas temperaturas requeridas para
la introducción, por lo que deben separarse a continuación de forma
mecánica o química.
Según el procedimiento conforme a la invención
no se necesitan máscaras ni un recubrimiento mediante apilado de
las zonas que no se deben dopar. Durante la introducción del dopado,
las células solares (obleas) están dispuestas de forma distanciada
entre sí, por lo que no pueden pegarse una con otra.
Durante la introducción del dopado se requiere
una atmósfera con contenido de oxígeno. Preferentemente se trabaja
con una atmósfera de oxígeno puro. Para que la capa de óxido pueda
formarse inmediatamente, las células solares se cargan directamente
en un horno precalentado a la temperatura de introducción. Después
de la formación rápida del óxido es posible sustituir la atmósfera
de oxígeno por otros gases como por ejemplo nitrógeno.
Otra ventaja del procedimiento conforme a la
invención resulta de la elevada afinidad de una capa de óxido con
boro que es superior a la afinidad de silicio con boro. Esto tiene
como consecuencia que la capa de óxido absorbe el boro volátil que
eventualmente escapa a la atmósfera durante la introducción del
dopado y sólo puede penetrar en escasa medida en las zonas de
superficie a excluir del dopado con boro.
Después del enfriamiento se eliminan tanto la
capa de fuente de difusión como la capa de óxido, por ejemplo
mediante inmersión en HF.
La unión semiconductora requerida para la célula
solar se realiza mediante difusión de fósforo. Esto puede llevarse
a cabo mediante difusión por todos los lados, produciéndose además
de la capa emisora con dopado n^{+} en el lado delantero también
una capa poco profunda con dopado n^{+} en el lado trasero. Debido
a que para la difusión del fósforo a aproximadamente 800ºC a 900ºC
se ajusta una temperatura considerablemente más baja que durante la
introducción de boro, en el lado trasero de la célula solar se
mantiene el dopado p^{+} mucho más profundo de 1 \mum a 5
\mum debajo del dopado n^{+} con una profundidad de
aproximadamente 0,2 \mum.
Para obtener un elemento semiconductor capaz de
funcionar es preciso separar el dopado n^{+} en el borde de la
célula solar.
De esta manera se evitan cortocircuitos y las
correspondientes pérdidas de potencia de la célula solar. Para la
separación es posible apilar las células solares una sobre otra y
exponerlas durante un corto intervalo de tiempo por ejemplo a un
plasma mordiente.
Para obtener en el lado trasero un contacto
capaz de funcionar es preciso establecer contacto en el lado trasero
de la capa p^{+} a través de la capa n^{+}. Esto se consigue
con un contacto en el lado trasero que contiene aproximadamente un
1 a un 3 por ciento en peso de aluminio. Al cocer el contacto
trasero, el aluminio penetra en el lado trasero de la célula solar
y genera un dopado p^{+} que sobrecompensa el dopado n^{+} que
se encuentra debajo del contacto trasero. De esta manera se ha
realizado una zona de conexión con baja resistencia debajo del
contacto trasero que garantiza una buena conducción de la corriente
en el servicio de la célula solar.
El contacto de derivación de corriente en el
lado delantero (contacto en el lado delantero) que aún falta para
una célula solar capaz de funcionar, puede fabricarse de manera de
por sí conocida antes de realizar el contacto en el lado trasero,
al mismo tiempo que el contacto en el lado trasero o después de
haber cocido el contacto en el lado trasero.
La invención se explica a continuación más
detalladamente en base a un ejemplo de realización y las siete
figuras adjuntas. En estas se muestran:
Fig. 1 a 4 Diversas etapas de procedimiento en
base a secciones transversales esquemáticas de una célula
solar.
Fig. 5 y 6 Perfiles de dopado de una célula
solar generados conforme a la invención.
Fig. 7 Una célula solar terminada en
vista esquemática en corte transversal.
Figura 1: Para la célula solar se elige por
ejemplo una oblea de silicio Cz con dopado p y una orientación
<100>. En esta oblea puede generarse una textura en la
superficie mediante aplicación de corta duración de un mordiente
alcalino siguiendo la orientación del cristal, lo que mejora la
geometría de la incidencia de la luz para evitar reflexiones (no se
representa en la figura 1).
En el lado trasero RS se aplica mediante
centrifugado una capa 2 delgada de barniz de dopado (por ejemplo
Siodop® de la empresa Merck) que se seca a continuación.
Figura 2: La oblea preparada de esta manera se
coloca en un soporte y se introduce en un horno precalentado a una
temperatura de 1.000ºC a 1.100ºC. En el horno se ha establecido una
atmósfera de oxígeno puro, por lo que en todas las superficies de
la oblea 1 no recubiertas por el barniz 2 de dopado de boro se forma
inmediatamente una capa 4 de óxido. Al mismo tiempo se expulsa boro
de la capa 2 de barniz de dopado que se difunde en el lado trasero
RS de la oblea 1. En esta etapa se forma una zona 5 con dopado
p^{+} y una profundidad de aproximadamente 1 \mum a 5
\mum.
Mediante inmersión en HF se eliminan de la oblea
la capa 4 de óxido y la capa 2 de barniz de dopado.
Figura 3: Mediante difusión de fósforo (véanse
las flechas 6) se genera ahora en todos los lados una zona 7
superficial poco profunda con dopado n^{+}. Las condiciones se
ajustan de tal manera que la zona 7 con dopado n^{+} alcance una
profundidad de aproximadamente 1 \mum, preferentemente de 0,2
\mum.
Figura 4: Después de la separación de la zona 7
con dopado n^{+} en el borde de la oblea mediante decapado (por
ejemplo con un plasma) se aplica un contacto 3 trasero. Esto se
lleva a cabo por ejemplo mediante serigrafía con una pasta que
contiene, además de aglutinantes y cargas oxídicas, partículas
conductivas de plata así como de un 1 a un 3 por ciento en peso de
aluminio. Después de la impresión, el contacto 3 trasero se cuece a
aproximadamente 700ºC a 800ºC. En esta etapa se introduce
adicionalmente el agente impurificador aluminio en el lado trasero
de la célula solar, por lo que se garantiza mediante
sobrecompensación del dopado n^{+} en la zona 8 de conexión un
dopado p^{+} y de esta manera un buen contacto óhmico entre la
zona p^{+} 5 y el contacto 3 trasero.
En la figura 5 se muestra esquemáticamente el
perfil de dopado generado en la célula solar antes de cocer el
contacto trasero. La concentración de dopado se indica a lo largo
del grosor de la oblea entre el lado trasero RS y el lado delantero
VS. La zona 1 representa el bajo dopado p inicial de la oblea. La
zona 5 señala el dopado p^{+} introducido con una profundidad de
aproximadamente 5 \mum en el lado trasero RS de la oblea. El
dopado n^{+} 7 generada mediante difusión de fósforo con baja
profundidad de penetración de aproximadamente 0,2 \mum forma el
emisor en el lado delantero y genera en el lado trasero mediante
sobrecompensación del dopado p^{+} también una zona con dopado
n^{+}.
En la figura 6 se muestra el perfil de dopado
después de haber cocido el contacto trasero, encontrándose el
contacto trasero en la zona del corte del plano de sección
transversal representado. Con el aluminio se sobrecompensa en la
zona de conexión el dopado n^{+} en el lado trasero, por lo que se
consigue una zona 8 con dopado p^{+} continuo debajo del contacto
trasero. De esta manera se garantiza un buen contacto óhmico entre
el contacto trasero impreso y cocido y la célula solar.
En la figura 7 se muestra en vista esquemática
en corte transversal una célula solar terminada mediante etapas de
proceso de por sí conocidas. Esta presenta por lo menos un contacto
9 en el lado delantero, así como opcionalmente una capa
antirreflectante 10 en el lado delantero que puede estar formada por
ejemplo de un óxido o de nitruro de silicio, así como una capa 11
de pasivado del lado trasero, por ejemplo un óxido de pasivado.
Estas dos capas pueden generarse opcionalmente antes de la
aplicación del contacto delantero y/o del contacto trasero. Debido
al alto dopado superficial, un óxido crece especialmente rápido, por
lo que para el pasivado son suficientes temperaturas medianas y
tiempos de proceso cortos.
Claims (11)
1. Procedimiento para la fabricación de
una célula solar de silicio con un campo de superficie trasera, que
comprende las siguientes etapas:
- a)
- aplicación de una capa (2) de fuente de difusión que contiene boro como agente impurificador en el lado trasero (RS) de una oblea (1) de silicio con dopado p,
- b)
- tratamiento de la oblea (1) en una atmósfera que contiene oxígeno a una temperatura de 900ºC a 1.200ºC para generar una capa (4) de óxido en los bordes y en el lado delantero y para introducir el agente impurificador,
- c)
- eliminación de la capa (2) de fuente de difusión y de la capa (4) de óxido,
- d)
- difusión de fósforo en todos los lados para generar la capa (7) de emisor con dopado n^{+},
- e)
- separación de la capa (7) con dopado n^{+} en el borde de la oblea,
- f)
- aplicación de un contacto trasero (3) que contiene aluminio,
- g)
- cocción del contacto trasero (3),
- h)
- realización de un contacto (9) en el lado delantero.
2. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1 según el cual en la etapa a) se aplica como capa
(2) de fuente de difusión una capa de barniz de dopado con boro.
3. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2 según el cual en la etapa b) la oblea (1) se
expone a una temperatura de 1.000ºC a 1.100ºC.
4. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3 según el cual en la etapa c) la capa (2) de
fuente de difusión y la capa (4) de óxido se eliminan mediante
decapado con una solución de HF.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 4 según el cual en la etapa e) se apilan
varias obleas (1) una cerca de otra o una sobre otra y en el que la
separación de la capa (7) con dopado n^{+} se lleva a cabo
mediante decapado de los bordes exteriores de las obleas.
6. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 5 según el cual el contacto trasero (3) se
aplica mediante impresión de una pasta de plata para serigrafía con
contenido de aluminio.
7. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6 según el cual en la etapa f) se aplica un
contacto trasero (3) que contiene de un 1 a un 3 por ciento en peso
de aluminio.
8. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 7 según el cual en la etapa b) el boro se
introduce hasta una profundidad de 1 \mum a 5 \mum.
9. Célula solar de silicio con
- -
- un cuerpo (1) de célula solar con dopado p^{-},
- -
- una zona de capa (5) con dopado p^{+} con boro y una profundidad de 1 \mum a 5 \mum en el lado trasero (RS),
- -
- una zona de capa (7) con dopado n^{+} por lo menos en el lado delantero,
- -
- un contacto (9) en el lado delantero,
- -
- un contacto trasero (3) cocido de plata que contiene aluminio y
- -
- una zona de conexión (8) con dopado de aluminio en la zona del contacto trasero (3).
10. Célula solar de silicio de acuerdo con la
reivindicación 9 en la que el contacto trasero (3) no está aplicado
en toda la superficie y en la que entre las zonas recubiertas por el
contacto trasero el dopado (5) de boro está sobrecompensado
mediante una dopado n^{+} (7) menos profundo.
11. Célula solar de silicio de acuerdo con la
reivindicación 9 ó 10 que comprende una capa antirreflectante (10)
en el lado delantero (VS) y una capa de óxido (11) como capa de
pasivado en el lado trasero (RS).
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