MXPA99008281A - Componente semiconductor, en particular una celda solar, que tiene al menos un material de base, semiconductor y metodo para producir dicho componente - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere un sistema (10) y un método para utilizar por lo menos una computadora (12, 14) para construir un plan técnico para un proceso específico. La invención incluye proporcionar un modelo lógico basado en reglas para el proceso específico e introducir datos relacionados con el proceso específico. Los datos son comparados con el modelo lógico para identificar excepciones en los datos a las reglas en el modelo lógico. Los datos se formatean en un plan técnico que'incluye las excepciones. Entonces se produce el plan técnico para su revisión.

Description

"COMPONENTE SEMICONDUCTOR, EN PARTICULAR UNA CELDA SOLAR, QUE TIENE AL MENOS UN MATERIAL DE BASE, SEMICONDUCTOR Y MÉTODO PARA PRODUCIR DICHO COMPONENTE" La invención se refiere a un componente semiconductor, en particular una celda solar, con al menos un material de base semiconductorque consiste en una estructura mono o policristalina, la cual consiste al menos en parte de -L pirita con la composición química FeS2 y que se limpia con el propósito de lograr un grado de pureza definido. Se reconocen ya una cantidad de componentes semiconductores o fotocomponentes semiconductores genéricos, los cuales, dado un nivel de eficiencia de aproximadamente 15%, se utilizan comercialmente sobre la base del foto efecto interno de energía de radiación del sol o de la luz. Los cristales delgados de silicio o arseniuro de galio hierro con zonas de conductividad p y n se usan predominantemente como materiales semiconductores. También se reconocen las celdas solares de múltiples capas delgadas, 20 ejo cuyo caso las capas del semiconductor se posicionan sobre una base por ímedjLo de una metalización o similar para producir espesores en el rango de micrómetros ( 1 a 5 µm). Materiales tales como el sulfuro de cadmio, el telururo de cadmio, sulfuro de cobre o similares se utilizan para las capas del semiconductor. Estos componentes semiconductores solamente pueden alcanzar una eficiencia de 5% - 8%. Sin embargo, poseen una relación de poder-peso útil y son esencialmente mas costo-efectivos para producir que los cristales de silicio-hierro. De acuerdo con la Especificación de Patente EP-A O 173 642, una celda solar genérica es una capa de pirita fotoactiva con la fórmula química FeS2- - , la cual posee una concentración de impurezas indeseables de < 1020 porcm3 e impurezas de manganeso (Mn) o arsénico (As) y/o cobalto (Co) o Cloro (Cl). En la práctica, parecería que una celda solar con esta composición no podría lograr el nivel de eficiencia requerido. En contraste, el objeto de esta invención es crear un componente semiconductor, en particular una celda solar, sobre la base del tipo mencionado anteriormente, la cual se puede utilizar para alcanzar una eficiencia más elevada que la radiación solar o de luz conocidas. Mas aún, los costos de producción con respecto de este componente semiconductor serán lo suficientemente bajos para que este tipo de celda solar resulte adecuada para una producción masiva. Un objeto adicional de esta invención es utilizar material semiconductor que se pueda_eli inar fácilmente en una manera que no afecte al medio ambiente. La invención puede alcanzar el objeto por cuanto el material de base semiconductor, el cual consiste en al menos parte de pirita con la composición química FeS2, se combina o mezcla con al menos boro y fósforo respectivamente. Con un tipo muy ventajoso, el material de base semiconductor se produce de al menos una capa de pirita junto con los elementos boro y fósforo. Utilizado de esta manera, se logra una composición óptima y sumamente eficiente, en especial para celdas solares. De acuerdscsn la invención, éstos componentes semiconductores se pueden utilizar para producir celdas solares que poseen una eficiencia mayor que cualquier otra celda solar conocida. La pirita utilizada como material semiconductor posee la ventaja de ser un material natural, el cual se puede producir también sintéticamente. Los costos de producción se pueden mantener en un nivel tal que, dado el incremento en el nivel de eficiencia, se pueda obtener una utilización rentable. Ejemplos tipo de la invención y ventajas adicionales de la misma se explican a continuación con la ayuda del diagrama. Este muestra: Fig. 1 una sección transversal esquemática a través de un componente semiconductor de acuerdo con la invención, mostrado en una escala ampliada.

Fig. 2 una vista esquemática de la división de energía de la condición-d Fe en los campos de ligación octaédricos y octaédricos deformados de la pirita. Fig. 3 un corte transversal esquemático a través de un componente semiconductor de acuerdo con la invención con un heterovínculo, que se muestra en escala ampliada, y Fig. 4 una vista esquemática de las bandas de energía con un heterovínculo de un componente semiconductor de acuerdo con la invención.

La Figura 1 es un esquema de un componente semiconductor 10 de acuerdo con la invención, el cual se forma en particular como una celda solar. En el ejemplo tipo que se muestra, éste componente semiconductor 10 posee una estructura de capas múltiples y puede, por ejemplo, junto con una cantidad de celdas adyacentes, ser insertado en una carcaza metálica en forma de un panel, el cual no se muestra en detalle. La celda solar presenta preferentemente como tapa una placa de un material transparente, por ejemplo una capa de vidrio 1 1 o similar, la cual provee a la celda con una protección general contra los efectos de fuerzas mecánicas, tales como impactos, etc., contra la humedad y/o condiciones climáticas adversas. Una capa laminar 12, por ejemplo de resina, junto con un aislador 14 dispuesto en la parte inferior, por ejemplo una placa de cerámica, rodean la celda solar, de manera tal que la parte interior de la celda solar se encuentra cerrada y por lo tanto impermeable a la humedad, el agua o similar. De acuerdo con la invención, el material de base semiconductor 20 consiste de pirita o pirita de hierro, la cual posee la composición química FeS2. El material de base semiconductor 20 se combina o mezcla con al menos boro o fósforo, según el cual, en eí ejemplo que se muestra, el material de base semiconductor consiste de una capa 20 de FeS2 El componente semiconductor 10 formado como una celda de estado sólido consiste en una capa de material de base semiconductor 20 producido de pirita, una capa de fósforo 21 y una capa de boro 22. Esta capa de fósforo 21 y ésta capa de boro 22 se aplican a la superficie correspondiente de la capa de pirita 20, de tal manera tal que se produce un vínculo en el sentido de una impureza entre el material de base semiconductor y el fósforo (P) respecto del boro (B). Preferentemente, éstas capas de fósforo 21 y de boro 22 se aplican en capas muy delgadas de varios micrómetros a través de un proceso que se describe a continuación.

De ésta manera, se deriva la función requerida de este componente semiconductor 10 formado como una celda solar a partir de la cual, junto con la radiación solar, se produce una corriente eléctrica, la cual se capta convenientemente mediante los materiales conductores 13 y 15, los cuales se disponen por encima y por debajo de las capas del semiconductor mediante un método reconocido, en donde ej material conductor se protege por el aislador 14. Estos materiales conductores se conectan a una unidad de consumo o similar por medio de cables, para los cuales no se provee un diagrama. La Figura l muestra una celda solar con una estructura simple de acuerdo con la invención. Claramente, tanto los materiales conductores como la capa semiconductora se pueden proveer en varias configuraciones y en diversas cantidades. Este tipo de componente semiconductor se puede utilizar como diversos tipos de celdas solares, tanto para celdas muy pequeñas, como por ejemplo calculadoras, o para celdas solares para calentar viviendas y plantas de gran tamaño, en cuyo caso se utilizan en particular para convertir energía solar en energía eléctrica. La pirita y la pirita de hierro en forma de roca natural son los sulfuros mas difundidos en la Tierra, y existen por ejemplo en España como un área hidrotermal de menas. Los cristales individuales de pirita son de color bronce o mortero, con un alto grado de dureza, aproximadamente 6 a 6.5 en la escala de dureza de Mohs. La pirita presenta un coeficiente de expansión térmica a 90 a 300 K. de 4.5x 10"6 K "' y a 300 a 500 K de 8.4x 10"6 '1. La pirita con una composición química de FeS2 posee una celda elemental de 12 átomos y una longitud de celda unitaria de aproximadamente 5.4185 unidades Armstrong.

La forma básica típica del cristal de la pirita es un hexaedro, una forma cúbica, un dodecágono pentagonal o_un octaedro. Una ventaja adicional de este componente semiconductor es que la pirita resulta sumamente compatible con el medio ambiente. En términos de la eficiencia de ésta celda solar 10 tal como se describe en la invención, De acuerdo a las reglas generales de la mecánica cuántica, solamente resultan efectivos aquellos fotones cuya energía es por lo menos equivalente al ancho de la zona prohibida y no mayor que el equivalente al diferencial de energía entre el extremo inferior de la banda de valencia y el extremo superior de la banda de conducción. La cantidad de portadores de carga resultantes depende no solo de la energía y la cantidad de fotones radiados por unidad de superficie, sino también del coeficiente de absorción á del semiconductor. Comparado con materiales semiconductores tradicionales, la pirita presenta un coeficiente de absorción muy elevado, el cual, en el extremo de la banda con un coeficiente de absorción de á > 105 cm" ', presenta un valor de d < 1 µm. Creando el semiconductor 19 de acuerdo con la invención, se hace un uso óptimo de éstas propiedades de la pirita. - De acuerdo con la Figura 2, la división de energía del Fe condiciones-d se puede ver en el campo de ligación octaédrico Oh y octaédrico deformado Dld de la pirita. Se crea un intervalo en la banda en el material semiconductor mediante la división del Fe condiciones-d en condiciones de ocupado t2g y desocupado e , en la cual dicho intervalo en la banda puede llegar a ser de 0.7 eV o más. La banda de valencia presenta un ancho de 0.8 eV o más, y el grupo básico se encuentra separado por un intervalo de también 0.8 eV. Las condiciones por encima de la banda de conducción se basan en condiciones de Fe 4s y 4p. En el área de la teoría molecular orbital, los intervalos de energía en el caso de la pirita se producen mediante la división de las condiciones 3d del hierro en condiciones energéticamente inferiores de ocupado t2g y desocupado eg. La división es causada por el campo de ligación octaédrico del azufre, el cual se deforma con facilidad y lleva a una posterior, y en éste caso significativa, división en el nivel de energía. La Figura 3, por otra parte, muestra en forma esquemática una sección de un componente semiconductor 50 de acuerdo con la invención, el cual se encuentra formado por al menos una capa superior de pirita 51 , 1a cual forma el material de base semiconductor 40, y que consiste en una capa de boro 52 y una capa de fósforo 53. La pirita 51 se dispone en la parte superior, la cual inicialmente acepta los efectos de la radiación solar o similar. Sin embargo, de acuerdo con la invención, con ésta disposición de capas, se forma un compuesto con el material básico de pirita 51 adyacente, o el fósforo 53 y el boro 52 se integran al material básico de pirita. Los elementos conductores se pueden disponer de manera tal que queden en contacto con las capas 51 , 52, 53, para las cuales no se proveen_detalles. En contraste al material de base semiconductor 40 producido por capas, tal como se muestra en la Figura 3, se pueden disponer una o más capas de boro y/o una o más capas de fósforo lateralmente en el objetivo de pirita producido, por ejemplo, como un único cristal.

El material de base semiconductor 20 y/o 40 para éstas celdas solares 10, 50, de acuerdo con la invención, se puede producir por varios métodos. La pirita en la composición de FeS2 se puede obtener tanto como un material natural o se puede producir sintéticamente a partir de hierro y azufre. Al utilizar cristales naturales de pirita como material de base semiconductor, ésta pirita, que posee una concentración neta de transporte de carga de aproximadamente Í O'^ cm " se debe tratar mediante un proceso de limpieza multizona reconocido, de manera tal que se logre una pureza definida del 99.9%. Asimismo, los materiales compuestos o impuros, fósforo y boro respectivamente, también deben alcanzar una pureza del 99.9%, para poder producir de esta manera celdas de acuerdo con la invención de la más alta calidad. Se pueden utilizar varios métodos para la producción artificial o síntesis del material de base semiconductor pirita, según el cual el material base también se trata mediante un proceso de limpieza multizona, a fin de que se alcance el máximo grado de pureza del compuesto químico. El método de producción resalta apropiado para el transporte en fase gaseosa (CVT), para lo cual el gradiente de temperatura para la producción del compuesto hierro-azufre debe estar entre los 250° y los 1200°C. Si la pirita se utiliza como un material base natural, la temperatura en el lado mas frío puede variar entre los 250° y los 850°C. Como medio de transporte para alimentar el azufre al hierro, se puede utilizar bromuro (Br2FeBr3) u otro material. La síntesis del cristal puede ocurrir, por ejemplo, en una solución de poli-sulfato de sodio. La pirita se puede sintetizar a partir de los elementos básicos limpios, hferro y azufre, ambos a los gradientes de temperatura entre los 250° y los 1200°C, y también a un gradiente de 200° a 1400°C. El método CVT ofrece una reproductibilidad mejorada durante la producción y de ésta manera se pueden obtener cristales absolutamente puros. Para obtener piezas de pirita grandes, de un único cristal, se utiliza el método de producción que usa una solución fundida con telurio, BrCl2, Na, S2 o materiales similares. Existe otra variante de producción para pirita en el RF pulverizado. Esto ocurre en una unidad de pulverizado, en la cual un objetivo pirita se pulveriza con un plasma de argón-azufre. El flujo de argón se encuentra generalmente entre 0.1 y 300 ml/min, y el azufre se obtiene mediante la vaporización del azufre elemental. Durante la separación, se mantiene la presión de trabajo de 0.01 mbar o mayor, o incluso menor. El Self-Bias DC Potential utilizado se coloca en 0 a 400 voltios. La temperatura de la sustancia seTselecciona en el rango de los 801a 950°C. Con este proceso, en principio se puede producir una estructura poli-cristalina. Para producir los componentes semiconductores de acuerdo con la invención como una delgada capa, se puede utilizar un sistema material incongruente. El pulverizado reactivo producido de un objetivo de pirita, los métodos MOCVD y la pirólisis de rociado resultan apropiados. Por otra parte, el método de evaporación térmico asistido por un sistema de transporte que lleva pequeñas cantidades de un compuesto en polvo a la fuente de evaporación caliente, garantiza que el material, dependiendo de la elevada temperatura, se vaporice casi por completo. Este tipo de vaporización ofrece el beneficio que se puede ejercer influencia tanto sobre la estequiometría como también sobre una impureza potencial, dado que por ejemplo, la impureza se puede agregar directamente al compuesto en polvo. Si se sulfurizan limaduras de hierro, tanto en forma puramente térmica como con la ayuda de plasma, resulta posible comenzar con materiales base puros. El espesor de la capa activa presenta una gran influencia en la eficiencia de la celda solar. Para estimar la eficiencia y los parámetros requeridos de la celda, se pueden especificar áreas de frontera apropiadas.

Para mezclar o combinar el material base semiconductor con fósforo y boro respectivamente, se prefiere utilizar éste último en un porcentaje masivo de 10"6 a 20% del material de base. Esto depende de las características requeridas del producto semiconductor terminado. El componente semiconductor de acuerdo con la invención se puede producir también como la llamada celda tándem. En este caso, una capa impura de pirita y una capa adicional p y n de otro cristal semiconductor, tal como silicio, arseniuro de galio o de otro material disponible, pueden crear un efecto combinado. Con éste tipo de componente semiconductor, se puede alcanzar el máximo uso del espectro, siempre que estos varios materiales semiconductores base puedan cubrir el intervalo de energía de entre 1.0 y 1.8 eV. De acuerdo con la Figura 4, y dentro del marco de ésta invención, se pueden utilizar heterovínculos entre varios componentes semiconductores, tal como se explicó en detalle en el párrafo anterior respecto a la variante de tipo que se muestra en la Figura 3. Sin embargo, La condición es que las constantes de reti-eulado y los coeficientes de expansión térmica de ambos materiales no varíen en gran medida. Como ejemplo, de acuerdo con la invención, un semiconductor-p 3 1 de pirita se puede combinar con un semiconductor n-conductor 32 de un material diferente. Este heterovínculo causa discontinuidades en la banda, lo cual se utiliza de una manera innovativa para influenciar el transportador de cargas. Con los dos materiales semiconductores 3 1 y 32 separados, los intervalos de banda Eg, la función de trabajo Ó^ y la afinidad a los electrones é resultan diferentes. Se reconocen métodos de crecimiento epitaxiales, desarrollados especialmente para la producción de heterovínculos, los cuales se utilizan también con relación al material de base semiconductor usado en ésta invención. Tanto el flujo epitaxial molecular (MBE) y la epitaxia gaseosa (MOCVD) existen en forma de deposiciones gaseosas de compuestos metal-orgánicos. En el caso de la delgada celda solar con un heterovínculo, el fósforo y el boro se integran o mezclan preferentemente mediante una implantación de iones, dentro de la superficie del material de base semiconductor pirita, lo cual ocurre con la ayuda de aceleradores de partículas. De esta manera, luego de la ionización, los átomos mezclados incrementan su nivel de energía a niveles muy altos y se inyectan en la base del material, donde, luego de una profundidad de penetración característica, se arrestan y quedan. Con este proceso de implementación, el reticulado del cristal semiconductor sufre daños considerables y se debe regenerar mediante un tratamiento térmico. De esta manera, las impurezas implantadas se difunden y se integran simultáneamente al reticulado. Por consiguiente, perfiles de compuestos se forman partiendo de implementaciones de iones y difusión de impurezas. El proceso del flujo epitaxial molecular (MBE) es un método especial de deposición de vapores. El material se vaporiza en tubos cilindricos calientes con una pequeña apertura en el frente. El tamaño de esta apertura y la presión de vapor creada en la caldera por el calor determinan el material de transporte para el objetivo. Un vacío ultra alto, controlado por un analizador de masa y una placa de protección enfriada crean depósitos de cristales muy limpios. La estructura de estos depósitos de cristales se puede controlar cuasi on-line mediante la llamada lectura RHEED (Difracción Reflejada de * Electrones con Alta Energía) y el espesor de las capas se crea precisamente mediante una regulación de la temperatura y un rápido sellado a una capa de átomos. En el caso de una estructura multi-capa, el componente semiconductor puede presentar hasta cien capas. Sería entonces factible que el componente semiconductor que se muestra en la Figura 3 se cree a partir de mas de tres capas diferentes, de esta manera, se podrían utilizar varias capas de pirita y si es apropiado, se podrían utilizar varias capas de boro y/o de fósforo. El componente semiconductor usado como pirita - tal como se explicó anteriormente — se puede crear — dentro del alcance de la invención — no solamente como una celda solar de estado sólido de una capa o multi-capa, pero también como una delgada celda solar, tal como una celda solar MIS, una celda foto-química o similar.

El componente semiconductor de acuerdo con la invención se utiliza con su mejor ventaja como una celda solar, dado que como tal, logra un grado de eficiencia extraordinariamente alto. Claramente, éste componente semiconductor se puede utilizar para otros fines, tales como diodo, transistor, tristor, o similares. En teoría un componente semiconductor de acuerdo con la invención, podría también funcionar, si una capa de pirita y un compuesto de la misma se producen sobre la base de boro (B) o fósforo (P).

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES 1 .- Un componente semiconductor, en particular una celda solar, que tiene al menos un material de base semiconductor que consiste en una estructura mono o policristalina, la cual consiste al menos en parte de pirita con la composición química FeS2 y que se limpia con el propósito de lograr un grado de pureza definido, caracterizada porque el material de base semiconductor que comprende al menos en parte de pirita con la composición química FeS2, se combina o mezcla con boro y/o fósforo. 2.- Un componente semiconductor de acuerdo con la Reivindicación l , caracterizado porque el material de base semiconductor FeS2 se combina o mezcla con boro y con fósforo. 3.- Un componente semiconductor de acuerdo con la Reivindicación 1 , caracterizado porque material de base semiconductor consiste de al menos una capa de pirita, al menos una capa de boro, y al menos un a capa de fósforo. 4.- Un componente semiconductor de acuerdo con la Reivindicación 1 , caracterizado porque con un material de base semiconductor en multicapa, presenta al menos una capa p ó n de pirita y al menos una capa n ó p de un semiconductor diferente. 5.- Un componente semiconductor de acuerdo con alguna de las Reivindicaciones anteriores caracterizado porque la concentración de cada uno de los elementos integrados al material base tiene un porcentual de masa de entre 10"8 y 20. __ ' 6.- Un componente semiconductor de acuerdo con alguna de las Reivindicaciones anteriores caracterizado porque el componente semiconductor está formado como una celda de una capa o multi-capa, como una delgada celda solar, una celda solar MIS, una celda foto-química o similar. 7.- Un componente semiconductor de acuerdo con alguna de las Reivindicaciones anteriores caracterizado porque la pirita tiene un coeficiente de expansión térmico a 90 a 300 K de 4.5x 10"6 K"1 y a 300 a 500 K de 8.4x10"ft _ ' . 8.- Un componente semiconductor de acuerdo con alguna de las Reivindicaciones anteriores caracterizado porque la pirita con una composición química de FeS2 posee una celda elemental de 12 átomos y una longitud de celda unitaria de aproximadamente 5.4185 Armstrongs, en ia cual la forma básica del cristal de pirita es hexahedrica cúbica, dodecagonal, pentagonal o octahedrica. 9.- Un componente semiconductor de acuerdo con alguna de las Reivindicaciones antedichas caracterizado porque el material de base semiconductor es de pirita, tratada mediante un proceso de purificación multizona y preferentemente posee una pureza de 99.9999%. 10.- Un componente semiconductor de acuerdo con alguna de las Reivindicaciones anteriores caracterizado porque en el caso de una estructura multi-capa, el componente semiconductor tiene hasta cien capas. 1 1.- Un método para producir un componente semiconductor, en particular una celda solar de acuerdo con una de las Reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material de base semiconductor que se utiliza es tanto una pirita de ocurrencia natural, como una pirita sintetizada de hierro y azufre, con la composición química dei FeS2, el cual se combina o mezcla con boro y/o con fósforo respectivamente. 12.- Un método de acuerdo con la Reivindicación 1 1 , caracterizado porque la pirita y/o el material base de hierro y azufre, cuando la pirita se produce sintéticamente, se tratan mediante un proceso de purificación multizona con el objeto de lograr un alto grado de pureza del 99.9999%». 13.- Un método de acuerdo con la Reivindicación 1 1 , caracterizado porque la pirita se produce mediante un proceso hidrotérmico y un proceso químico húmedo (CVT). 14.- Un método de acuerdo con la Reivindicación 1 1, caracterizado porque la pirita se produce mediante ?n proceso el cual funde teluro, NaS2 o FeCl2. 1 5.- Un método de acuerdo con la Reivindicación 1 1 , caracterizado porque la pirita se produce y/o se mezcla mediante el método de transporte en fase gaseosa. 16.- Un método de acuerdo con la Reivindicación 15, caracterizado porque el Br2 se utiliza como medio de transporte en el transporte en fase gaseosa. 17.- Un método de acuerdo con la Reivindicación 1 1 , caracterizado porque la pirita se produce mediante la sulfuración de plasma, una sulfuración térmica, un proceso MOCVD, pulverizado reactivo, pirólisis por aspersión, o por un proceso diferente. 1 8.- Un método de acuerdo con la Reivindicación 1 1 , caracterizado porque el boro y el fósforo se combinan o mezclan respectivamente con la pirita mediante un método de crecimiento epitaxial. 19.- Un método de acuerdo con la Reivindicación 1 1 , caracterizado porque el boro y/o el fósforo se combinan o mezclan respectivamente con el material de base de pirita mediante un método de implantación de iones. 20.- Un método de acuerdo con la Reivindicación 1 1 , caracterizado porque el boro y/o el fósforo poseen un grado de pureza de 99.999%) antes de ser combinados con la pirita.