MX2007001909A

MX2007001909A - Deposito de vapor quimico a la presion atmosferica.

Info

Publication number: MX2007001909A
Application number: MX2007001909A
Authority: MX
Inventors: Norman W Johnston; Kenneth R Kormanyos; Nicholas A Reiter
Original assignee: Solar Fields Llc
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2008-10-24
Also published as: WO2006023262A3; CN101432458A; WO2006023262A2; CN101432457B; TNSN07064A1; US7635647B2; CA2577307A1; EP1799878A4; JP2008514808A; EP1799878A2; CN101432457A; WO2006023263A3; JP5026971B2; US20080153268A1; MX2007001914A; US20080311729A1; RU2421418C2; WO2006023263A2; RU2007105817A; US7674713B2

Abstract

Un proceso para recubrir un substrato a la presión atmosférica comprende las etapas de vaporizar una masa controlada de un material semiconductor, sustancialmente a la presión atmosférica, dentro de una corriente de gas inerte calentado, para crear una mezcla de fluido que tiene una temperatura mayor que la temperatura de condensación del material semiconductor, dirigir la mezcla fluida, sustancialmente la presión atmosférica, sobre un substrato, que tiene una temperatura debajo de la temperatura de condensación del material semiconductor y depositar una capa de este material semiconductor sobre la superficie del substrato.

Description

DEPÓSITO DE VAPOR QUÍMICO A LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUD RELACIONADA Esta solicitud reclama el beneficio de la solicitud de patente provisional, No. de Serie 60/602,405, presentada el 18 de agosto del 2004.

CAMPO DE LA INVENCIÓN la presente invención se refiere, generalmente, al depósito, -de un material químico vaporizado sobre un substrato y, más particularmente, a un proceso para depositar material químico vaporizado sobre un substrato, a la presión atmosférica .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los procesos de depósitos de vapor químico, tal como los procesos piroliticos y los procesos hidrolíticos, son bien conocidos en la técnica de substratos de recubrimiento. Las características físicas de los reactivos de recubrimientos utilizados en tales procesos, pueden ser líquidos, vapor, líquidos o sólidos dispersos en las mezclas gaseosas, aerosoles o reactivos de recubrimiento vaporizados o vaporosos, dispersos en las mezclas gaseosas. aerosoles o reactivos de recubrimiento vaporizados o vaporosos, dispersos en las mezclas gaseosas. En los procesos de depósito de un compuesto químico vaporizado sobre un substrato de vidrio, en la producción de dispositivos fotovoltáicos , el compuesto químico vaporizado se deposita típicamente en una atmósfera al vacío. Los sistemas para llevar a cabo tales procesos han incluido típicamente un alojamiento que tiene una cámara de depósito encerrada, formada de una porción inferior y una porción superior con una junta horizontal con entre sí. Un conjunto de sello se interpone en la junta, entre los alojamientos inferior y superior. Un medio de transporte es provisto para transportar substratos de hojas de vidrio a través de la cámara. Un distribuidor de vapor químico se ubica entre de la cámara de depósito, para proporcionar un recubrimiento sobre el substrato de vidrio, conforme el substrato pasa a través de la cámara. El sistema incluye una fuente de vacío, para impulsar un vacío dentro de la cámara de depósito. Esta cámara de depósito, típicamente, incluye calentadores alargados, para calentar las hojas de vidrio, conforme ellas se transportan a través del sistema. Las hojas de vidrio pasan dentro de la cámara de depósito desde el horno de vacío-calentamiento la cámara de depósito al vacío, que se mantiene en un vacío similar y establecimiento de la temperatura por el horno de calentamiento. El sulfuro de cadmio en polvo y el telururo de cadmio en polvo se alimentan dentro de la cámara de depósito de vaporización. Las películas son luego depositadas sobre los substratos de vidrio, previamente recubiertos y calentados en secuencia. Los substratos recubiertos son en seguida transferidos a través de una antecámara de carga y así dentro de una cámara de enfriamiento, donde se realiza el enfriamiento por nitrógeno comprimido y finalmente transportado a la presión atmosférica a través de la salida de la antecámara de carga a una sección de enfriamiento con aire, para la reducción a la temperatura ambiente. El material de película delgada de telururo de cadmio requiere una etapa de proceso, de seguimiento para recristalizar su estructura policristalina, de manera que los dispositivos fotovoltáicos efectivos puedan ser hechos del material de película. Típicamente, esta etapa se logra aplicando una solución de cloruro de cadmio a la superficie de telururo de cadmio del vidrio recubierto enfriado y el recalentamiento del vidrio a una temperatura de alrededor de 390 °C a 420 °C por un período de aproximadamente 15 a 20 minutos. Se debe tener cuidado de calentar y enfriar lentamente el vidrio para evitar la ruptura durante el tratamiento, que prolonga el tiempo de proceso general de la etapa requerida.

Puesto que es bien reconocido que las fuentes de energía renovables han llegado a ser crecientemente más importantes, se considera que la producción comercial de dispositivos fotovoltáicos para la generación de energía eléctrica es importante en satisfacer las necesidades de energía renovable. La utilización de recubrimientos de películas delgadas de materiales semiconductores sobre substratos de vidrio se considera como un mecanismo viable en el campo de los sistemas de generación de energía eléctrica de base fotovoltáica . Se ha encontrado que los sistemas de recubrimientos de películas delgadas, basados en la tecnología antes referida, son capaces de depositar la película delgada de material fotovoltáico de sulfuro de cadmio / telururo de cadmio sobre los substratos de vidrio de sosa-cal, disponibles comercialmente, en un vacío. Los materiales fotovoltáicos son tratados subsiguientemente para recristalizar la superficie de telururo de cadmio, haciendo la pila de películas lista para el proceso ulterior en dispositivos fotovoltáicos . Mientras el sistema descrito anteriormente, es capaz de producir paneles fotovoltáicos adecuados para la producción de energía eléctrica, sería conveniente reducir el costo de tal producción para, de esta forma, hacer al sistema viable comercialmente .

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Es un objeto de la presente invención producir un panel fotovoltáico por el depósito de películas delgadas de materiales semiconductores desde vapores químicos sobre un substrato a la presión atmosférica. Otro objeto de la presente invención es producir un panel fotovoltáico por vaporizar el sulfuro de cadmio y el telururo de cadmio y depositar los mismos sobre la superficie de un substrato calentado, para formar una primera película delgada de sulfuro de cadmio y una segunda película delgada de telururo de cadmio a la presión atmosférica. Otro aspecto de la presente invención es producir un panel fotovoltáico por la recristalización rápida a alta temperatura del material policristalino del telururo de cadmio de la película delgada, para proporcionar dispositivos fotovoltáicos de alta eficiencia. Se ha encontrado, sorprendentemente, que los objetos anteriores se pueden lograr por un proceso para recubrir un substrato a la presión atmosférica, que comprende las etapas de: (1) proporcionar fuentes de materiales semiconductores, tal como el sulfuro de cadmio o el telururo de cadmio; (2) calentar y vaporizar los materiales semiconductores a sustancialmente la presión atmosférica, y mantener los materiales vaporizados a temperaturas arriba de sus temperaturas de condensación; y (3) depositar en secuencia los materiales vaporizados sobre la superficie calentad de un substrato, tal como el vidrio, a sustancialmente la presión atmosférica, para formar una estructura laminar. Opcionalmente, mientras la estructura laminar está aún a la temperatura del depósito y sustancialmente la presión atmosférica, se puede tratar una capa de telururo de cadmio con gas reactivo, para efectuar una recristalización del telururo de cadmio. El proceso subsiguiente de la pila de películas laminares puede ser logrado para producir dispositivos fotovoltáicos activos de películas delgadas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Lo anterior, al igual que otros objetos y ventajas de la invención, llegarán a ser fácilmente evidentes a los expertos en la técnica, de la lectura de la siguiente descripción detallada de una modalidad preferida de la invención, a la luz de los dibujos acompañantes, en los cuales : El dibujo muestra, en forma esquemática, las etapas inventivas de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA Haciendo referencia al dibujo, se ilustran esquemáticamente las etapas del proceso para recubrir una superficie de un substrato con una película de telururo de cadmio a la presión atmosférica. Masas, medidas individualmente, del material semiconductor, preferiblemente el sulfuro de cadmio (CdS) o el telururo de cadmio (CdTe) , en forma de polvo, se introducen en una zona, la cual es purgada continuamente por una corriente de gas inerte, generalmente el nitrógeno, que fluye entre una entrada y una salida, a aproximadamente la presión atmosférica. El polvo se lleva desde la entrada por el gas inerte, que fluye a un régimen controlado, dentro de un vaporizador, que consiste de un lecho empacado calentado, en el cual el polvo se vaporiza, conforme pasa a través de los huecos intersticiales del medio del lecho empacado. La salida del lecho empacado calentado se comunica con el interior de una zona calentada, para distribuir el material vaporizado al substrato. Métodos de vaporización en polvo alternativos a través de los cuales la masa en polvo osificada y el gas inerte portador se calientan, pueden ser empleados para generar la corriente de fluido del material vaporizado. Métodos alternativos pueden incluir, pero no limitados necesariamente a, lechos fluidizados calentados en los cuales el gas inerte portador se calienta y el polvo se vaporiza, los vaporizadores térmicos "instantáneos" que calientan el gas inerte portador y vaporizan el polvo, y las unidades de rociado térmico a la presión atmosférica que calientan el gas inerte portador y vaporizan el polvo. El fluido, que incluye preferiblemente el sulfuro de cadmio o el telururo de cadmio en polvo y el gas inerte portador, es una mezcla que fluye a temperatura alta, que comprende el gas inerte portador y el material vaporizado a una temperatura arriba de su temperatura de condensación. La temperatura de la mezcla de fluido está tibiamente en un rango de aproximadamente 800°C a aproximadamente 1,100°C. La ,mezcla de fluidos calentada es luego dirigida dentro de un aparato para producir un flujo laminar de velocidad constante hacia la superficie de un substrato, sustancialmente a la presión atmosférica. El substrato es típicamente vidrio de sosa-cal, que tiene preferiblemente un recubrimiento de baja E, que es transparente y conductivo eléctricamente. Un ejemplo de tal vidrio es producido por Pilkington Glass Co. y se designa como TEC-15. La superficie del substrato se mantiene a una temperatura de aproximadamente 585°C a aproximadamente 650 °C. El aparato para producir el flujo laminar deseado de la mezcla de fluido, comprende una serie de pasajes individuales, adaptados para causar una serie de cambios de velocidad en el fluido transitorio, conforme el fluido fluye a través de los pasajes. El aparato es mantenido arriba de la temperatura de vaporización del sulfuro de cadmio o el telururo de cadmio, para prevenir la condensación del material dentro de los pasajes. Tal flujo de fluido distribuye uniformemente la mezcla de fluidos a una boquilla de salida alargada y habilita el flujo laminar uniforme con una distribución del flujo de masa constante, para fluir tangencialmente del mismo y surtir a la superficie del substrato. La acción anterior causa que las moléculas de la , mezcla de fluidos sean distribuidas uniformemente en forma u través de la longitud de la boquilla de salida alargada y causa que las moléculas viajen desde la boquilla de salida en una trayectoria generalmente paralela y a una velocidad constante, produciendo un flujo laminar de velocidad y distribución de masa constantes, dirigida hacia el substrato. La velocidad de la ,mezcla de fluidos que sale de la boquilla de salida, puede ser regulada controlando el régimen del flujo de masa, al cual la ,mezcla de fluidos se introduce en la entrada. Con el fin de controlar el régimen de depósito de la película delgada del material vaporizado dentro del fluido emitido desde el aparato que se aplica al substrato, el reamen del flujo de masa de la mezcla de fluido y la velocidad del substrato se controlan mientras se controla la temperatura del substrato debajo del punto de condensación del material vaporizado. Conforme la mezcla de fluidos calentada choca sobre el substrato enfriador, se enfría a una temperatura debajo de la temperatura de condenación del material vaporizado. El material se condensa desde la ,mezcla de fluidos, en una forma policristalina, sobre el substrato móvil, como una capa continua de película delgada. ün dispositivo de extracción de fluido se dispone corriente arriba y corriente bajo de la boquilla de salida, para habilitar el retiro controlado de los constituyentes que no generan películas desde la mezcla de fluidos, dirigidos a las superficies del . substrato . Mientras existe un número de diferentes sistemas para distribuir uniformemente el sulfuro de cadmio vaporizado o el telururo de cadmio, sobre la superficie del substrato de vidrio transitorio, se considera que el aparato ilustrado y descrito en la patente de EE.UU., No. 4,509,526 de Hofer et al, puede proporcionar resultados satisfactorios. El depósito de cualquier número de capas consecutivas de sulfuro de cadmio y/o telururo de cadmio por el aparato descrito anteriormente, para preparar una estructura laminar, se considera por la presente invención.

Subsiguiente al depósito de la película delgada policristalina de telururo de cadmio, será requerida una etapa de recristalización para permitir la producción de dispositivos fotovoltáicos desde la pila de películas delgadas laminares. Se ha encontrado que esta etapa puede ser lograr en menos de un minuto, sometiendo la película de telururo de cadmio aliente a una atmósfera gaseosa caliente de cloruro de hidrógeno diluido en nitrógeno, a sustancialmente la presión atmosférica. La. habilidad de controlar la recristalización del telururo de cadmio, mientras se mantiene la temperatura del substrato, elimina el enfriamiento y recalentamiento del conjunto de la pila de película / substrato. El uso de una etapa de recristalización "seca" elimina el uso de una solución tóxica, de cloruro de cadmio, y su aparato de aplicación. Típicamente, un substrato de vidrio que sale del proceso de recristalización en línea tendrá una temperatura de aproximadamente 620 °C a aproximadamente 630°C. El rango de temperatura permite que el vidrio sea templado térmicamente por un gas de enfriamiento que fluye conforme la pila del substrato / película sale de la línea de proceso. El proceso, descrito anteriormente, se refiere a un método para producir ün material fotovoltáico de sulfuro de cadmio / telururo de cadmio de película delgada sobre la superficie de vidrio de sosa-cal, para proporcionar paneles fotovoltáicos de área grande. Sin embargo, se debe entender que el concepto de depósito de vapor atmosférico se puede extender ara incluir otros materiales de película delgada, que se depositan normalmente en un vacío. Los materiales fotovoltáicos de películas delgada, que se pueden considerar son el CIGS (diselenuro de cobre-indio-galio) , CdS/CIS - aleación (sulfuro de cadmio /cobre-indio-selenio aleación) o silicio amorfo o silicio policristalino de' película delgada, y Zn (0, S, 0H)X /CIGS (hidróxido sulfuro de óxido de zinc / diselenuro de cobre-indio-galio) . Otros materiales de película delgada que se pueden considerar para la aplicación a substratos de vidrio son los recubrimientos ópticos, tal como las pilas de múltiples capas usadas para películas de emisividad muy baja y películas contra la reflexión. (Otras características de valor agregadas, tal como las películas de durabilidad mejorada, películas de auto-limpieza, películas foto-ópticas y electro-ópticas, pueden ser desarrolladas usando el concepto de depósito a la presión atmosférica de la invención. El proceso del depósito de la presión atmosférica de materiales de películas delgadas puede ser aplicado a una variedad de materiales de substrato para mejorar sus propiedades superficiales. Substratos que se pueden considerar incluyen los materiales poliméricos, cerámicas, metales, maderas y otros.

Claims

REIVINDICACIONES Un proceso para el recubrimiento de un substrato, a la presión atmosférica, este proceso comprende las etapas de: vaporizar una masa controlada de un material semiconductor, sustancialmente a la presión atmosférica, dentro de una corriente de gas inerte calentada, para crear una mezcla de fluidos que tiene una temperatura arriba de la temperatura de condensación del material semiconductor; dirigir la , mezcla de fluidos a sustancialmente la presión atmosférica, sobre el substrato, que tiene una temperatura debajo de la temperatura de condensación del material semiconductor; y depositar una capa del material semiconductor sobre una superficie del substrato. repetir las etapas de vaporizar, dirigir y depositar, al menos una sola vez, para depositar cuando menos una capa adicional del material semiconductor sobre el substrato, la última capa del material semiconductor, asi depositada, comprende el telururo de cadmio; y tratar la capa del telururo de cadmio con un gas reactivo, para recristalizar este telururo de cadmio.
El proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en que el material semiconductor comprende el sulfuro de cadmio o el telururo de cadmio.
El proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en que el gas inerte es el nitrógeno.
El proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en que la temperatura de ¦ la ,mezcla de fluidos varia de aproximadamente 800°'C hasta aproximadamente 1,00°C.
El proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en que el substrato comprende el vidrio.
El proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en que el vidrio lleva un recubrimiento transparente, conductivo eléctricamente de baja E.
El proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en que el substrato tiene un intervalo de temperatura de aproximadamente 585 °C a aproximadamente 650 °C.
El proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en que dicho gas reactivo comprende el cloruro de hidrógeno .
Un proceso para recubrir un substrato a la presión atmosférica, este proceso comprende las etapas de: vaporizar una masa controlada de material semiconductor, que comprende el sulfuro de cadmio o el telururo de cadmio, a sustancialmente la presión atmosférica, dentro de una corriente de gas de nitrógeno calentada, para crear una ,mezcla de fluidos que tiene un intervalo de temperatura de aproximadamente 800 °C hasta aproximadamente 1,100°C; dirigir la mezcla de luidos a sustancialmente la presión atmosférica, sobre un substrato de vidrio, que lleva un recubrimiento transparente, eléctricamente conductivo de baja E, y que tiene un intervalo de temperatura de aproximadamente 585 °C hasta aproximadamente 650 °C; y depositar una capa de material semiconductor sobre una superficie del substrato. repetir las etapas de vaporizar, dirigir y depositar, al menos una vez, para depositar al menos una capa adicional del material semiconductor sobre el substrato, la última capa del material semiconductor, asi depositada, comprende el telururo de cadmio; y tratar la capa de telururo de cadmio con un gas reactivo para recristalizar este telururo de cadmio.
10. El proceso, de acuerdo con la reivindicación 9, en que el gas reactivo coraprende el cloruro de hidrógeno.