ITMI20110283U1

ITMI20110283U1 - FRAME OF GRILL FOR CELLS A SEMICONDUCTIVE COMPOUND III-V.

Info

Publication number: ITMI20110283U1
Authority: IT
Inventors: Jr Richard W Hoffman; Pravin Patel; Tansen Varghese
Original assignee: Emcore Solar Power Inc
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-03-01

Description

“Struttura di griglia per celle a composto semiconduttore III-V” "Grid structure for III-V semiconductor compound cells"

SFONDO DELL’INVENZIONE BACKGROUND OF THE INVENTION

1. Campo di applicazione 1. Field of application

[001] La presente invenzione ha generalmente per oggetto la progettazione di celle solari per impianti ad energia solare spaziali o terrestri a concentratori per la conversione della luce solare in energia elettrica e, più in particolare, un sistema comprendente una struttura di griglia sulla cella solare. [001] The present invention generally relates to the design of solar cells for space or terrestrial solar energy plants with concentrators for the conversion of sunlight into electrical energy and, more particularly, a system comprising a grid structure on the solar cell .

Descrizione della tecnica anteriore Description of the prior art

[002] Le celle solari al silicio attualmente in commercio per applicazioni terrestri di produzione di energia solare presentano efficienze comprese tra l’8% e il 15%. Le celle solari a composti semiconduttore, a base di composti III-V, hanno un'efficienza pari al 28% in condizioni operative normali. È altresì ben noto che la concentrazione dell’energia solare su una cella fotovoltaica a base di composti semiconduttori III-V permette di incrementare l’efficienza della cella fino ad oltre il 37% in condizione di concentrazione. [002] The silicon solar cells currently on the market for terrestrial applications for the production of solar energy have efficiencies between 8% and 15%. Semiconductor compound solar cells, based on III-V compounds, have an efficiency of 28% under normal operating conditions. It is also well known that the concentration of solar energy on a photovoltaic cell based on III-V semiconductor compounds allows to increase the efficiency of the cell up to over 37% in conditions of concentration.

[003] I sistemi terrestri ad energia solare fanno normalmente uso di celle solari al silicio per il loro basso costo e la loro ampia disponibilità. Sebbene le celle solari a composti semiconduttori III-V siano di uso comune nelle applicazioni satellitari, dove le loro efficienze in termini di potenza energetica su peso hanno maggiore importanza del costo per watt prodotto nella scelta di tali dispositivi, tali celle solari a semiconduttori III-V non sono state ancora progettate in vista di una copertura ottimale dello spettro solare presente sulla superficie terrestre (noto come Air Mass 1.5 o AM 1.5D). [003] Terrestrial solar energy systems normally make use of silicon solar cells due to their low cost and wide availability. Although III-V compound semiconductor solar cells are in common use in satellite applications, where their efficiencies in terms of energy power-to-weight outweigh the cost per watt produced in selecting such devices, such III- semiconductor solar cells V have not yet been designed with a view to optimal coverage of the solar spectrum present on the Earth's surface (known as Air Mass 1.5 or AM 1.5D).

[004] Nella progettazione di celle solari, sia al silicio sia a base di composti semiconduttori III-V, un contatto elettrico è tipicamente posto su un lato fotoassorbente o frontale della cella solare ed un secondo contatto è posto sul lato posteriore della cella. Un semiconduttore fotoattivo è disposto su un lato fotoassorbente del substrato e comprende una o più giunzioni p-n, generando un flusso di elettroni contestualmente all’assorbimento della luce nella cella. Sulla superficie superiore della cella si estendono linee di griglia conduttive atte a catturare questo flusso di elettroni, le quali confluiscono in un contatto frontale o un terminale cosiddetto “bonding pad”. [004] In the design of solar cells, both silicon and based on III-V semiconductor compounds, an electrical contact is typically placed on a light-absorbing or front side of the solar cell and a second contact is placed on the rear side of the cell. A photoactive semiconductor is arranged on a light-absorbing side of the substrate and includes one or more p-n junctions, generating a flow of electrons simultaneously with the absorption of light in the cell. On the upper surface of the cell, conductive grid lines extend to capture this flow of electrons, which converge in a front contact or a so-called "bonding pad" terminal.

[005] Un aspetto importante nella progettazione di una cella solare è la struttura fisica (composizione, band gap e spessore di strato) degli strati di materiale semiconduttore che costituiscono la cella solare. Le celle solari sono spesso realizzate come strutture verticali multigiunzione per sfruttare materiali dotati di diversi band gap e convertire la massima estensione possibile dello spettro solare. Un tipo di struttura multigiunzione utile nella configurazione di cui alla presente invenzione è la struttura di cella solare a tripla giunzione, costituita da una cella inferiore al germanio, una cella intermedia all’arseniuro di gallio (GaAs), ed una cella superiore al fosfuro di indio-gallio. An important aspect in the design of a solar cell is the physical structure (composition, band gap and layer thickness) of the layers of semiconductor material that make up the solar cell. Solar cells are often constructed as vertical multi-junction structures to exploit materials with different band gaps and convert the maximum possible extent of the solar spectrum. One type of multi-junction structure useful in the configuration of the present invention is the triple junction solar cell structure, consisting of a lower germanium cell, an intermediate gallium arsenide (GaAs) cell, and an upper phosphide cell. indium-gallium.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION

1. Scopi dell’invenzione. 1. Aims of the invention.

[006] Uno scopo della presente invenzione è quello di realizzare una cella solare multigiunzione a composti semiconduttori III-V perfezionata per applicazioni terrestri di generazione di energia con una struttura di griglia che consenta alla cella solare di produrre oltre 35 milliwatt di corrente continua di picco per centimetro quadrato di superficie di cella con irradiazione solare AM1.5. An object of the present invention is to provide an improved III-V semiconductor compound multi-junction solar cell for terrestrial power generation applications with a grid structure that enables the solar cell to produce over 35 milliwatts of peak DC current per square centimeter of cell surface with solar irradiation AM1.5.

[007] Uno scopo della presente invenzione è quello di realizzare una cella solare multigiunzione a composti semiconduttori III-V perfezionata per applicazioni spaziali di generazione di energia con una struttura di griglia che consenta alla cella solare di produrre oltre 35 milliwatt di corrente continua di picco per centimetro quadrato di superficie di cella con irradiazione solare AM0. An object of the present invention is to provide an improved III-V compound semiconductor compound multi-junction solar cell for space power generation applications with a grid structure that enables the solar cell to produce over 35 milliwatts of peak DC current per square centimeter of cell surface with solar radiation AM0.

[008] Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di realizzare una struttura di griglia sulla superficie anteriore di una cella solare a semiconduttori III-V per poter gestire correnti elevate per applicazioni terrestri fotovoltaiche di generazione di energia con concentratori. [008] A further purpose of the invention is to create a grid structure on the front surface of a III-V semiconductor solar cell to be able to handle high currents for photovoltaic terrestrial power generation applications with concentrators.

[009] Alcune implementazioni potranno conseguire meno della totalità dei predetti scopi. [009] Some implementations may achieve less than the totality of the aforementioned purposes.

2. Caratteristiche dell’invenzione: 2. Characteristics of the invention:

[0010] In breve, e in termini generali, la presente invenzione propone un sistema a cella solare fotovoltaica atto a produrre energia dal sole, comprendente una lente concentratrice atta a produrre una concentrazione di luce maggiore di 500X; ed una cella solare posta nel cammino del fascio di luce concentrato, la cella solare comprendendo un substrato in germanio che comprende una prima giunzione fotoattiva e costituisce una sottocella solare inferiore, una cella intermedia all'arseniuro di gallio posta su detto substrato; una cella superiore al fosfuro di indio-gallio posta su detta cella intermedia ed avente un band gap tale da massimizzare l'assorbimento nella regione spettrale AM1.5; ed una griglia superficiale posta su detta cella superiore comprendente una pluralità di linee di griglia distanziate tra loro, in cui le linee di griglia presentano uno spessore maggiore di 7 micron, e ciascuna linea di griglia presenta una sezione trasversale trapezoidale con una superficie di sezione trasversale compresa tra 45 e 55 micron quadrati. [0010] Briefly, and in general terms, the present invention proposes a photovoltaic solar cell system suitable for producing energy from the sun, comprising a concentrating lens suitable for producing a concentration of light greater than 500X; and a solar cell placed in the path of the concentrated light beam, the solar cell comprising a germanium substrate which comprises a first photoactive junction and constitutes a lower solar sub-cell, an intermediate gallium arsenide cell placed on said substrate; an upper indium-gallium phosphide cell placed on said intermediate cell and having a band gap such as to maximize absorption in the AM1.5 spectral region; and a surface grid placed on said upper cell comprising a plurality of grid lines spaced apart, in which the grid lines have a thickness greater than 7 microns, and each grid line has a trapezoidal cross-section with a cross-sectional surface between 45 and 55 square microns.

[0011] In un altro aspetto, la presente descrizione propone una cella solare fotovoltaica atta a produrre energia dal sole, comprendente un substrato in germanio che comprende una prima giunzione fotoattiva e costituisce una sottocella solare inferiore, una cella intermedia all'arseniuro di gallio posta su detto substrato; una cella superiore al fosfuro di indio-gallio posta sulla cella intermedia; ed una griglia superficiale comprendente una pluralità di linee di griglia distanziate tra loro, in cui le linee di griglia presentano uno spessore maggiore di 7 micron, e ciascuna linea di griglia presenta una sezione trasversale trapezoidale con una superficie di sezione trasversale compresa tra 45 e 55 micron quadrati. [0011] In another aspect, the present description proposes a photovoltaic solar cell suitable for producing energy from the sun, comprising a germanium substrate which comprises a first photoactive junction and constitutes a lower solar sub-cell, an intermediate cell with gallium arsenide positioned on said substrate; an upper indium-gallium phosphide cell placed on the intermediate cell; and a surface grid comprising a plurality of grid lines spaced apart from each other, in which the grid lines have a thickness greater than 7 microns, and each grid line has a trapezoidal cross-section with a cross-sectional surface between 45 and 55 square microns.

[0012] In un altro aspetto, la presente descrizione propone un sistema a cella solare fotovoltaica atta a produrre energia dal sole, comprendente un substrato in germanio che comprende una prima giunzione fotoattiva e costituisce una sottocella solare inferiore, una cella intermedia all'arseniuro di gallio posta su detto substrato; una cella superiore al fosfuro di indio-gallio posta su detta cella intermedia; ed una griglia superficiale posta su detta cella superiore comprendente una pluralità di linee di griglia distanziate tra loro, in cui le linee di griglia presentano uno spessore maggiore di 7 micron. [0012] In another aspect, the present description proposes a photovoltaic solar cell system adapted to produce energy from the sun, comprising a germanium substrate which comprises a first photoactive junction and constitutes a lower solar subcell, an intermediate cell arsenide of gallium placed on said substrate; an upper indium-gallium phosphide cell placed on said intermediate cell; and a surface grid placed on said upper cell comprising a plurality of grid lines spaced apart, in which the grid lines have a thickness greater than 7 microns.

[0013] In alcune forme di realizzazione, le linee di griglia superficiali presentano una sezione trasversale trapezoidale con una larghezza sul lato superiore di circa 4,5 micron, ed una larghezza sul lato inferiore di circa 7 micron. In some embodiments, the surface grid lines have a trapezoidal cross section with an upper side width of about 4.5 microns, and an underside width of about 7 microns.

[0014] In alcune forme di realizzazione, le linee di griglia superficiali hanno un passo di interasse di circa 100 micron. In some embodiments, the surface grid lines have a center distance of about 100 microns.

[0015] In alcune forme di realizzazione, le linee di griglia superficiali sono costituite da una pluralità di griglia parallele e ricoprono la superficie superiore. In some embodiments, the surface grid lines consist of a plurality of parallel grids and cover the top surface.

[0016] In alcune forme di realizzazione, le linee di griglia superficiali presentano cumulativamente una superficie che ricopre almeno il 5% della superficie della cella superiore, ma meno del 10% di tale superficie. In some embodiments, the surface grid lines cumulatively have a surface that covers at least 5% of the top cell surface, but less than 10% of that surface.

[0017] In alcune forme di realizzazione, le linee di griglia superficiali presentano comulativamente una superficie del motivo di griglia che ricopre all’incirca il 6% della superficie. [0017] In some embodiments, the surface grid lines collectively have a surface of the grid pattern that covers approximately 6% of the surface.

[0018] In alcune forme di realizzazione, la cella solare presenta una tensione a circuito aperto (Voc) di almeno 3,0 volt, una responsività in condizioni di corto circuito di almeno 0,13 amp per watt, un fattore di riempimento (FF) di almeno 0,70, e produce oltre 35 milliwatt di corrente continua di picco per centimetro quadrato di superficie di cella, in condizioni di irradiazione solare AM1.5D con un’efficienza di conversione superiore al 35% ad 1 sole. In some embodiments, the solar cell has an open circuit voltage (Voc) of at least 3.0 volts, a short circuit responsiveness of at least 0.13 amps per watt, a fill factor (FF ) of at least 0.70, and produces over 35 milliwatts of peak direct current per square centimeter of cell surface, under AM1.5D solar irradiation conditions with a conversion efficiency greater than 35% at 1 sun.

[0019] In alcune forme di realizzazione, la cella solare presenta una tensione a circuito aperto (Voc) di almeno 3,0 volt, una responsività in condizioni di corto circuito di almeno 0,13 amp per watt, un fattore di riempimento (FF) di almeno 0,70, e produce oltre 35 milliwatt di corrente continua di picco per centimetro quadrato di superficie di cella, in condizioni di irradiazione solare AM0 con un’efficienza di conversione superiore al 35% ad 1 sole. In some embodiments, the solar cell has an open circuit voltage (Voc) of at least 3.0 volts, a short circuit responsiveness of at least 0.13 amps per watt, a fill factor (FF ) of at least 0.70, and produces over 35 milliwatts of peak direct current per square centimeter of cell surface, under AM0 solar irradiation conditions with a conversion efficiency greater than 35% at 1 sun.

[0020] In alcune forme di realizzazione, il band gap delle sottocelle superiore, intermedia ed inferiore è rispettivamente di 1,9 eV, 1,4 eV, e 0,7 eV. In some embodiments, the band gap of the upper, middle and lower subcells is 1.9 eV, 1.4 eV, and 0.7 eV, respectively.

[0021] In alcune forme di realizzazione, la sottocella superiore presenta una resistenza per quadro inferiore a 300 ohm/quadro. In some embodiments, the upper subcell has a resistance per square of less than 300 ohms / square.

[0022] In alcune forme di realizzazione, la resistenza per quadro della sottocella superiore è di circa 200 ohm/quadro. In some embodiments, the resistance per square of the upper subcell is about 200 ohms / square.

[0023] In alcune forme di realizzazione, gli strati di diodi tunnel disposti tra le sottocelle della cella solare hanno uno spessore atto a sostenere una densità di corrente passante per i diodi tunnel compresa tra 15 e 30 amp/centimetro quadrato. In some embodiments, the layers of tunnel diodes disposed between the subcells of the solar cell have a thickness capable of supporting a current density through the tunnel diodes of between 15 and 30 amps / square centimeter.

[0024] Alcune attuazioni della presente invenzione possono integrare od implementare solo una parte della totalità degli aspetti e delle caratteristiche menzionati nella sintesi di cui sopra. Some embodiments of the present invention can integrate or implement only a part of the totality of the aspects and characteristics mentioned in the above summary.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0025] La FIG. 1 è una vista in sezione trasversale fortemente ingrandita di una cella solare terreste realizzata secondo l’arte nota; [0025] FIG. 1 is a highly enlarged cross-sectional view of a terrestrial solar cell made according to the known art;

[0026] la FIG. 2 è una vista in sezione trasversale fortemente ingrandita di una cella solare terreste realizzata secondo gli insegnamenti della presente descrizione; [0026] FIG. 2 is a highly enlarged cross-sectional view of a terrestrial solar cell made according to the teachings of the present description;

[0027] la FIG. 3 è un grafico che rappresenta l'efficienza di una cella solare a 500 soli di illuminazione con uno spettro AM1.5D con una cella solare avente una superficie di un centimetro quadrato, in funzione dello spessore delle linee di griglia; e [0027] FIG. 3 is a graph representing the efficiency of a solar cell at 500 illumination suns with an AM1.5D spectrum with a solar cell having a surface area of one square centimeter, as a function of the thickness of the grid lines; And

[0028] la FIG. 4 è un grafico che rappresenta l'efficienza di una cella solare ad 1 sole di illuminazione con uno spettro AM0 con una superficie di sessanta centimetri quadrati, in funzione dello spessore delle linee di griglia. [0028] FIG. 4 is a graph representing the efficiency of a solar cell at 1 illumination sun with an AM0 spectrum with an area of sixty square centimeters, as a function of the thickness of the grid lines.

DESCRIZIONE DELLA FORMA DI REALIZZAZIONE PREFERITA DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT

[0029] Verranno ora descritti alcuni particolari della presente invenzione, con alcune realizzazioni ed aspetti esemplificativi della stessa. Con riferimento alle tavole di disegno e alla seguente descrizione, pari riferimenti vengono adottati per identificare elementi uguali o funzionalmente simili, ed intendono illustrare caratteristiche principali delle forme di realizzazione esemplificative in forma schematica estremamente semplificata. I disegni non intendono rappresentare la totalità delle caratteristiche della forma di realizzazione, né le dimensioni relative degli elementi illustrati, e non sono riportati in scala. [0029] Some details of the present invention will now be described, with some exemplary embodiments and aspects thereof. With reference to the drawing tables and the following description, like references are adopted to identify identical or functionally similar elements, and are intended to illustrate main characteristics of the exemplary embodiments in extremely simplified schematic form. The drawings are not intended to represent the totality of the features of the embodiment, nor the relative dimensions of the elements illustrated, and are not shown to scale.

[0030] La realizzazione di una tipica struttura a semiconduttori della cella solare a base di composti semiconduttori III-V a giunzione tripla è descritta più in particolare nel brevetto statunitense 6.680.432 qui integrato a titolo di riferimento. The realization of a typical semiconductor structure of the solar cell based on triple junction III-V semiconductor compounds is described more particularly in US patent 6,680,432 incorporated herein by reference.

[0031] Come illustrato nell’esempio della FIG. 1, la sottocella inferiore 10 comprende un substrato 11, 12 costituito da germanio di tipo p ("Ge"), ed una porzione inferiore che funge anche da strato di base della sottocella 10. Sulla superficie inferiore dello strato di base 11 è realizzato uno strato o pad di contatto metallico 50 atto a realizzare un contatto elettrico con la cella solare multigiunzione. La sottocella inferiore 10 comprende inoltre, ad esempio, una regione di emettitore in Ge di tipo n 12 ed uno strato cosiddetto strato di nucleazione 13 di tipo n. Lo strato di nucleazione 13 viene depositato sul substrato 11, 12 e lo strato emettitore 12 viene realizzato nel substrato in Ge per diffusione di agenti droganti dagli strati superiori nel substrato in Ge, il che permette di trasformare la porzione superiore 12 del substrato in germanio di tipo p in una regione di tipo n 12. Sullo strato di nucleazione 13 viene depositato uno strato fortemente drogato all'arseniuro di gallio di tipo n 14, che costituisce una fonte di agenti droganti a base di arsenico per la regione di emettitore. [0031] As illustrated in the example of FIG. 1, the lower sub-cell 10 comprises a substrate 11, 12 consisting of p-type germanium ("Ge"), and a lower portion which also acts as the base layer of the sub-cell 10. A metal contact layer or pad 50 suitable for making electrical contact with the multi-junction solar cell. The lower sub-cell 10 further comprises, for example, an n-type Ge emitter region 12 and a so-called n-type nucleation layer 13. The nucleation layer 13 is deposited on the substrate 11, 12 and the emitter layer 12 is formed in the Ge substrate by diffusion of dopants from the upper layers into the Ge substrate, which allows to transform the upper portion 12 of the substrate into germanium of p-type in an n-type region 12. A heavily doped n-type gallium arsenide layer 14 is deposited on the nucleation layer 13, which constitutes a source of arsenic-based dopants for the emitter region.

[0032] Benché il substrato di crescita e lo strato di base 11 siano preferibilmente un substrato di crescita ed uno strato di base al Ge di tipo p, si potrà ricorrere all'uso di altri materiali semiconduttori per il substrato di crescita e lo strato di base, o per il solo substrato di crescita. Esempi di tali substrati comprendono, non limitativamente, GaAs, InP, GaSb, InAs, InSb, GaP, Si, SiGe, SiC, A12O3, Mo, acciaio inossidabile, vetro sodico calcico, e SiO2. Although the growth substrate and base layer 11 are preferably a growth substrate and a p-type Ge base layer, other semiconductor materials may be used for the growth substrate and the p-type base, or for the growth substrate alone. Examples of such substrates include, but are not limited to, GaAs, InP, GaSb, InAs, InSb, GaP, Si, SiGe, SiC, A12O3, Mo, stainless steel, sodium calcium glass, and SiO2.

[0033] Sullo strato di nucleazione 13 è possibile depositare degli strati di giunzione a effetto tunnel fortemente drogati in arseniuro di alluminio-gallo (“A1GaAs”) e (“GaAs”) di tipo p 14, 15, così da formare un diodo tunnel e creare un percorso a bassa resistenza tra la sottocella inferiore e la sottocella intermedia 20. [0033] On the nucleation layer 13 it is possible to deposit tunnel junction layers strongly doped in aluminum-gall arsenide ("A1GaAs") and ("GaAs") of p type 14, 15, so as to form a tunnel diode and creating a low resistance path between the lower sub-cell and the intermediate sub-cell 20.

[0034] La sottocella intermedia 20 comprende uno strato 16 fortemente drogato di campo di superficie posteriore in arseniuro di gallio-alluminio (“A1GaAs”) di tipo p, uno strato di base in InGaAs di tipo p, uno strato emettitore 18 fortemente drogato in fosfuro di indio-gallio (“InGaP2”) di tipo n, ed uno strato finestra 19 fortemente drogato in fosfuro di alluminio-indio (“AlInP2”) di tipo n. The intermediate subcell 20 comprises a heavily doped back surface field layer 16 in p-type gallium-aluminum arsenide ("A1GaAs"), a base layer in p-type InGaAs, an emitter layer 18 heavily doped in n-type indium-gallium phosphide (“InGaP2”), and a window layer 19 heavily doped in n-type aluminum-indium phosphide (“AlInP2”).

[0035] Lo strato finestra ha tipicamente lo stesso tipo di drogaggio dell’emettitore, ma una concentrazione di drogaggio superiore rispetto all’emettitore. Inoltre, è spesso opportuno che lo strato finestra presenti un band gap maggiore rispetto a quello dell’emettitore, per eliminare la fotogenerazione e l'iniezione di portatori minoritari nella finestra, riducendo la ricombinazione che si verificherebbe altrimenti nello strato finestra. È bene osservare che potranno essere adottati diversi materiali semiconduttori per gli strati finestra, emettitore, base e/o BSF della cella fotovoltaica, tra cui A1InP, A1As, AlP, A1GaInP, A1GaAsP, A1GaInAs, A1GaInPAs, GaInP, GaInAs, GaInPAs, AlGaAs, A1InAs, A1InPAs, GaAsSb, A1AsSb, GaA1AsSb, A1InSb, GaInSb, A1GaInSb, AlN, GaN, InN, GaInN, A1GaInN, GaInNAs, A1GaInNAs, ZnSSe, CdSSe, ed altri ancora, senza abbandonare l'ambito di tutela della presente invenzione. [0035] The window layer typically has the same type of doping as the emitter, but a higher doping concentration than the emitter. Furthermore, it is often appropriate for the window layer to have a greater band gap than that of the emitter, to eliminate photogeneration and the injection of minority carriers into the window, reducing the recombination that would otherwise occur in the window layer. It should be noted that different semiconductor materials can be adopted for the window, emitter, base and / or BSF layers of the photovoltaic cell, including A1InP, A1As, AlP, A1GaInP, A1GaAsP, A1GaInAs, A1GaInPAs, GaInP, GaInAs, GaInPAs, AlGaAs, A1InAs, A1InPAs, GaAsSb, A1AsSb, GaA1AsSb, A1InSb, GaInSb, A1GaInSb, AlN, GaN, InN, GaInN, A1GaInN, GaInNAs, A1GaInNAs, ZnSSe, CdSSe, and others, without abandoning the scope of this invention.

[0036] Lo strato di base 17 in InGaAs della sottocella intermedia 20 può comprendere, ad esempio, una percentuale di indio pari a circa l'1,5%. Altre composizioni potranno essere ugualmente adottate. Lo strato di base 17 viene realizzato sullo strato BSF 16 dopo la deposizione dello strato BSF sugli strati di giunzione ad effetto tunnel 14, 15 della sottocella inferiore 10. [0036] The base layer 17 in InGaAs of the intermediate subcell 20 can comprise, for example, a percentage of indium equal to about 1.5%. Other compositions can also be adopted. The base layer 17 is made on the BSF layer 16 after the deposition of the BSF layer on the tunnel junction layers 14, 15 of the lower sub-cell 10.

[0037] Lo strato BSF 16 è previsto con la finalità di ridurre la perdita per ricombinazione nella sottocella intermedia 20. Lo strato BSF 16 sposta i portatori minoritari da una regione fortemente drogata posta in prossimità della superficie posteriore per ridurre al minimo la perdita per ricombinazione. In questo modo, lo strato BSF 16 riduce la perdita per ricombinazione in corrispondenza del lato posteriore della cella solare, riducendo così la ricombinazione in corrispondenza dell’interfaccia tra strato di base e strato BSF. Lo strato finestra 19 viene depositato sullo strato emettitore 18 della sottocella intermedia 20 dopo la deposizione di detto strato emettitore. Anche lo strato finestra 19 della sottocella intermedia 20 contribuisce a ridurre la perdita per ricombinazione e migliora la passivazione della superficie delle giunzioni sottostanti della cella. [0037] The BSF layer 16 is provided for the purpose of reducing the recombination loss in the intermediate subcell 20. The BSF layer 16 displaces the minority carriers from a heavily doped region near the back surface to minimize the recombination loss . In this way, the BSF layer 16 reduces the loss by recombination at the rear side of the solar cell, thus reducing the recombination at the interface between the base layer and the BSF layer. The window layer 19 is deposited on the emitter layer 18 of the intermediate subcell 20 after the deposition of said emitter layer. The window layer 19 of the intermediate subcell 20 also contributes to reducing the loss by recombination and improves the passivation of the surface of the underlying junctions of the cell.

[0038] Prima di depositare gli strati della cella superiore 39, sulla sottocella intermedia 20 si potranno depositare gli strati di giunzione ad effetto tunnel 21, 22 fortemente drogati in InA1P2di tipo n, e in InA1P2di tipo p, per realizzare un diodo tunnel. [0038] Before depositing the layers of the upper cell 39, the tunnel junction layers 21, 22, heavily doped in n-type InA1P2, and in p-type InA1P2, can be deposited on the intermediate sub-cell 20, to form a tunnel diode.

[0039] Nella realizzazione di una cella solare terrestre ad alta concentrazione, gli strati di diodi tunnel disposti tra le sottocelle hanno uno spessore atto a sostenere una densità di corrente passante per i diodi tunnel compresa tra 15 e 20 amp/centimetro quadrato. [0039] In the construction of a high-concentration terrestrial solar cell, the layers of tunnel diodes arranged between the sub-cells have a thickness capable of supporting a current density through the tunnel diodes of between 15 and 20 amps / square centimeter.

[0040] Nell’esempio illustrato, la sottocella superiore 30 comprende uno strato BSF 23 fortemente drogato in fosfuro di indio-gallio-alluminio (“InGaA1P”) di tipo p, uno strato di base 24 in InGaP2di tipo p, uno strato emettitore 25 fortemente drogato in InGaP2di tipo n ed uno strato finestra 26 fortemente drogato in InA1P2di tipo n. Lo strato di base 24 della sottocella superiore 30 viene realizzato sullo strato BSF 23 dopo la deposizione dello strato BSF 23 sugli strati di giunzione ad effetto tunnel 21, 22 della sottocella intermedia 20. Lo strato finestra 26 viene depositato sullo strato emettitore 25 della sottocella superiore 20 dopo la realizzazione di detto strato emettitore 25 sullo strato di base 24. Sullo strato finestra 26 della sottocella superiore 30 può essere depositato uno strato cap 27, con un pattern di regioni di contatto separate. In the illustrated example, the upper sub-cell 30 comprises a BSF layer 23 heavily doped in p-type indium-gallium-aluminum phosphide ("InGaA1P"), a base layer 24 in p-type InGaP2, an emitter layer 25 heavily doped in n-type InGaP2 and a window layer 26 heavily doped in n-type InA1P2. The base layer 24 of the upper sub-cell 30 is formed on the BSF layer 23 after the deposition of the BSF layer 23 on the tunnel junction layers 21, 22 of the intermediate sub-cell 20. The window layer 26 is deposited on the emitter layer 25 of the upper sub-cell 20 after the realization of said emitter layer 25 on the base layer 24. A cap layer 27 can be deposited on the window layer 26 of the upper sub-cell 30, with a pattern of separate contact regions.

[0041] Lo strato cap 27 funge da contatto elettrico tra la sottocella superiore 30 e lo strato di griglia metallica 40. La resistenza per quadro della cella superiore è minore di 300 ohm/quadro ed in alcune realizzazioni è di circa 200 ohm/centimetro quadrato. Lo strato cap drogato 27 può essere uno strato a semiconduttori, ad esempio uno strato in GaAs o InGaAS. Sulla superficie dello strato finestra può essere altresì previsto un rivestimento anti-riflesso 28 tra le regioni di contatto dello strato cap 27. [0041] The cap layer 27 acts as an electrical contact between the upper sub-cell 30 and the metal grid layer 40. The resistance per frame of the upper cell is less than 300 ohms / square and in some embodiments is about 200 ohms / square centimeter . The doped cap layer 27 can be a semiconductor layer, for example a GaAs or InGaAS layer. On the surface of the window layer, an anti-reflection coating 28 can also be provided between the contact regions of the cap layer 27.

[0042] Le linee di griglia 40 delle celle solari note si estendono tipicamente tra due barre collettrici previste su lati opposti della cella. Nella tecnica nota, le linee di griglia presentavano tipicamente uno spessore o un’altezza pari o inferiore a 5 micron, una larghezza di circa 5 micron, ed un passo (ossia un interasse tra linee di griglia adiacenti) di circa 100 micron. Cumulativamente, la superficie del motivo di griglia ricopriva una percentuale compresa tra il 5,0% e il 10,0% della superficie della cella superiore. [0042] The grid lines 40 of known solar cells typically extend between two bus bars provided on opposite sides of the cell. In the prior art, the grid lines typically had a thickness or height equal to or less than 5 microns, a width of about 5 microns, and a pitch (ie a distance between adjacent grid lines) of about 100 microns. Cumulatively, the surface of the grid pattern covered between 5.0% and 10.0% of the upper cell surface.

[0043] La cella solare secondo la presente descrizione, illustrata nell’esempio della FIG. [0043] The solar cell according to the present description, illustrated in the example of FIG.

2, ha strati a semiconduttori da 11 a 27, uno strato di contatto metallico 50, ed uno strato di rivestimento anti-riflesso 28, identici a quelli della cella solare della FIG. 1, dei quali si potrà quindi evitare di ripetere la descrizione. 2, has semiconductor layers 11 to 27, a metal contact layer 50, and an anti-reflective coating layer 28, identical to those of the solar cell of FIG. 1, of which it will therefore be possible to avoid repeating the description.

[0044] In alcune forme di realizzazione della presente descrizione, le linee di griglia si estendono tra due barre collettrici previste su lati opposti della cella. In alcune forme di realizzazione, ciascuna delle linee di griglia può presentare una sezione trasversale trapezoidale con una superficie di sezione trasversale compresa tra 45 e 55 micron quadrati, essendo le dimensioni di ciascun conduttore atte a condurre la corrente relativamente elevata generata dalla cella solare in condizioni di elevata concentrazione. In some embodiments of the present disclosure, the grid lines extend between two bus bars provided on opposite sides of the cell. In some embodiments, each of the grid lines may have a trapezoidal cross-section with a cross-sectional area between 45 and 55 square microns, the dimensions of each conductor being adapted to conduct the relatively high current generated by the solar cell under conditions of high concentration.

[0045] Le linee di griglia presentano uno spessore o un’altezza pari o superiore a 7 micron, una larghezza di circa 5 micron, ed un passo (ossia un interasse tra linee di griglia adiacenti) di circa 100 micron. In alcune forme di realizzazione, le linee di griglia presentano una sezione trasversale trapezoidale con una larghezza sul lato superiore di circa 4,5 micron, ed una larghezza sul lato inferiore di circa 7 micron. [0045] The grid lines have a thickness or height equal to or greater than 7 microns, a width of about 5 microns, and a pitch (ie a distance between adjacent grid lines) of about 100 microns. In some embodiments, the grid lines have a trapezoidal cross section with an upper side width of about 4.5 microns, and an underside width of about 7 microns.

[0046] Cumulativamente, la superficie del motivo di griglia ricopre una percentuale compresa tra il 5,0% e il 10,0% della superficie della cella superiore. Il motivo di griglia e le dimensioni delle linee sono scelte in vista di consentire il trasporto della corrente relativamente elevata prodotta dalla cella solare. In alcune forme di realizzazione, la superficie del motivo di griglia ricopre cumulativamente il 6% della superficie della cella superiore. Cumulatively, the surface of the grid pattern covers a percentage of between 5.0% and 10.0% of the surface of the upper cell. The grid pattern and the size of the lines are chosen with a view to allowing the transport of the relatively high current produced by the solar cell. In some embodiments, the surface of the grid pattern cumulatively covers 6% of the top cell surface.

[0047] In alcune forme di realizzazione, ad esempio destinate ad applicazioni terrestri di generazione di energia, sopra la cella solare può essere disposta una lente concentratrice 60 o altra ottica, atta a focalizzare la luce solare in entrata sulla superficie della cella con un fattore pari o superiore a 500X. [0047] In some embodiments, for example intended for terrestrial power generation applications, a concentrating lens 60 or other optics can be arranged above the solar cell, adapted to focus the incoming sunlight on the cell surface with a factor equal to or greater than 500X.

[0048] In alcune forme di realizzazione, la cella solare così ottenuta presenta band gap delle sottocelle superiore, intermedia ed inferiore rispettivamente di 1,9 eV, 1,4 eV, e 0,7 eV. In alcune forme di realizzazione, la cella solare presenta una tensione a circuito aperto (Voc) di almeno 3,0 volt, una responsività in condizioni di corto circuito di almeno 0,13 amp per watt, un fattore di riempimento (FF) di almeno 0,70, ed un efficienza pari almeno al 35% in condizioni di Air Mass 1.5 (AM1.5D) o di uno spettro terrestre simile a 25 gradi centigradi, e in condizioni di illuminazione con luce solare concentrata con un fattore superiore a 500X, in modo da produrre oltre 35 milliwatt di corrente continua di picco per centimetro quadrato di superficie di cella. [0048] In some embodiments, the solar cell thus obtained has a band gap of the upper, intermediate and lower subcells of 1.9 eV, 1.4 eV, and 0.7 eV respectively. In some embodiments, the solar cell has an open circuit voltage (Voc) of at least 3.0 volts, a short circuit responsivity of at least 0.13 amps per watt, a fill factor (FF) of at least 0.70, and an efficiency of at least 35% in conditions of Air Mass 1.5 (AM1.5D) or a terrestrial spectrum similar to 25 degrees centigrade, and in lighting conditions with concentrated sunlight with a factor greater than 500X, to produce over 35 milliwatts of peak direct current per square centimeter of cell surface.

[0049] La FIG. 3 è un grafico che rappresenta l'efficienza di una cella solare a 500 soli di illuminazione con uno spettro AM1.5D con una cella solare avente una superficie di un centimetro quadrato, in funzione dello spessore delle linee di griglia. Tale cella solare (identificata dal modello CTJ) è adatta ad applicazioni terrestri in sistemi fotovoltaici con concentratore che fanno uso di lenti o altri componenti ottici per focalizzare i raggi solare in entrata sulla cella con un fattore pari o superiore a 500X. L’uso di linee di griglia più spesse (ad esempio di spessore pari o superiore a 7 micron) produce un miglioramento sostanziale dell’efficienza della cella. Le limitazioni imposte dai processi litografici e altre considerazioni relative alla lavorazione possono rendere meno realizzabili gli spessori di griglia indicati all'estremità superiore del grafico (ossia spessori di dieci micron o più), dal punto di vista della produzione e dell’affidabilità, facendo riferimento all'attuale tecnologia di produzione, ma non per questo tali spessori fuoriescono dall'ambito di tutela della presente descrizione. [0049] FIG. 3 is a graph representing the efficiency of a solar cell at 500 suns of illumination with an AM1.5D spectrum with a solar cell having an area of one square centimeter, as a function of the thickness of the grid lines. This solar cell (identified by the CTJ model) is suitable for terrestrial applications in photovoltaic systems with concentrator that make use of lenses or other optical components to focus the incoming solar rays on the cell with a factor equal to or greater than 500X. The use of thicker grid lines (for example with a thickness equal to or greater than 7 microns) produces a substantial improvement in the efficiency of the cell. The limitations imposed by lithographic processes and other processing considerations may make the grid thicknesses indicated at the top of the graph (i.e. thicknesses of ten microns or more) less achievable, from the standpoint of manufacturing and reliability, referring to to the current production technology, but this does not mean that these thicknesses fall outside the scope of protection of the present description.

[0050] La FIG. 4 è un grafico che rappresenta l'efficienza di una cella solare ad 1 sole di illuminazione con uno spettro AM0, con una superficie di sessanta centimetri quadrati, in funzione dello spessore delle linee di griglia. Tale cella solare (identificata dal modello ZTJ) si presta ad applicazioni spaziali in sistemi fotovoltaici operanti ad 1 sole di illuminazione (che non prevedono cioè la concentrazione dei raggi solari in entrata). L’uso di linee di griglia più spesse (ad esempio di spessore pari o superiore a 7 micron) produce un miglioramento sostanziale dell’efficienza della cella. Le limitazioni imposte dai processi litografici e altre considerazioni relative alla lavorazione possono rendere meno realizzabili gli spessori di griglia indicati all'estremità superiore del grafico (ossia spessori di dieci micron o più), dal punto di vista della produzione e dell’affidabilità, facendo riferimento all'attuale tecnologia di produzione, ma non per questo tali spessori fuoriescono dall'ambito di tutela della presente descrizione. [0050] FIG. 4 is a graph representing the efficiency of a solar cell at 1 illumination sun with an AM0 spectrum, with an area of sixty square centimeters, as a function of the thickness of the grid lines. This solar cell (identified by the ZTJ model) lends itself to spatial applications in photovoltaic systems operating at 1 lighting sun (that is, which do not provide for the concentration of incoming solar rays). The use of thicker grid lines (for example with a thickness equal to or greater than 7 microns) produces a substantial improvement in the efficiency of the cell. The limitations imposed by lithographic processes and other processing considerations may make the grid thicknesses indicated at the top of the graph (i.e. thicknesses of ten microns or more) less achievable, from the standpoint of manufacturing and reliability, referring to to the current production technology, but this does not mean that these thicknesses fall outside the scope of protection of the present description.

Claims

CLAIMS 1. Photovoltaic solar cell system with concentrator capable of producing energy from the sun, comprising: a concentrating lens adapted to produce a concentration of light greater than 500X; And a solar cell placed in the path of the concentrated light beam, comprising a germanium substrate which comprises a first photoactive junction and constitutes a lower solar sub-cell; an intermediate gallium arsenide cell placed on said substrate; an upper indium-gallium phosphide cell placed on said intermediate cell and having a band gap such as to maximize absorption in the AM 1.5 spectral region; And a surface grid placed on said upper cell, comprising a plurality of grid lines spaced apart from each other, in which the grid lines have a thickness greater than 7 microns, and each grid line has a trapezoidal cross-section with a cross-sectional surface between 45 and 55 square microns, and suitable for conducting the relatively high current generated by the solar cell.

2. A system according to claim 1, wherein the trapezoidal shape has an upper side width of about 4.5 microns, and an underside width of about 7 microns.

A system according to claim 1, wherein the surface grid lines have a center distance of about 100 microns.

A system according to claim 1, wherein the grid pattern consists of a plurality of parallel grid lines covering the top surface.

The system according to claim 1, wherein the surface of the grid pattern cumulatively covers at least 5% of the upper cell surface, but less than 10% of that surface.

6. System according to claim 1, in which the surface of the grid pattern cumulatively covers approximately 6% of the surface.

System according to claim 1, wherein the solar cell has an open circuit voltage (Voc) of at least 3.0 volts, a short circuit responsiveness of at least 0.13 amps per watt, a fill factor ( FF) of at least 0.70, and produces over 35 milliwatts of peak direct current per square centimeter of cell surface, under AM1.5 solar irradiation conditions with a conversion efficiency greater than 35% at 1 sun.

System according to claim 1, wherein the band gap of the upper, middle and lower subcells is 1.9 eV, 1.4 eV, and 0.7 eV respectively.

A system according to claim 1, wherein the upper subcell has a resistance per frame of less than 300 ohms / square.

The solar cell of claim 9 wherein the resistance per frame of the upper subcell is about 200 ohms / square.

11. Solar cell according to claim 1, further comprising layers of tunnel diodes arranged between the subcells of the solar cell, with a thickness suitable for supporting a current density passing through the tunnel diodes of between 15 and 30 amps / square centimeter.

12. Photovoltaic solar cell system adapted to produce energy from the sun, comprising: a germanium substrate which comprises a first photoactive junction and constitutes a lower solar sub-cell; an intermediate gallium arsenide cell placed on said substrate; an upper indium-gallium phosphide cell placed on said intermediate cell; And a surface grid placed on said upper cell, comprising a plurality of grid lines spaced apart from each other, in which the grid lines have a thickness greater than 7 microns, and each grid line has a trapezoidal cross-section with a cross-sectional surface between 45 and 55 square microns.

13. A system according to claim 12, wherein the trapezoidal shape has an upper side width of about 4.5 microns, and an underside width of about 7 microns.

14. A system according to claim 12, wherein the surface grid lines have a center distance of about 100 microns.

A system according to claim 12, wherein the grid pattern consists of a plurality of parallel grid lines covering the top surface.

A system according to claim 12, wherein the surface of the grid pattern cumulatively covers at least 5% of the upper cell surface, but less than 10% of that surface.

17. System according to claim 12, in which the surface of the grid pattern cumulatively covers approximately 6% of the surface.

System according to claim 12, wherein the band gap of the upper, intermediate and lower subcells is 1.9 eV, 1.4 eV, and 0.7 eV respectively.

A system according to claim 12, wherein the upper subcell has a resistance per frame of less than 300 ohms / square.

20. The solar cell of claim 19 wherein the resistance per frame of the upper subcell is about 200 ohms / square.