BR112019001351B1 - Método para fabricar um dispositivo fotovoltaico - Google Patents

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Giovanni Fili
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Abstract

A presente invenção se refere a um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico. Em concordância com a presente invenção, referido método compreende: - formação de uma primeira camada condutora porosa (16) sobre uma lateral de um substrato de isolamento poroso (20); - revestimento da primeira camada condutora com uma camada de grãos (2) de um material semicondutor dopado para formar uma estrutura; - desempenho de um primeiro tratamento de calor da estrutura para ligar os grãos para a primeira camada condutora; - formação de camadas eletricamente isolantes sobre superfícies da primeira camada condutora; - formação de uma segunda camada condutora (18) sobre uma lateral oposta do substrato de isolamento poroso (20); - aplicação de um material condutor de carga (3) em cima das superfícies dos grãos, no interior dos poros da primeira camada condutora, e no interior dos poros do substrato de isolamento; e: - conexão eletricamente do material condutor de carga para a segunda camada condutora.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[0001] A presente invenção se refere para o campo técnico de dispositivos fotovoltaicos incluindo camadas de absorção de luz, tais como células solares. Mais particularmente, a presente invenção se refere a um método para produção de um dispositivo fotovoltaico.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[0002] Dispositivos fotovoltaicos proporcionam conversão de luz para eletricidade utilizando materiais semicondutores que exibem um efeito fotovoltaico.
[0003] Um sistema fotovoltaico típico emprega painéis solares, cada um compreendendo um número de células solares, que geram energia elétrica. Uma célula solar ou um dispositivo fotovoltaico é um dispositivo que diretamente converte luz do sol para eletricidade. Luz incidente sobre a superfície da célula solar produz energia elétrica. Uma célula solar possui uma camada de absorção de luz. Quando a energia de um fóton é igual a ou maior do que a abertura (lacuna, fenda) de banda do material na camada de absorção de luz, o fóton é absorvido pelo material e um elétron foto-excitado é gerado. A superfície frontal é dopada de uma outra maneira do que a base, criando uma junção PN. Sob iluminação, fótons são absorvidos, em conseqüência disso criando um par de elétron-buraco que é separado na junção PN. Sobre a parte traseira da célula solar uma placa de metal coleta excesso de transportadores de carga a partir da base, e sobre a parte frontal da célula solar fios de metal coletam excesso de transportadores de carga a partir do emissor.
[0004] Silício é o material semicondutor o mais comumente utilizado em células solares. Silício possui diversas vantagens, por exemplo, é quimicamente estável, e proporciona uma alta eficiência devida para a sua alta habilidade para absorver luz. Células solares padrão são feitas a partir de bolachas/pastilhas (wafers) finas de silício dopado. Uma desvantagem com bolachas de silício é a de que as mesmas são caras (dispendiosas).
[0005] A superfície frontal da bolacha de silício é dopada de uma outra maneira do que a base, criando uma junção PN. Durante produção da célula solar, um número de amostras de bolachas de silício dopadas tem que ser cortado ou serrado a partir de um lingote de silício, e então, as amostras de bolachas de silício são montadas eletricamente para uma célula solar. Na medida em que o lingote de silício tem que possuir pureza extremamente alta e na medida em que o ato de serrar é consumidor de tempo e cria quantidades significativas de material residual, a produção de tais células solares é cara (dispendiosa).
[0006] Na parte traseira de uma célula solar tradicional uma placa de metal coleta excesso de transportadores de carga a partir da base, e sobre as grades de metal e cabos (fios) de metal da parte frontal coleta excesso de transportadores de carga a partir do emissor. Por conseqüência, células solares de silício convencionais possuem um emissor de contato de parte frontal. Um problema com utilização das grades e cabos de coleta de corrente sobre a parte frontal da célula solar é o de que existe um intercâmbio entre coleta de corrente e colheita de luz. Por aumento do tamanho dos cabos de metal, a condução é aumentada e o coleta de corrente é aperfeiçoada. Entretanto, por aumento do tamanho das grades e dos cabos de metal, mais da área de colheita de sol é sombreada, conduzindo para uma eficiência reduzida da célula solar.
[0007] Uma solução conhecida para este problema são células solares de contato traseiro. O pedido de patente norte americano número US 2014/166095 A1 descreve como fazer uma célula solar de silício de junção traseira de contato traseiro. Células solares de contato traseiro conseguem eficiência mais alta por movimentação do emissor de contato de parte frontal para a parte traseira da célula solar. A eficiência mais alta resulta a partir do sombreamento reduzido sobre a parte frontal da célula solar. Existem diversas configurações de células solares de contato traseiro. Por exemplo, em células solares de silício de junção traseira de contato traseiro [back- contacted back-junction (BC-BJ)], a área de emissor e todo o cabeamento são colocada/os sobre a parte traseira da célula solar resultando em efetiva remoção de quaisquer componentes de sombreamento a partir da parte frontal da célula solar. Entretanto, a produção destas células solares de silício BC-BJ é tanto complexa e quanto dispendiosa.
[0008] O pedido de patente internacional número WO 2013/149787 A1 apresenta uma célula solar sensibilizada por corante possuindo um contato traseiro. A célula solar inclui uma camada isolante porosa, um eletrodo de trabalho incluindo uma camada de metal condutora porosa, formada sobre o topo da camada isolante porosa, e uma camada de absorção de luz contendo um corante adsorvido disposto sobre o topo da camada de metal condutora porosa para voltar-se para o sol. A camada de absorção de luz compreende partículas de óxido de metal de TiO2 coloridas por moléculas de corante de adsorção de luz sobre a superfície das partículas de TiO2. A célula solar sensibilizada por corante adicionalmente inclui um contra eletrodo incluindo uma camada condutora disposta sobre uma parte oposta da camada isolante porosa. Um eletrolítico é preenchido entre o eletrodo de trabalho e o contra eletrodo. Uma vantagem desta célula solar é a de que a mesma é fácil e rápido para ser fabricada, e em concordância com isso é efetiva em custos para ser produzida. Uma desvantagem deste tipo de célula solar comparada com uma célula solar de silício é a de que sua eficiência máxima é mais baixa devida para o fato de que as moléculas de corante possuem menos habilidade para absorver luz do que silício.
[0009] Em um desenvolvimento adicional das células solares sensibilizadas por corante, a eficiência das células foi aumentada pela utilização de perovskitas como um substituto para a camada de TiO2 infundida por corante. O pedido de patente internacional número WO 2014/184379 apresenta uma célula solar sensibilizada por corante possuindo uma camada de absorção de luz compreendendo uma perovskita. Uma vantagem de utilização de uma perovskita é a de que mais altas eficiências de célula solar podem ser alcançadas. Entretanto, células selares de perovskita possuem diversas desvantagens, por exemplo, as mesmas são difíceis para serem fabricadas, dispendiosas, instáveis e perigosas para o meio ambiente.
[0010] De maneira tal a reduzir os custos de células solares foi proposto utilizar grãos de silício ao invés de bolachas de silício sólidas.
[0011] A patente norte americana número US 4.357.400 apresenta uma célula solar com partículas de silício dopado em eletrolítico redox. A célula solar inclui um substrato isolante possuindo duas camadas condutoras intercaladas sobre uma lateral do substrato. Partículas semicondutoras discretas de um tipo de dopagem são posicionadas sobre uma das camadas condutoras, e partículas semicondutoras de um tipo oposto de dopagem são posicionadas sobre a outra camada condutora. Todas são imersas em um eletrólito redox e encapsuladas. O eletrólito redox contata as partículas, por intermédio do que um potencial de voltagem é gerado através das duas camadas condutoras em resposta para fótons impingindo (colidindo) sobre as partículas semicondutoras. As camadas condutoras são camadas finas, por exemplo, de alumínio. As camadas condutoras são pulverizadas e gravadas à água forte sobre um substrato em um padrão, por exemplo, com dedos interdigitados. As partículas semicondutoras podem ser aplicadas por serigrafia e coladas para a superfície dos condutores. Uma desvantagem com esta célula solar é a de que o processo de fabricação é complicado e consumidor de tempo. Por conseqüência, a célula solar é cara (dispendiosa) para ser fabricada.
[0012] O pedido de patente chinês número CN 2015/1101264 descreve uma célula solar tradicional com uma bolacha de silício e contatos frontal e traseiro. De maneira tal a aperfeiçoar o fator de enchimento e a eficiência de conversão, partículas de silício porosas luminosas são revestidas por rodopio em cima da superfície da bolacha de silício da célula solar. Os grãos de silício são preparados por gravação eletroquímica em solução de HF e de etanol e, depois disso, trituradas para tamanhos de partícula de 2 nm - 200 nm. Uma desvantagem com este tipo de célula solar é a de que os grãos de silício são atados para uma bolacha de silício, em conseqüência disso, criando uma grande e volumosa estrutura de silício.
[0013] O pedido de patente norte americano número US 2011/0000537 descreve uma célula solar possuindo uma camada de absorção de luz incluindo um silício amorfo hidrogenado, um elemento baseado em não silício e grãos de silício cristalino englobados no material baseado em silício amorfo hidrogenado.
[0014] O pedido de patente japonês número JP 2004/07546 descreve um método de formação de uma película (um filme) de silício por utilização de uma composição contando partículas de Si. As partículas de Si são formadas por esmagamento de lingotes de silício e moagem das partes para tamanho adequado. As partículas são lavadas para remover óxido de silício e misturadas com um meio de dispersão. Depois da aplicação da composição em cima de um substrato de vidro, o substrato é tratado por calor e uma película de silício é obtida.
[0015] É conhecido se utilizar materiais orgânicos para produzir dispositivos fotovoltaicos com o objetivo de redução dos custos de fabricação. O material orgânico está em contato com um material semicondutor inorgânico e pelo que uma hetero junção é criada e por isso elétrons e buracos são separados.
[0016] A utilização de células solares inorgânicas-orgânicas híbridas combinando silício do tipo n monocristalino (n-Si) e um polímero altamente condutor poli (3,4-etilenodioxitiofeno) - poli (estireno sulfonato) (PEDOT:PSS) é descrita em um artigo intitulado “Junction formation and current transport mechanisms in hybrid n- Si/PEDOT:PSS solar cells” em Scientific reports publicado em 17 de agosto de 2.015 e escrito por Sara Jackle, Matthias Mattiza, Martin Libhaber, Gerald Bronstrup, Mathias Rommel, Klaus Lips e Silke Christiansen. O artigo descreve um laminado de bolacha de Si do tipo n para um contato traseiro eutético de In/Ga e uma camada de PEDOT:PSS sobre o topo da bolacha juntamente com um contato dianteiro de grade de Au.
[0017] O pedido de patente norte americano número US 2012/0285521 descreve um dispositivo fotovoltaico no qual uma camada semicondutora inorgânica é laminada com uma camada orgânica e uma grade de anodo de metal é posicionada sobre o topo da camada orgânica e uma camada de catodo é posicionada sob a camada de Si. Por exemplo, a camada semicondutora é feita de uma bolacha de silício e a camada orgânica, por exemplo, é feita de PEODT:PSS. Uma desvantagem com este dispositivo fotovoltaico é a de que a grade de anodo de metal é posicionada sobre o topo da camada orgânica, e em concordância com isso, a mesma sombreia uma parte da área de colheita de sol conduzindo para uma eficiência reduzida da célula solar.
OBJETIVO E SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0018] É um objetivo da presente invenção o de pelo menos parcialmente superar os problemas anteriormente mencionados e o de proporcionar um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico aperfeiçoado.
[0019] Este objetivo da presente invenção é conseguido por um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico conforme é definido na reivindicação de patente independente 1 acompanhante.
[0020] O método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico compreende: - formação de uma primeira camada condutora porosa sobre uma lateral de um substrato isolante poroso; - revestimento da primeira camada condutora com uma camada de grãos de um material semicondutor dopado para formar uma estrutura; - desempenho de um primeiro tratamento térmico da estrutura para ligar os grãos para a primeira camada condutora; - formação de camadas eletricamente isolantes sobre superfícies da primeira camada condutora; - formação de uma segunda camada condutora sobre uma lateral oposta do substrato isolante poroso; - aplicação de um material condutor de carga em cima das superfícies dos grãos, no interior dos poros da primeira camada condutora, e no interior dos poros do substrato isolante; e: - conexão eletricamente do material condutor de carga para a segunda camada condutora.
[0021] O método em concordância com a presente invenção torna possível produzir um dispositivo fotovoltaico em um baixo custo, no qual é ambientalmente amigável, e possui uma alta eficiência de conversão. O método em concordância com a presente invenção é significativamente mais fácil comparado com métodos tradicionais para fabricação de células solares de silício baseadas sobre bolachas (wafers) ou películas finas (filmes finos).
[0022] Um dispositivo fotovoltaico produzido com o método em concordância com a presente invenção compreende uma pluralidade de grãos de um material semicondutor dopado, e um condutor de carga feito de um material condutor de carga parcialmente cobrindo os grãos de maneira tal que uma pluralidade de junções é formada entre os grãos e o condutor de carga. As junções são interfaces entre os grãos e o condutor de carga que têm capacidade para provisão de separação de elétrons foto-excitados e buracos. Os grãos estão em contato elétrico e físico com o condutor de carga para formar as junções. Dependendo do tipo de material semicondutor e do material condutor de carga, as junções podem ser homo junções ou hetero junções.
[0023] Com um semicondutor dopado se quer significar um semicondutor compreendendo um dopante, por exemplo, boro (do tipo p), fósforo (do tipo n), ou arsênico (do tipo n). Para produzir um semicondutor dopado, um dopante é adicionado para o semicondutor. Dependendo do tipo de material de dopante, o semicondutor se torna p dopado ou n dopado.
[0024] Com o termo estrutura se quer significar o dispositivo produzido até agora. Por exemplo, na etapa dois, a estrutura compreende o substrato isolante poroso, a primeira camada condutora, e a camada de grãos.
[0025] Um condutor de carga conforme utilizado aqui é feito de um material condutor de buraco ou um material condutor de elétron. Em um material condutor de buraco a maior parte dos transportadores de carga são buracos, e em um material condutor de elétron a maior parte dos transportadores de carga são elétrons. Um material condutor de buraco é um material que primordialmente possibilita transporte de buracos e que primordialmente previne transporte de elétrons. Um material condutor de elétron é um material que primordialmente possibilita transporte de elétrons e que primordialmente previne transporte de buracos. Um condutor de carga ideal tem capacidade para formação de uma junção juntamente com o grão onde a junção formada tem capacidade para separação de elétrons foto-gerados e de buracos. Um condutor de carga ideal aceita e conduz somente um tipo de transportador de carga e bloqueia o outro tipo de transportador de carga. Por exemplo, se o condutor de carga é um condutor de buraco ideal, o condutor de carga conduz somente buracos, e bloqueia elétrons a partir de adentrarem o condutor de buraco. Se o condutor de carga é um condutor de elétron ideal, o condutor de carga conduz somente elétrons, e irá bloquear buracos a partir de adentrarem o condutor de elétron.
[0026] O condutor de carga serve para diversos propósitos. Um propósito primordial é o de proporcionar junções onde elétrons e buracos podem ser separados. Um segundo propósito é o de conduzir para fora um tipo de transportador de carga a partir da junção. Um terceiro propósito é o de ligar os grãos mecanicamente uns para os outros e o de ligar os grãos mecanicamente para a primeira camada condutora para formar um dispositivo fotovoltaico mecanicamente robusto.
[0027] Os grãos são atados para uma primeira camada condutora. Na medida em que parte da superfície de grão está em contato físico com a primeira camada condutora, o condutor de carga pode somente parcialmente cobrir a integridade da área de superfície do grão. As áreas de superfície livre remanescentes dos grãos são preferivelmente cobertas com o condutor de carga de maneira tal que uma pluralidade de junções é formada entre os grãos e o condutor de carga.
[0028] O material da camada de absorção de luz é significativamente mais barato do que a camada de absorção de luz de células solares de silício tradicionais, na medida em que podem ser feitas de pó incluindo grãos semicondutores ao invés de bolachas dispendiosas, e na medida em que a quantidade de material semicondutor necessitada é de menos do que aquela para células solares de semicondutor tradicionais. Adequadamente, o material semicondutor é silício. Entretanto, outro material semicondutor pode também ser utilizado, tal como CdTe, CIGS, CIS, GaAs ou perovskita. O material da camada de absorção de luz é também mais barato do que uma camada de absorção de luz de uma célula solar sensibilizada por corante, na medida em que um semicondutor barato, tal como silício, pode ser utilizado como um absorvedor de luz ao invés de moléculas de corante mais dispendiosas.
[0029] Devido para o fato dos grãos, a superfície da camada de absorção de luz se torna mais áspera comparada com o caso onde bolachas são utilizadas. Na medida em que comparada com uma bolacha de silício planar, a superfície mais áspera dos grãos aumenta a probabilidade para que luz refletida venha a ser absorvida, o que reduz perdas de eficiência devidas para o fato de reflexos na superfície. Por conseqüência, a necessidade de um revestimento antirreflexo, que é freqüentemente utilizado sobre a superfície de umas células solares de silício tradicionais, é reduzida ou não é mais de nenhuma maneira necessária.
[0030] O condutor de carga é disposto sobre os grãos e bem como em espaços formados entre os grãos. A maior parte dos grãos é coberta com uma camada do condutor de carga cobrindo uma parte maior da superfície do grão. Isto possibilita para que uma grande parte da luz incidente venha a ser convertida para eletricidade, o que conduz para uma alta eficiência de conversão. Na medida em que o material condutor de carga possui uma determinada estabilidade mecânica intrínseca, o material condutor de carga atua como cola entre os grãos, por conseqüência, estabilizando a camada de absorção de luz. Além do mais, o condutor de carga também cola juntamente os grãos e a primeira camada condutora e, em conseqüência disso, aperfeiçoa a adesão mecânica dos grãos e da primeira camada condutora. Isto aperfeiçoa a resistência física da camada de absorção de luz e a adesão dos grãos para a primeira camada condutora.
[0031] Preferivelmente, o condutor de carga é depositado sobre os grãos de maneira tal que a maior parte dos grãos é coberta com uma camada condutora de carga cobrindo uma maior parte da superfície do grão. Uma camada condutora de carga é uma camada feita de um material condutor de carga, conforme foi definido anteriormente. Preferivelmente, o condutor de carga é disposto sobre os grãos de maneira tal que o condutor de carga forma uma camada condutora de carga cobrindo a superfície livre dos grãos. Se a camada condutora de carga é excessivamente grossa, a camada condutora irá atuar como um filtro de absorção de luz prevenindo que alguma da luz venha a alcançar o grão. Preferivelmente, a camada condutora de carga possui uma espessura entre 10 nm e 200 nm. Mais preferivelmente, a camada condutora de carga possui uma espessura entre 50 nm e 100 nm, e ainda mais preferivelmente entre 70 nm e 90 nm. Tais camadas finas irão possibilitar que a maior parte da luz venha a penetrar através da camada condutora de carga e venha a alcançar os grãos.
[0032] Preferivelmente, a integridade de superfície livre de um grão, isto é, a superfície que não está em contato com o substrato/a camada condutora, é coberta pelo condutor de carga. A cobertura de condutor de carga da superfície livre pode incluir menores rupturas na cobertura devidas para o fato de variações em parâmetros de processo ou em propriedades de material de condutor de carga. A cobertura pode também sofrer ruptura devido para o fato das geometrias dos grãos prevenindo cobertura completa da superfície livre. O condutor de carga pode também incluir pequenos grãos/partículas, e os espaços entre os grãos/partículas podem provocar rupturas na cobertura dos grãos. As rupturas na cobertura irão reduzir a eficiência da célula.
[0033] O material condutor de carga é aplicado de maneira tal que os poros da primeira camada condutora, e os poros do substrato isolante são cheios com o material condutor de carga. A primeira camada condutora e o substrato isolante são porosos possibilitando que o condutor de carga venha a ser acomodado em poros da primeira camada condutora, e em poros do substrato isolante poroso de maneira tal que uma pluralidade de caminhos condutores de carga venham a ser formados a partir da camada de absorção de luz, através da primeira camada condutora e através do substrato isolante para a segunda camada condutora. Um caminho condutor de carga é um caminho feito de um material condutor de carga, conforme foi definido anteriormente, o que possibilita transporte de cargas, isto é, elétrons ou buracos. Adicionalmente, o material condutor de carga é aplicado de maneira tal que o mesmo está em contato elétrico com a segunda camada condutora. Por exemplo, a segunda camada condutora é disposta sobre a superfície do substrato isolante poroso e por isso a segunda camada condutora está em contato elétrico com o material condutor de carga acumulado nos poros do substrato isolante. Alternativamente, um segundo substrato isolante poroso é disposto entre o primeiro substrato isolante poroso e a segunda camada condutora e os poros do segundo substrato isolante poroso são cheios com o material condutor de carga em contato elétrico com a segunda camada condutora. O método compreende formação de uma segunda camada condutora sobre uma lateral oposta do substrato isolante poroso. Por conseqüência, a primeira camada condutora e a segunda camada condutora são formadas sobre diferentes laterais do substrato isolante poroso. Esta etapa pode ser realizada de diferentes maneiras e em diferente ordem. A formação da segunda camada condutora pode ser realizada antes e bem como depois de desempenho do primeiro tratamento térmico da estrutura. Por exemplo, a segunda camada condutora é formada por deposição de uma tinta incluindo partículas condutoras sobre a lateral oposta do substrato isolante poroso. Alternativamente, a segunda camada condutora é atada para a lateral oposta do substrato isolante poroso para formar uma estrutura em sanduíche.
[0034] Camadas eletricamente isolantes são formadas sobre as superfícies disponíveis da primeira camada condutora de maneira tal a evitar contato elétrico entre o material condutor de carga e a primeira camada condutora e de maneira tal a evitar curto circuito entre a primeira camada condutora e a segunda camada condutora. Este etapa deveria ser desempenhada antes que o material condutor de carga venha a ser aplicado.
[0035] A primeira camada condutora e a segunda camada condutora podem ser conectadas para um circuito externo.
[0036] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a camada de grãos é uma monocamada. Os grãos são dispostos sobre a primeira camada condutora de maneira tal que uma monocamada de grãos é formada sobre a primeira camada condutora. Os grãos podem ser depositados diretamente em cima da primeira camada condutora. A deposição dos grãos pode ser feita com simples processos como pulverização, impressão ou os assemelhados. Uma monocamada contém somente uma camada única de grãos, em oposição para uma camada múltipla que contém duas ou mais camadas de grãos uma sobre o topo da outra. Em uma monocamada de grãos, uma parte primordial dos grãos está em contato físico e elétrico com a primeira camada condutora. Por conseqüência, a maior parte dos grãos contribui para a geração de energia, conseguindo uma alta eficiência do dispositivo fotovoltaico. Em uma camada múltipla de grãos, somente os grãos da camada a mais inferior estão em contato físico e elétrico com a primeira camada condutora, e os outros grãos somente possuem contato indireto com a primeira camada condutora. Uma desvantagem com uma camada múltipla de grãos é a de que uma parte primordial dos grãos somente possui contato elétrico indireto com a primeira camada condutora, o que provoca uma eficiência mais baixa do dispositivo fotovoltaico. Adicionalmente, em uma monocamada de grãos, uma parte primordial dos grãos possui uma superfície superior voltando-se para a luz e uma superfície inferior estando em contato direto mecânico e elétrico com a primeira camada condutora. A superfície superior é coberta com o material condutor de carga. A distribuição dos grãos sobre a primeira camada condutora pode conduzir para fendas finas entre os grãos. Preferivelmente, estas fendas podem ser preenchidas com grãos menores que se ajustam nas fendas.
[0037] Devido para o fato de que os grãos estão em contato direto físico e elétrico com a primeira camada condutora, a distância que os elétrons devem se deslocar antes que venham a ser coletados é curta, e em concordância com a probabilidade para que os elétrons e buracos venham a se recombinar antes que venham a ser coletados é baixa. Isto conduz para alta eficiência de conversão.
[0038] Uma porção da superfície de cada um dos grãos está em contato físico e elétrico com a primeira camada condutora, e a parte predominante da superfície livre remanescente de cada um dos grãos é coberta com o condutor de carga. Cada um dos grãos possui uma parte superior coberta com o condutor de carga, e uma parte inferior em contato físico e elétrico com a primeira camada condutora. É importante que a parte inferior dos grãos, que está em contato elétrico com a primeira camada condutora, não venha a formar uma baixa junção ôhmica com o condutor de carga, de maneira tal a evitar curto circuito elétrico. Se a resistência elétrica entre o condutor de carga e a parte inferior do grão é excessivamente baixa, então, as perdas devidas para o fato de curto circuito irão ser excessivamente altas. Por conseqüência, as partes das superfícies dos grãos, que estão em contato elétrico com a primeira camada condutora, deveriam não ser cobertas com o condutor de carga. Preferivelmente, a superfície remanescente do grão é coberta com o condutor de carga para conseguir uma alta eficiência de conversão. Idealmente, o condutor de carga cobre a integridade de superfície livre remanescente dos grãos.
[0039] A primeira camada condutora coleta os elétrons foto-excitados a partir das junções e transporta os elétrons para um circuito externo no exterior do dispositivo fotovoltaico. Devido para o fato de que os grãos estão em contato direto físico e elétrico com a primeira camada condutora, a distância que os elétrons devem se deslocar antes que venham a ser coletados é curta, e em concordância com a probabilidade para que os elétrons e buracos venham a se recombinar antes que venham a ser coletados é baixa. Por conseqüência, uma vantagem com um dispositivo fotovoltaico produzido por um método em concordância com a presente invenção, comparado com um dispositivo fotovoltaico tradicional, é a de que as perdas resistivas elétricas na camada de absorção de luz são menores, devido para o fato da distância mais curta para os elétrons se deslocarem antes que venham a ser coletados. A distância para transportadores de carga serem coletados pela primeira camada condutora varia tipicamente a partir de uns poucos micrômetros para dezenas de micrômetros, enquanto que em uma célula solar de bolacha de silício tradicional os elétrons tipicamente necessitam se deslocar diversas centenas de micrômetros, isto é, diversos milímetros, para alcançar a parte frontal de coletor de corrente ou diversas centenas de micrômetros para alcançar a parte traseira de coletor de corrente.
[0040] Preferivelmente, a camada de grãos cobre a maior parte da superfície do substrato. O condutor de carga cobre pelo menos 50%, e mais preferivelmente pelo menos 70%, e o mais preferivelmente pelo menos 80% da superfície disponível dos grãos. Quanto maiores são as áreas dos grãos que são cobertas pelo condutor de buraco, tanto mais alta é a eficiência de conversão, isto é, uma parte maior da luz incidente é convertida para eletricidade. Idealmente, o condutor de carga cobre a integridade de superfície livre disponível de cada grão. A superfície disponível dos grãos é a parte da superfície não em (fora de) contato com a primeira camada condutora.
[0041] As partículas condutoras são ligadas umas para as outras, e os grãos são ligados para as partículas condutoras durante o primeiro tratamento térmico. Preferivelmente, o primeiro tratamento térmico da estrutura é desempenhado em um ambiente não oxidante. A maior parte dos grãos é preferivelmente disposta em uma distância uns a partir dos outros, e não são ligados uns para os outros durante o primeiro tratamento térmico e, em conseqüência disso, remanescem grãos individuais. Adequadamente, os grãos são feitos de silício, as partículas condutoras são feitas de metal ou de uma liga de metal, e os limites entre as partículas condutoras e os grãos compreendem liga de silício de metal ou siliceto de metal. Por conseqüência, o contato elétrico entre os grãos e as partículas condutoras é aperfeiçoado.
[0042] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o tamanho médio dos grãos é maior do que 1 μm, preferivelmente maior do que 10 μm, e o mais preferivelmente maior do que 20 μm. Por conseqüência, as superfícies dos grãos são grandes e por isso sua habilidade para absorver luz é grande. Se os grãos são excessivamente pequenos, sua habilidade para absorver luz é reduzida.
[0043] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o tamanho médio dos grãos é de menos do que 300 μm, preferivelmente de menos do que 80 μm, e o mais preferivelmente de menos do que 50 μm. Grãos excessivamente grandes podem perder em eficiência devida para o fato da distância para as interfaces de condutor de grão/de carga.
[0044] O tamanho médio dos grãos é adequadamente entre 1 μm e 300 μm. O tamanho médio dos grãos é preferivelmente entre 10 μm e 80 μm, e o mais preferivelmente o tamanho médio dos grãos é entre 20 μm - 50 μm. Esta concretização da presente invenção proporciona um método para produção de um dispositivo fotovoltaico fino com alta eficiência. Devido para o fato da monocamada de grãos, a espessura da camada de absorção de luz depende do tamanho dos grãos. Uma bolacha de silício é tipicamente de cerca de 150 μm - 200 μm. A camada de absorção de luz em concordância com a presente invenção pode ser feita mais fina e mais flexível do que a camada de absorção de luz de uma célula solar tradicional. A camada de absorção de luz em concordância com a presente invenção pode, por exemplo, ser feita de cerca de 40 μm - 80 μm, se grãos possuindo um tamanho entre 40 μm - 80 μm são utilizados.
[0045] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o método compreende deposição de uma tinta incluindo um pó de referidos grãos sobre a primeira camada condutora. A camada de absorção de luz pode adequadamente ser fabricada por deposição de uma tinta incluindo os grãos em cima da primeira camada condutora. A tinta pode ser depositada em qualquer padrão adequado sobre a superfície. O material condutor de carga é, então, depositado sobre a superfície livre dos grãos. A tinta pode, por exemplo, ser depositada por impressão ou por pulverização.
[0046] Em concordância com uma concretização da presente invenção, os grãos são depositados sobre a primeira camada condutora por intermédio de pulverização eletrostática. Pulverização eletrostática utilizando pó seco consistindo de grãos se provou ser particularmente adequada para proporcionar monocamadas finas de grãos sobre a primeira camada condutora.
[0047] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o método compreende oxidação dos grãos antes de desempenho do primeiro tratamento térmico da estrutura em um ambiente não oxidante. A oxidação proporciona a superfície dos grãos com uma camada de óxido protetiva, que protege os grãos a partir de contaminação durante o primeiro tratamento térmico. O primeiro tratamento térmico é, por exemplo, realizado em uma fornalha a vácuo e partículas a partir da fornalha podem provocar contaminação dos grãos.
[0048] Em concordância com uma concretização da presente invenção, os grãos são feitos de silício dopado. Silício é um material barato, ambientalmente amigável e estável com alta eficiência de conversão. Silício possui uma alta habilidade para absorver luz, o que conduz para alta eficiência da camada de absorção de luz. O silício pode ser um tipo cristalino, puro, de classe solar, com um baixo grau de impurezas ou grãos policristalinos. O silício pode ser do tipo n dopado ou do tipo p dopado.
[0049] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o método compreende desempenho de uma primeira gravação dos grãos de silício para formar planos piramidais {111} sobre os grãos antes de revestimento da primeira camada condutora com os grãos. A gravação pode, por exemplo, ser feita utilizando hidróxido de potássio (KOH). A primeira gravação proporciona grãos predominantemente possuindo planos piramidais {111} expostos na superfície dos grãos. O condutor de carga está em contato com os planos piramidais {111} dos grãos. Isto provoca aprisionamento de luz, o que significa que a luz é refletida diversas vezes nas superfícies, e por isso a absorção de luz dos grãos é aumentada. Na medida em que os grãos irão mostrar uma multitude de ângulos em direção da luz incidente, a eficiência do dispositivo fotovoltaico não depende criticamente do ângulo de incidência da luz com respeito para a camada, como é o caso com bolachas de silício planares. Por conseqüência, as perdas ópticas são reduzidas comparadas com uma bolacha de silício planar.
[0050] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o método compreende desempenho de uma segunda gravação dos grãos depois do desempenho do segundo tratamento térmico e antes da aplicação do material condutor de carga em cima das superfícies dos grãos. A segunda gravação pode, por exemplo, ser feita utilizando fluoreto de hidrogênio (HF). A segunda gravação dos grãos proporciona limpeza das superfícies dos grãos antes da aplicação do material condutor de carga, o que aperfeiçoa o contato elétrico entre os grãos e o material condutor de carga.
[0051] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o material condutor de carga é qualquer de um polímero condutor, de um material inorgânico e de um material de metal-orgânico. Adequadamente, o condutor de carga é poli (3,4-etilenodioxitiofeno) - poli (estireno sulfonato) chamado de PEDOT:PSS. PEDOT:PSS é um polímero condutor de buraco altamente condutor. O condutor de carga pode também ser feito de um material inorgânico, ou de um material de metal-orgânico.
[0052] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o condutor de carga é feito de PEDOT:PSS e os grãos são feitos de silício dopado. Silício n dopado é para ser preferido juntamente com PEDOT, na medida em que PEDOT é um condutor de buraco. O dopante do silício n dopado é, por exemplo, fósforo. PEDOT:PSS funciona bem juntamente com silício e juntamente os mesmos podem conseguir uma alta eficiência de conversão de luz para energia elétrica.
[0053] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a aplicação de material condutor de carga em cima da superfície dos grãos compreende aplicação de uma solução baseada em líquido contendo partículas do material condutor de carga em cima da superfície dos grãos, no interior dos poros da primeira camada condutora, e no interior dos poros do substrato isolante, e secagem da estrutura de maneira tal que uma camada de condutor de carga sólido é depositada sobre os grãos e um condutor de carga sólido é depositado no interior dos poros da primeira camada condutora e no interior dos poros do substrato isolante.
[0054] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a etapa de formação de uma primeira camada condutora porosa sobre uma lateral do substrato isolante poroso compreende deposição de uma tinta incluindo partículas condutoras sobre uma lateral do substrato isolante poroso. A deposição pode, por exemplo, ser feita por impressão ou por pulverização.
[0055] As partículas condutoras são pelo menos parcialmente cobertas com um óxido isolante durante o segundo tratamento térmico. As partes das superfícies das partículas condutoras, que não estão em contato com os grãos, são cobertas com óxido. O óxido proporciona uma camada protetiva e eletricamente isolante sobre as partículas, o que previne que elétrons ou buracos venham a ser transferidos entre a camada condutora e o condutor de carga, e em conseqüência disso, previne curto circuito entre a camada condutora e o condutor de carga.
[0056] Em concordância com uma concretização da presente invenção, as partículas condutoras são feitas de titânio ou de uma liga do mesmo. Titânio é um material adequado para ser utilizado na camada condutora devido para o fato de sua habilidade para resistir à corrosão e devido para o fato de que titânio pode formar um bom contato elétrico para silício. Uma camada de óxido de titânio é formada sobre as partículas de titânio durante o segundo tratamento térmico. O óxido de titânio proporciona uma camada de óxido protetiva sobre as partículas de titânio, o que previne curto circuito entre a primeira camada condutora e o condutor de carga.
[0057] Em concordância com uma concretização da presente invenção, as partículas condutoras compreendem titânio, os grãos compreendem silício dopado, e o silício dos grãos e o titânio das partículas reagem e formam siliceto de titânio nos limites entre os grãos e as partículas durante o primeiro tratamento térmico. Por conseqüência, siliceto de titânio é formado nos titânio entre os grãos e a primeira camada condutora durante o primeiro tratamento térmico. Siliceto de titânio possui boas propriedades condutoras elétricas. Devido para o fato de que os limites entre os grãos e a primeira camada condutora compreendem siliceto de titânio, o contato elétrico entre os grãos e a primeira camada condutora é aperfeiçoado. Siliceto de titânio pode existir em diversas variações, por exemplo, TiSi2, TiSi, Ti5Si4, Ti5Si3, Ti3Si. Adequadamente, os limites entre os grãos e a primeira camada condutora compreendem TiSi2. TiSi2 existe em duas variações: C49- TiSi2 e C54- TiSi2.
[0058] Em concordância com uma concretização da presente invenção, as partículas condutoras são feitas de alumínio ou de uma liga do mesmo. Adequadamente, as partículas condutoras compreendem alumínio, e as partes das superfícies das partículas condutoras, que não estão em contato com os grãos, são cobertas com óxido, tal como óxido de alumínio durante o segundo tratamento térmico.
[0059] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o método compreende aplicação de uma pressão sobre a camada de grãos de maneira tal que porções dos grãos se projetam para a primeira camada condutora porosa depois do revestimento da primeira camada condutora e antes do desempenho do primeiro tratamento térmico da estrutura. Devido para o fato de que porções inferiores dos grãos são projetadas para a primeira camada condutora porosa, as áreas das superfícies de contato entre os grãos e a camada condutora porosa são aumentadas. Por aumento da área de contato, a ligação (aglutinação) entre os grãos e a camada condutora porosa é facilitada. A área de contato aumentada adicionalmente conduz para um contato elétrico aperfeiçoado entre os grãos e a camada condutora. Por exemplo, os grãos são ligados para a camada condutora porosa por intermédio de sinterização.
[0060] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o substrato isolante poroso é um substrato baseado em microfibra de vidro poroso.
[0061] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o primeiro tratamento térmico compreende tratamento por calor da estrutura em vácuo com uma temperatura acima de 550 0C durante pelo menos duas horas.
[0062] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o condutor de carga compreende partículas feitas de um material semicondutor de um diferente tipo de dopagem do que aquele dos grãos. Por conseqüência, uma pluralidade de junções, onde elétrons foto-excitados e buracos são separados, é formada nas interfaces entre os grãos e as partículas. Por exemplo, as junções são junções PN.
[0063] O substrato isolante é disposto entre a primeira camada condutora e a segunda camada condutora para eletricamente isolar a primeira camada condutora e a segunda camada condutora. O condutor de carga é eletricamente acoplado para a segunda camada condutora e eletricamente isolado a partir da primeira camada condutora. O condutor de carga pode ser diretamente ou indiretamente eletricamente conectado para a segunda camada condutora. A camada de absorção de luz é disposta sobre a primeira camada condutora. Por conseqüência, a primeira camada condutora e a segunda camada condutora são colocadas sobre a parte traseira da camada de absorção de luz. Uma vantagem com esta concretização da presente invenção é a de que a mesma possui um contato traseiro. Ao invés de utilização de grades e cabos de coleta de corrente sobre a parte frontal da camada de absorção de luz, que se volta para o sol, a primeira camada condutora e a segunda camada condutora são dispostas sobre uma parte traseira da camada de absorção de luz. Por conseqüência, não existe nenhum sombreamento da camada de absorção de luz e eficiência aumentada é conseguida. Uma outra vantagem com esta concretização da presente invenção é a de que a primeira camada condutora é disposta entre a camada isolante e a camada de absorção de luz. Por conseqüência, as camadas condutoras do dispositivo fotovoltaico não devem ser transparentes, e podem ser feitas de um material de alta condutividade, o que aumenta a capacidade de manipulação de corrente e assegura alta eficiência do dispositivo fotovoltaico. Um primeiro contato pode ser eletricamente acoplado para a primeira camada condutora, e um segundo contato pode ser eletricamente acoplado para a segunda camada condutora. Por conseqüência, o primeiro contato é eletricamente acoplado para o material semicondutor dopado da camada de absorção de luz, e o segundo contato é eletricamente acoplado para o condutor de carga. O primeiro contato e o segundo contato podem ser dispostos sobre as bordas do dispositivo fotovoltaico, ao invés de sobre uma parte frontal. Por conseqüência, não existe nenhum sombreamento da camada de absorção de luz e eficiência aumentada é conseguida.
[0064] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o método compreende formação de uma segunda camada condutora porosa sobre uma lateral oposta do substrato isolante poroso, e a etapa de aplicação de um material condutor de carga em cima da superfície dos grãos compreende aplicação do material condutor de carga no interior dos poros da segunda camada condutora. Por exemplo, a segunda camada condutora porosa é formada por deposição de uma tinta incluindo partículas condutoras sobre a lateral oposta do substrato isolante poroso. A primeira camada condutora e a segunda camada condutora e o substrato isolante podem ser feitos porosa/os para a extensão em que o material transportador de carga pode penetrar através da estrutura e ser conectado com a segunda camada condutora. De maneira tal a excluir curtos-circuitos entre a primeira camada condutora e a segunda camada condutora e recombinação de buracos e elétrons, a primeira camada condutora deveria ser isolada a partir do material condutor de carga por intermédio da camada de óxido isolante. Os grãos são indiretamente eletricamente conectados para a segunda camada condutora por intermédio do condutor de carga, e possivelmente por intermédio de outras camadas do dispositivo fotovoltaico. Por conseqüência, cada grão na camada de absorção de luz é diretamente ou indiretamente conectado para a primeira camada condutora e para a segunda camada condutora e forma um circuito elétrico fotovoltaico.
[0065] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a etapa de formação de camadas eletricamente isolantes sobre as superfícies da primeira camada condutora compreende desempenho de um segundo tratamento térmico da estrutura em um ambiente oxidante para formar camadas de óxido isolantes sobre as superfícies disponíveis da primeira camada condutora. O método compreende desempenho de um segundo tratamento térmico da estrutura em um ambiente oxidante. O segundo tratamento térmico da estrutura produz um óxido isolante sobre a primeira camada condutora, que eletricamente isola o condutor de carga a partir da primeira camada condutora.
[0066] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a etapa de formação de camadas eletricamente isolantes sobre as superfícies da primeira camada condutora compreende deposição de um revestimento isolante em cima das superfícies disponíveis da primeira camada condutora. Ao invés de utilização do segundo tratamento térmico da estrutura em um ambiente oxidante, é possível depositar um fino revestimento isolante em cima da superfície disponível da primeira camada condutora, por exemplo, por impressão. Por impressão de uma determinada quantidade de uma tinta contendo material isolante sobre a primeira camada condutora é possível preencher os poros na primeira camada condutora com tinta. Por evaporação do solvente da tinta, material isolante na tinta é depositado em cima da superfície interna e da superfície externa disponíveis da primeira camada condutora. O revestimento de tinta seco pode ser aquecido para criar um revestimento isolante que adere para a superfície disponível da primeira camada condutora.
[0067] Ao invés de utilização do segundo tratamento térmico da estrutura em um ambiente oxidante é possível depositar um fino revestimento isolante em cima da superfície disponível da primeira camada condutora por impressão. Por impressão de uma determinada quantidade de uma tinta contendo material isolante sobre a primeira camada condutora é possível preencher os poros na primeira camada condutora com tinta. Por evaporação do solvente da tinta, material isolante na tinta é depositado em cima da superfície interna e da superfície externa disponível da primeira camada condutora. O revestimento de tinta seca pode ser aquecido para criar um revestimento isolante que adere para a superfície disponível da primeira camada condutora. O revestimento pode ser poroso e alternativamente o mesmo pode ser compacto. O revestimento pode consistir, por exemplo, de TiO2, Al2O3, ZrO2, aluminossilicato, SiO2 ou de outros materiais eletricamente isolantes ou de combinação ou de misturas de materiais. De maneira tal a adicionalmente aperfeiçoar o isolamento elétrico entre a primeira camada condutora e o material condutor de carga é possível combinar as etapas anteriormente mencionadas por em primeiro lugar desempenho de um segundo tratamento térmico da estrutura em um ambiente oxidante para formar camadas de óxido isolante sobre as superfícies disponíveis da primeira camada condutora, e então, deposição de um fino revestimento isolante sobre as camadas de óxido da primeira camada condutora.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0068] A presente invenção irá agora ser explanada mais precisamente, em maiores detalhes, e se tornar aparente e elucidada, pela descrição de diferentes concretizações da presente invenção e com referência para os Desenhos das Figuras acompanhantes. Nos Desenhos das Figuras acompanhantes:
[0069] A Figura 1 mostra um exemplo de uma camada de absorção de luz em concordância com uma primeira concretização da presente invenção;
[0070] A Figura 2 mostra esquematicamente uma seção transversal através de um dispositivo fotovoltaico em concordância com uma primeira concretização da presente invenção;
[0071] A Figura 3 mostra uma vista ampliada de uma parte do dispositivo fotovoltaico que é mostrado na Figura 2;
[0072] A Figura 4 mostra esquematicamente uma seção transversal através de um dispositivo fotovoltaico em concordância com uma segunda concretização da presente invenção;
[0073] A Figura 5 mostra um fluxograma de uma exemplificação de um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico em concordância com a presente invenção;
[0074] A Figura 6 mostra um fluxograma de uma exemplificação de um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico em concordância com uma primeira concretização da presente invenção;
[0075] A Figura 7 mostra um fluxograma de uma exemplificação de um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico em concordância com uma segunda concretização da presente invenção; e:
[0076] A Figura 8 mostra um fluxograma de uma exemplificação de um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico em concordância com uma terceira concretização da presente invenção.
[0077] Os Desenhos das Figuras acompanhantes são unicamente representações esquemáticas / diagramáticas e a presente invenção não é limitada para as concretizações exemplificativas preferidas neles representadas.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS DA INVENÇÃO
[0078] A Figura 1 mostra um desenho esquemático de uma camada de absorção de luz (1a) produzida com um método em concordância com a presente invenção. A camada de absorção de luz (1a) compreende uma pluralidade de grãos (2) feitos de um material semicondutor dopado, e de um condutor de carga elétrica (3) em contato físico e elétrico com os grãos (2). Uma junção (4) é formada na área de contato entre o condutor de carga (3) e os grãos (2). Os grãos (2) são parcialmente cobertos com o condutor de carga (3) de maneira tal que uma pluralidade de junções (4) é formada entre os grãos (2) e o condutor de carga (3). Preferivelmente, pelo menos 50% da superfície dos grãos (2) é coberta com o condutor de carga (3).
[0079] O material semicondutor dos grãos (2) possui a habilidade para absorver fótons, que excitam elétrons a partir de uma faixa de valência para uma faixa de condução e por isso criam pares de elétron-buraco no material semicondutor. Adequadamente, o material semicondutor é silício. Entretanto, outro material semicondutor pode também ser utilizado, tal como CdTe, CIGS, CIS, GaAs ou perovskita. Preferivelmente, o tamanho médio dos grãos (2) é entre 1 μm e 300 μm, e tipicamente, o tamanho médio dos grãos (2) é entre 20 μm e 100 μm.
[0080] O condutor de carga (3) é feito de um material sólido, isto é, não líquido, e pode ser um condutor de buraco ou um condutor de elétron. Se os grãos são n dopados, o condutor de carga (3) preferivelmente é um condutor de buraco, e se os grãos são p dopados, o condutor de carga (3) preferivelmente é um condutor de elétron. O condutor de carga (3) é feito de um material condutor de carga, por exemplo, um material semicondutor dopado, tal como silício, ou um material condutor orgânico, tal como um polímero condutor. Vários polímeros transparentes, condutors, com suficiente condutividade podem ser utilizados para este propósito. Um exemplo de um polímero condutor de buraco adequado para ser utilizado em combinação com grãos de silício é poli (3,4- etilenodioxitiofeno) - poli (estireno sulfonato) (PEDOT:PSS). PEDOT:PSS é uma mistura de polímeros de dois ionômeros. Outros exemplos de material adequado para o condutor de carga (3) são polianilina, P3HT e Spiro-OMeTAD. Se um condutor de polímero é utilizado, o condutor de carga compreende uma pluralidade de partículas feitas de um polímero ou de misturas de polímeros. As partículas do condutor de carga parcialmente cobrem a superfície dos grãos. As junções (4) possuem a habilidade para proporcionar separação dos pares de elétrons foto-excitados e buracos. Dependendo dos materiais dos grãos e do condutor de carga, as junções são homo junções, tais como p-n- junções, ou hetero junções.
[0081] Uma homo junção é uma interface entre materiais semicondutores similares. Estes materiais possuem aberturas de banda iguais, mas tipicamente possuem diferente dopagem. Por exemplo, uma homo junção ocorre na interface entre um semicondutor n dopado e p dopado, uma assim chamada junção PN.
[0082] Uma hetero junção é a interface entre quaisquer dois materiais de estado sólido, incluindo estruturas cristalinas e amorfas de metálicos, isolantes, rápidos, íon condutor e materiais semicondutores. Os dois materiais de estado sólido podem ser feitos de uma combinação de dois materiais inorgânicos ou uma combinação de dois materiais orgânicos ou uma combinação de um material inorgânico e um material orgânico.
[0083] Os grãos (2) são essencialmente uniformemente distribuídos na camada de absorção de luz, e o condutor de carga (3) é localizado sobre os grãos e no espaço entre os grãos. O tamanho e a configuração dos grãos (2) podem variar. A camada de absorção de luz (1a) é aplicada para uma camada condutora (8). Por exemplo, a camada (8) é uma camada condutora. Os grãos (2) estão em contato físico e bem como em contato elétrico com a camada (8). Uma porção inferior dos grãos pode se projetar para a camada condutora (8).
[0084] No exemplo que é mostrado na Figura 3, o condutor de carga (3) é um condutor orgânico. O condutor de carga (3) é disposto sobre as superfícies dos grãos (2) de maneira tal que uma camada condutora de carga (6) venha a ser formada. Por conseqüência, a superfície de cada um dos grãos (2) é parcialmente coberta com o material condutor de carga (3). Preferivelmente, a camada condutora de carga (6) possui uma espessura entre 10 nm e 200 nm. Tipicamente, a camada condutora de carga (6) possui uma espessura entre 50 nm e 100 nm. O condutor de carga (3) é disposto entre os grãos (2) de maneira tal que os grãos (2) são ligados uns para os outros por intermédio do condutor de carga (3). Por conseqüência, o condutor de carga (3) aumenta a resistência mecânica da camada de absorção de luz. A camada condutora de carga (6) é uma monocamada. Cada um dos grãos possui uma superfície superior voltando-se para a luz incidente e uma superfície inferior em contato direto físico e elétrico com a camada condutora (8). A superfície superior dos grãos é integralmente ou pelo menos parcialmente coberta com o condutor de carga (3), e a superfície inferior é livre a partir do condutor de carga (3) para possibilitar contato elétrico com a camada condutora (8).
[0085] A Figura 2 mostra esquematicamente uma seção transversal através de um exemplo de um dispositivo fotovoltaico (10) produzido com um método em concordância com uma concretização da presente invenção. Nesta concretização da presente invenção, o dispositivo fotovoltaico (10) é uma célula solar. A Figura 3 mostra uma vista ampliada de uma parte do dispositivo fotovoltaico (10). O dispositivo fotovoltaico (10) compreende a camada de absorção de luz (1a) incluindo os grãos (2) e o condutor de carga (3) como é mostrado na Figura 1, uma primeira camada condutora (16) em contato elétrico com os grãos (2) da camada de absorção de luz (1a), uma segunda camada condutora (18) eletricamente acoplada para o condutor de carga (3), e uma camada isolante (20) disposta entre a primeira camada condutora (16) e a segunda camada condutora (18), para eletricamente isolar a primeira camada condutora (16) e a segunda camada condutora (18). A camada de absorção de luz (1a) é posicionada sobre uma lateral de topo do dispositivo fotovoltaico (10). A lateral de topo deveria se voltar para o sol para possibilitar que a luz do sol venha a atingir os grãos (2) e gerar elétrons foto- excitados. A primeira camada condutora (16) serve como um contato traseiro que extrai elétrons foto-gerados a partir da camada de absorção de luz (1a). A camada de absorção de luz (1a) é disposta sobre a primeira camada condutora (16). Por conseqüência, a distância que os elétrons excitados e/ou os buracos necessitam para se deslocar até que venham a ser coletados é curta. Um primeiro contato (12) é eletricamente conectado para a primeira camada condutora (16), e um segundo contato (14) é eletricamente conectado para a segunda camada condutora (18). Uma carga (L) é conectada entre os contatos (12, 14). A primeira e a segunda camadas condutoras (16, 18) são adequadamente camadas de metal feitas de metal ou de liga de metal, por exemplo, titânio, ou alumínio, ou uma liga dos mesmos.
[0086] O dispositivo (10) adicionalmente compreende uma pluralidade de caminhos condutores de carga (22) de um material condutor de carga disposto entre a camada de absorção de luz (1a) e a segunda camada condutora (18) para possibilitar que cargas, isto é, buracos ou elétrons, venham a se deslocar a partir da camada de absorção de luz (1a) para a segunda camada condutora (18). Os caminhos condutores (22) são adequadamente, mas não necessariamente, feitos do mesmo material como aquele das camadas condutoras de carga (6) sobre os grãos. Nesta concretização da presente invenção, o condutor de carga (3) forma as camadas (6) sobre os grãos e bem como os caminhos condutores (22). Os caminhos condutores (22) penetram através da primeira camada condutora (16) e da camada isolante (20). Adequadamente, a primeira camada condutora (16) e a camada isolante (20) são porosas para possibilitar que o condutor de carga (3) venha a penetrar através da primeira camada condutora (16) e da camada isolante (20) para formar os caminhos condutores (22) para a segunda camada condutora (18). O condutor de carga (3) pode ser acomodado em poros da primeira camada condutora (16), e em poros da camada isolante (20). Em uma concretização da presente invenção, a segunda camada condutora (18) pode ser porosa e o condutor de carga (3) pode ser acomodado em poros da segunda camada condutora (18).
[0087] A camada isolante (20) pode compreender um substrato isolante poroso. Por exemplo, o substrato isolante poroso é feito de uma microfibra de vidro ou de uma microfibra de cerâmica. A primeira camada condutora (16) é disposta sobre uma lateral superior do substrato isolante poroso, e a segunda camada condutora (18) é disposta sobre uma lateral inferior do substrato isolante poroso. A camada de absorção de luz (1a) é disposta sobre a primeira camada condutora (16).
[0088] A Figura 3 mostra uma parte ampliada da camada de absorção de luz (1a) e da primeira camada condutora (16). Nesta concretização da presente invenção, a primeira camada condutora (16) compreende uma pluralidade de partículas condutoras (24) feitas de um material condutor. As partículas condutoras (24) são adequadamente partículas de metal feitas de metal ou de liga de metal, por exemplo, titânio ou alumínio ou uma liga dos mesmos. As partículas condutoras (24) da primeira camada condutora (16) estão em contato físico e elétrico umas com as outras. Os grãos (2) estão em contato físico e elétrico com algumas das partículas condutoras (24) da primeira camada condutora (16). Preferivelmente, os grãos (2) possuem um tamanho de menos do que 100 μm de maneira tal a proporcionar uma suficiente área de contato entre os grãos (2) e as partículas condutoras (24) da primeira camada condutora (16). Os grãos (2) possuem uma porção superior voltando-se para fora a partir do dispositivo fotovoltaico e uma porção inferior em contato físico com as partículas condutoras (24) da primeira camada condutora (16). As porções superiores dos grãos (2) são cobertas com as camadas condutoras (6) do condutor de carga (3).
[0089] Os grãos são preferivelmente feitos de silício dopado, e uma zona de contato físico entre os grãos de silício (2) e as partículas condutoras (24) da primeira camada condutora consiste de uma camada (26) de liga de metal-silício ou siliceto de metal de maneira tal a proporcionar bom contato elétrico entre os grãos (2) e as partículas condutoras (24). Por exemplo, os grãos (2) são feitos de silício (Si) e as partículas condutoras (24) são feitas de titânio (T), ou pelo menos parcialmente compreendem titânio, e os limites entre os grãos (2) e as partículas condutoras (24) compreendem uma camada (26) de siliceto de titânio, que proporciona bom contato elétrico entre Si e Ti.
[0090] Devido para o fato de que a primeira camada condutora (16) é formada por uma pluralidade de partículas condutoras (24) ligadas umas para as outras, cavidades são formadas entre as partículas. Por conseqüência, a primeira camada condutora (16) possibilita que o condutor de carga (3) venha a se estender através da primeira camada condutora (16) para formar a pluralidade de caminhos condutores de carga (22). O condutor de carga (3) é acomodado em algumas das cavidades formadas entre as partículas condutoras (24) na primeira camada condutora (16).
[0091] De maneira tal a evitar contato elétrico entre a primeira camada condutora (16) e os caminhos condutores (22) do condutor de carga (3), as partículas condutoras (24) são pelo menos parcialmente cobertas com uma camada isolante (28) de um material isolante, por exemplo, um óxido isolante. Preferivelmente, as partes das superfícies das partículas condutoras (24), que não estão em contato com os grãos (2) ou com as outras partículas condutoras (24) na camada, são cobertas com a camada isolante (28). Os caminhos condutores de carga (22) do condutor de carga (3) estão em contato com as camadas isolante (28) sobre as partículas (24), como é mostrado na Figura 3. Uma camada de óxido de metal isolante é, por exemplo, formada por oxidação das partículas condutoras (24) durante fabricação do dispositivo fotovoltaico (10). A camada isolante (28) de óxido de metal proporciona uma camada protetiva e eletricamente isolante sobre as partículas, o que previne que cargas venham a ser transferidas entre a primeira camada condutora (16) e o condutor de carga (3), e em conseqüência disso, previne curto circuito entre a primeira camada condutora (16) e o condutor de carga (3). Por exemplo, se as partículas condutoras compreendem titânio, as partes das superfícies das partículas de titânio, que não estão em contato com os grãos, são cobertas com óxido de titânio (TIO2). Por exemplo, se as partículas condutoras compreendem alumínio, as partes das superfícies das partículas condutoras, que não estão em contato com os grãos, são cobertas com óxido de alumínio (Al2O3).
[0092] A segunda camada condutora (18) pode também compreender partículas condutoras. As partículas condutoras da segunda camada condutora (18) são adequadamente partículas de metal feitas de metal ou de liga de metal, por exemplo, titânio, alumínio ou uma liga dos mesmos. Neste exemplo, as partículas condutoras (não mostradas) da segunda camada condutora (18) são feitas de alumínio, e as partículas de alumínio não são cobertas com qualquer camada isolante, e em concordância com isso, o condutor de carga (3) é possibilitado a estar em contato elétrico com as partículas condutoras da segunda camada condutora (18). As partículas condutoras das camadas condutoras (16, 18) são sinterizadas para formar as camadas condutoras. As partículas condutoras em cada uma das camadas condutoras (16, 18) estão em contato elétrico umas com as outras para formar uma camada condutora. Entretanto, existe também espaço entre as partículas condutoras para acomodar o condutor de carga (3). As junções (4) sobre os grãos (2) da camada de absorção de luz estão em contato elétrico com os caminhos condutores de carga (22) de material condutor de carga, que estão em contato elétrico com partículas condutoras na segunda camada condutora (18).
[0093] A Figura 4 mostra esquematicamente uma seção transversal através de uma parte de um dispositivo fotovoltaico (30) em concordância com uma segunda concretização da presente invenção. O dispositivo fotovoltaico (30) é uma célula solar. Na Figura 4, a mesma parte e correspondentes partes são simbolizadas pelos mesmos numerais de referência como nas Figuras 1 - 3. A Figura 4 é uma vista esquemática muito simplificada da arquitetura do dispositivo fotovoltaico. Neste exemplo, os grãos (2) são feitos de silício n dopado, a primeira camada condutora e a segunda camada condutora incluem partículas condutoras (24, 25) feitas de titânio, e o condutor decarga (3) é um polímero condutor de buraco. Neste exemplo, o polímero condutor de buraco é PEDOT:PSS, a seguir simbolizado PEDOT. PEDOT é um condutor de buraco e transporta buracos para a segunda camada condutora (18). Os grãos de silício n dopados são condutores de elétrons e elétrons de transporte para a primeira camada condutora (16). A primeira camada condutora, então, transporta os elétrons para a segunda camada condutora por intermédio de um circuito elétrico externo. Os grãos (2) são, por exemplo, feitos de silício cristalino. Os grãos de silício podem possuir predominantemente planos {111} expostos na superfície. Ao invés de mostrar muitos grãos de silício (2) e muitas partículas condutoras de titânio (24, 25), somente dois grãos de silício (2) e duas partículas condutoras de titânio (24, 25) em cada uma das camadas condutoras (16, 18) são mostrado/as. É para ser compreendido que a célula solar real contém muitos milhares ou até mesmo milhões de grãos (2) repousando próximos uns para os outros na camada de absorção de luz. Mas duas partículas é o número mínimo necessitado para demonstrar a arquitetura e o princípio de funcionamento da célula solar.
[0094] O dispositivo fotovoltaico (30) compreende uma camada isolante (20) na forma de um substrato isolante poroso, uma primeira camada condutora (16) disposta sobre uma lateral da camada isolante, uma segunda camada condutora (18) disposta sobre a lateral oposta da camada isolante, e uma camada de absorção de luz (1a) disposta sobre a primeira camada condutora (16) e em contato elétrico com a primeira camada condutora (16). As camadas condutoras (16, 18) são conectadas para uma carga elétrica externa (32). A primeira camada condutora (16) e a segunda camada condutora (18) são separadas fisicamente e eletricamente pela camada isolante (20). Uma camada (26) de siliceto de titânio (TiSi2) é formada entre os grãos de silício (2) da camada de absorção de luz (1a) e as partículas condutoras de titânio (24) da primeira camada condutora (16). Os grãos de silício (2) da camada de absorção de luz (1a) são ligados para as partículas de titânio. As partículas condutoras de titânio (24) na primeira camada condutora (16) estão em contato físico e elétrico umas com as outras, e as partículas condutoras de titânio (25) na segunda camada condutora (18) estão em contato físico e elétrico umas com as outras.
[0095] As partículas de titânio nas camadas condutoras (16, 18) são parcialmente cobertas por camadas isolantes (28) de óxido de titânio isolante (TiO2). As partes das superfícies das partículas condutoras de titânio (24), que estão em contato com os grãos (2) ou com as outras partículas condutoras (24) na camada, não são cobertas com óxido de titânio. Uma zona (38) entre a camada de absorção de luz (1a) e a primeira camada condutora (16) compreende óxido de titânio (TiO2) e óxido de silício (SiO2).
[0096] O dispositivo fotovoltaico (30) difere a partir do dispositivo fotovoltaico (10) que é mostrado na Figura 2 em que o mesmo compreende um sítio de conexão (34) eletricamente acoplado para a segunda camada condutora (18) e eletricamente isolado a partir da primeira camada condutora (16). O sítio de conexão (34) pode compreender uma camada de metal. Neste exemplo, o sítio de conexão (34) compreende uma camada feita de prata (Ag). É adequado utilizar prata, na medida em que a prata proporciona bom contato elétrico tanto com titânio e quanto com PEDOT. Uma outra vantagem com a utilização de prata é a de que a prata previne formação de óxido sobre as partículas de titânio (25) da segunda camada condutora (18) na área de contato entre as partículas de titânio e o sítio de conexão (34). Ao invés disso, uma camada (36) de titânio prata (AgTi) é formada entre as partículas de titânio (25) da segunda camada condutora (18) e o sítio de conexão (34). Por conseqüência, o PEDOT pode formar um bom baixo contato ôhmico com prata e a prata pode formar um bom baixo contato ôhmico com titânio por intermédio do AgTi. Conseqüentemente, PEDOT pode contatar o titânio indiretamente por intermédio da prata e do AgTi. Outros materiais podem ser utilizados no sítio de conexão (34), por exemplo, materiais baseados em carbono, tais como grafite ou carbono amorfo.
[0097] O condutor de carga (3) é disposto em contato físico e elétrico com os grãos (2) da camada de absorção de luz (1a). O condutor de carga (3) é também disposto em contato elétrico com o sítio de conexão (34), que é eletricamente acoplado para a segunda camada condutora (18). Nesta concretização da presente invenção, o condutor de carga (3) é eletricamente isolado a partir da primeira camada condutora (16) e da segunda camada condutora (18) por intermédio das camadas isolantes (28) sobre as partículas condutoras (24, 25). O condutor de carga (3) cobre uma parte principal dos grãos (2), e se estende através da primeira camada condutora (16), da camada isolante (20), e da segunda camada condutora (18), como é mostrado na Figura 4. O condutor de carga (3) está em contato com as camadas de óxido (28) sobre as partículas na primeira camada condutora e na segunda camada condutora. O condutor de carga (3) é eletricamente isolado a partir das partículas condutoras (24, 25), e em concordância com isso, a partir da primeira camada condutora e da segunda camada condutora por intermédio do óxido isolante (28). O condutor de carga (3) está em contato físico e elétrico com o sítio de conexão (34). O condutor de carga (3) está indiretamente em contato físico e elétrico com as partículas de titânio (25) por intermédio do sítio de conexão (34). Por conseqüência, o sítio de conexão (34) serve para o propósito de se ter certeza de que o condutor de carga (3) pode transferir buracos para as partículas de titânio (25) da segunda camada condutora. O dispositivo fotovoltaico pode também compreender um invólucro ou outro recurso para inclusão do dispositivo fotovoltaico.
[0098] A seguir, é descrita uma explanação etapa por etapa de como a célula solar apresentada na Figura 4 funciona:
[0099] Etapa 1. Um fóton cria um par de elétron excitado - buraco no interior dos grãos (2). Neste exemplo, o condutor de carga (3) é PEDOT, o grão (2) é feito de silício, e a interface (40) é uma interface feita de PEDOT - silício.
[0100] Etapa 2. O elétron excitado então, se desloca através dos grãos (2) e através da zona (26) de interface de metal de silício e adentra para a partícula condutora (24). Neste exemplo, a partícula condutora (24) é uma partícula de Ti e a camada (26) compreende TiSi2. Por conseqüência, o elétron passa a interface de Si - TiSi2 — Ti. O buraco excitado, por outro lado, se desloca através da interface (40) para a camada de condutor de carga (3).
[0101] Etapa 3. O elétron na partícula condutora (24) pode, então, ser transferido para partículas vizinhas (24) e, então, ser coletado em um circuito elétrico externo por intermédio de uma carga elétrica externa (32). Neste meio tempo, o buraco se desloca no interior dos caminhos condutores de carga (22) do condutor de carga (3) por todo o caminho para baixo para a camada de prata ôhmica do sítio de conexão (34).
[0102] Etapa 4. Depois de passagem da carga elétrica externa (32), o elétron é transferido para a segunda camada condutora (18). O elétron é, então, transferido para a camada de Ti - TiAg - Ag (36). O buraco no condutor de carga (3) é transferido para a camada de prata do sítio de conexão (34) e se recombina com o elétron no sítio de conexão (34).
[0103] Seis interfaces cruciais podem ser identificadas no exemplo apresentado na Figura 4:
1. Condutor de carga - interface de grão
[0104] Os grãos (2) têm que ser essencialmente livres de óxido de maneira tal a conseguir uma eficiente separação de carga de elétrons e buracos na interface (40) entre os grãos (2) e o condutor de carga (3) para possibilitar geração de alta foto-corrente e de alta foto- voltagem. A espessura de uma camada de óxido sobre os grãos deveria ser somente de uns poucos nanômetros de espessura ou até mesmo mais fina para obtenção de eficiente separação de carga. Nesta concretização da presente invenção, os grãos (2) são feitos de silício dopado, o condutor de carga (3) é feito de PEDOT, e em concordância com isso, a interface (40) é uma interface de PEDOT-Si. O silício tem que ser essencialmente livre de óxido, isto é, nenhum ou muito pouco SiO2 sobre a superfície de Si de maneira tal a conseguir uma eficiente separação de carga de elétrons e de buracos na interface de PEDOT-Si.
2. Partícula condutora - grãos
[0105] Uma camada (26) de siliceto de metal é formada entre os grãos (2) e as partículas condutoras (24) da primeira camada condutora. O siliceto de metal deveria ser de condutividade suficientemente alta para minimizar perdas resistivas quando elétrons são transferidos a partir dos grãos para as partículas condutoras. Nesta concretização da presente invenção, as partículas condutoras são feitas de titânio (Ti), e em concordância com isso, a camada (26) entre os grãos de silício e as partículas de titânio consiste de siliceto de titânio (TiSi2).
3. Condutor de carga - siliceto de metal - óxido
[0106] Para evitar curto circuito, deveria existir uma camada isolante (38) entre o condutor de carga (3), a camada de siliceto de metal (26), e a camada de óxido isolante (28). Nesta concretização da presenteinvenção, a camada isolante (38) consiste de óxido de titânio (TiO2) e de óxido de silício (SiO2). A camada de TiO2 - SiO2 (38) tem que ser suficientemente espessa para conseguir bom isolamento elétrico entre PEDOT e TiSi2. Se a camada de TiO2 - SiO2 (38) é excessivamente fina irá existir curto circuito entre PEDOT e TiSi2 com foto- corrente e foto-voltagem diminuídas como conseqüência.
4. Condutor de carga - partículas condutoras
[0107] De maneira tal a conseguir isolamento entre o condutor de carga (3) e as partículas condutoras (24, 25) da primeira camada condutora e da segunda camada condutora, as partículas condutoras são cobertas com uma camada isolante de óxido (28). Nesta concretização da presente invenção, a camada de óxido isolante (28) consiste de óxido de titânio, tal como TiO2. A camada de óxido de titânio (28) tem que ser suficientemente espessa de maneira tal a conseguir suficiente isolamento elétrico entre o PEDOT e o titânio. Se a camada de óxido de titânio é excessivamente fina, a foto-voltagem e a foto-corrente irão ser diminuídas (abaixadas) devido para o fato de curto- circuito entre PEDOT e titânio.
5. Sítio de conexão - partículas condutoras
[0108] Entre as partículas condutoras (25) da segunda camada condutora e do sítio de condução (34), existe uma camada condutora (36). Nesta concretização da presente invenção, a camada condutora (36) consiste de titânio prata (TiAg). A camada condutora (36) tem que ser espessa o suficiente para proporcionar um bom baixo contato elétrico ôhmico entre as partículas condutoras (25) da segunda camada condutora e o sítio de conexão (34), por exemplo, entre a prata (Ag) e o titânio (Ti).
6. Sítio de conexão - condutor de carga
[0109] O condutor de carga (3) está em contato com o sítio de conexão (34) em uma interface (42). O condutor de carga (3), nesta concretização da presente invenção, PEDOT, deveria cobrir a prata de sítio de conexão (34) suficientemente para evitar perdas resistivas de maneira tal a conseguir foto-corrente máxima.
[0110] A seguir, uma pluralidade de exemplos de métodos para fabricação do dispositivo fotovoltaico (10, 30) irá ser apresentada.
[0111] A Figura 5 mostra um fluxograma de um exemplo de um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico em concordância com a presente invenção. As sete etapas do fluxograma na Figura 5 irão ser explanadas em maiores detalhes a seguir. Pelo menos algumas das etapas podem ser desempenhadas em uma diferente ordem.
[0112] Etapa 1: Formação de uma primeira camada condutora porosa sobre uma lateral de um substrato isolante poroso. A formação da primeira camada condutora porosa pode ser feita de diferentes maneiras. Por exemplo, pode ser feita por pulverização ou por impressão com uma tinta incluindo partículas condutoras sobre uma lateral do substrato isolante poroso. As partículas condutoras podem, por exemplo, serem feitas a partir de titânio ou de uma liga do mesmo. O substrato isolante poroso pode, por exemplo, ser um substrato baseado em microfibra de vidro porosa. Preferivelmente, as partículas condutoras são maiores do que os poros do substrato isolante poroso para evitar que as partículas condutoras venham a penetrar através do substrato isolante poroso.
[0113] Etapa 2: Revestimento da primeira camada condutora com uma camada de grãos de um material semicondutor dopado para formar uma estrutura. Neste exemplo, a estrutura compreende o substrato isolante poroso, a primeira camada condutora, e a camada de grãos. Os grãos são feitos de um material semicondutor dopado, tal como silício dopado. O revestimento é preferivelmente feito de maneira tal que a superfície da primeira camada condutora venha a ser coberta por uma monocamada de grãos. Isto pode ser feito por aplicação de um líquido, por exemplo, de uma tinta, contendo pó de grãos em cima da primeira camada condutora. A deposição dos grãos pode ser feita, por exemplo, por impressão ou por pulverização. Técnicas de pulverização adequadas são, por exemplo, pulverização eletrostática ou eletro pulverização. As partículas de silício podem ser gravadas à água forte em uma etapa separada antes da deposição sobre a primeira camada condutora.
[0114] O tamanho médio dos grãos é adequadamente entre 1 μm e 300 μm, preferivelmente entre 10 μm e 80 μm, e o mais preferivelmente entre 20 μm - 50 μm. O pó de grãos pode, por exemplo, ser produzido por moagem. A moagem pode, por exemplo, ser feita por utilização de uma moinho do tipo de disco ou de tipo de cone. O tamanho e a configuração dos grãos produzidos durante a moagem dependem dos parâmetros de processo de moagem selecionados, tais como, tempo de moagem, velocidade de moagem, etc.. O tamanho médio dos grãos pode ser controlado por regulagem dos parâmetros de processo de moagem. O tamanho de partícula médio do pó pode, por exemplo, ser mensurado por utilização de uma malha. A utilização de malhas para mensuração do tamanho de partícula médio de um pó é bem conhecido.
[0115] Etapa 3: Desempenho de um primeiro tratamento térmico da estrutura para ligar os grãos para a primeira camada condutora, por exemplo, para as partículas condutoras da primeira camada condutora. O primeiro tratamento térmico também liga as partículas condutoras na primeira camada condutora umas para as outras. Preferivelmente, o tratamento térmico é desempenhado em um ambiente não oxidante. Por exemplo, a estrutura é tratada por calor em vácuo com uma temperatura acima de 550 0C durante pelo menos duas horas. O primeiro tratamento térmico é, por exemplo, feito por sinterização a vácuo da estrutura. Durante esta etapa, os grãos e as partículas condutoras são sinterizadas a vácuo. Durante a sinterização, os grãos se ligam para as partículas condutoras da primeira camada condutora para conseguir contato mecânico e elétrico entre os mesmos. Também, durante sinterização a vácuo as partículas condutoras são sinterizadas juntamente para formar uma primeira camada condutora com contato mecânico e elétrico entre as partículas condutoras.
[0116] Etapa 4: Formação de uma camada eletricamente isolante sobre superfícies da primeira camada condutora. Esta etapa pode incluir desempenho de um segundo tratamento térmico da estrutura em um ambiente oxidante para formar uma camada de óxido isolante sobre as superfícies disponíveis da primeira camada condutora, por exemplo, sobre as partes das superfícies das partículas condutoras, que não estão em contato físico com as outras partículas condutoras dos grãos. Isto previne contato elétrico entre a primeira camada condutora e o condutor de carga, e por conseqüência, previne que elétrons ou buracos venham a serem transferidos entre a primeira camada condutora e o condutor de carga, e em conseqüência disso, previne curto circuito entre a primeira camada condutora e a segunda camada condutora. O ambiente oxidante é, por exemplo, ar. O segundo tratamento térmico da estrutura pode ser desempenhado, por exemplo, a 500 0C por 30 minutos.
[0117] Ao invés de utilização do segundo tratamento térmico da estrutura em um ambiente oxidante é possível depositar um fino revestimento isolante em cima da superfície disponível da primeira camada condutora por impressão. Por impressão, uma determinada quantidade de um material isolante contendo tinta sobre a primeira camada condutora é possível preencher os poros na primeira camada condutora com tinta. Por evaporação do solvente da tinta, material isolante na tinta é depositado em cima da superfície interna e da superfície externa disponíveis da primeira camada condutora. O revestimento de tinta seca pode ser aquecido para criar um revestimento isolante que adere para a superfície disponível da primeira camada condutora.
[0118] O revestimento pode ser poroso e alternativamente pode ser compacto. O revestimento pode ser feito de, por exemplo, TiO2, Al2O3, ZrO2, aluminossilicato, SiO2 ou outros materiais eletricamente isolantes ou combinação ou misturas de materiais. O revestimento pode ser depositado, por exemplo, por impressão de uma tinta contendo partículas de, por exemplo, TiO2, Al2O3, ZrO2, aluminossilicato, SiO2, sobre o topo da primeira camada condutora. Se partículas são utilizadas na tinta, o revestimento isolante depositado pode ser poroso. As partículas deveriam possuir um diâmetro que é menor do que os poros da primeira camada condutora. Se os poros na primeira camada condutora são em torno de 1 μm, então, as partículas deveriam preferencialmente possuir um diâmetro que é de 100 nm ou menor. Alternativamente, ao invés de utilização de uma tinta que contém partículas, a tinta de impressão pode conter materiais precursores que são convertidos para, por exemplo, TiO2, Al2O3, ZrO2, aluminossilicato, SiO2, sobre secagem e tratamento térmico da tinta depositada em temperaturas elevadas em ambiente contendo oxigênio, tal como ar. Tais materiais precursores podem formar revestimento isolante depositado compacto. Exemplos de tais materiais precursores são, por exemplo, titanatos orgânicos (para formação de TiO2) ou zirconatos orgânicos (para formação de ZrO2) a partir da família TyzorTM fabricada pela Dupont. Outros materiais precursores podem ser silanos (para formação de SiO2) ou cloridrato de alumínio (para formação de Al2O3).
[0119] É possível misturar tanto partículas e quanto precursores na tinta para criação de uma camada isolante sobre a superfície disponível da primeira camada condutora.
[0120] É também possível realizar o segundo tratamento térmico e bem como o revestimento das superfícies de maneira tal a adicionalmente assegurar que a primeira camada condutora venha a ser eletricamente isolada a partir do material condutor de carga.
[0121] Etapa 5: Formação de uma segunda camada condutora. A formação da segunda camada condutora pode ser feita em diferentes pontos no tempo relativamente para as outras etapas dependendo do método escolhido para formação da segunda camada condutora. A segunda camada condutora pode ser formada de muitas diferentes maneiras. Em uma concretização da presente invenção, a segunda camada condutora pode ser uma camada condutora porosa formada sobre uma lateral oposta do substrato isolante poroso. Por exemplo, a segunda camada condutora pode ser formada por deposição de uma tinta incluindo partículas condutoras em cima da superfície oposta do substrato isolante. Nesta concretização da presente invenção, a formação da segunda camada condutora pode ser feita antes do desempenho do tratamento térmico na etapa 3, e até mesmo antes da etapa 2 ou antes da etapa 1. Alternativamente, a segunda camada condutora poderia ser formada sobre um segundo substrato isolante, e em uma próxima etapa, o segundo substrato isolante é atado para o primeiro substrato. Alternativamente, a segunda camada condutora pode ser uma lâmina (folha delgada) eletricamente condutora que é concretizada em contato elétrico com o material condutor de carga. A lâmina condutora pode, por exemplo, ser uma lâmina de metal. Neste caso, a formação da segunda camada condutora pode ser feita depois da etapa 7.
[0122] Etapa 7: Aplicação de um material condutor de carga em cima da superfície dos grãos, no interior dos poros da primeira camada condutora, e no interior dos poros do substrato isolante. O material condutor de carga é, por exemplo, qualquer de um polímero condutor, um material inorgânico, e um material metal - orgânico. A aplicação do material condutor de carga pode ser feita, por exemplo, por aplicação de uma solução de base líquida contendo partículas do material condutor de carga em cima da superfície dos grãos de maneira tal que a solução venha a penetrar para os poros da primeira camada condutora, e para os poros do substrato isolante, e secagem da estrutura de maneira tal que uma camada de condutor de carga sólida é depositada sobre os grãos e um condutor de carga sólida é depositado no interior dos poros da primeira camada condutora e no interior dos poros do substrato isolante. Alternativamente, a deposição do material condutor de carga pode ser desempenhada em diversas etapas. Por exemplo, a solução com o material condutor de carga pode primeiramente ser pulverizada em cima dos grãos seguida por secagem do solvente para fornecer uma camada sólida seca do material condutor de carga sobre a superfície dos grãos. Em uma segunda etapa, a lateral oposta da estrutura é pulverizada com uma solução do material condutor de carga. A aplicação da solução contendo o material condutor de carga pode ser feita, por exemplo, por imersão ou por pulverização, por exemplo, por pulverização ultrasônica. O condutor de carga sobre a superfície dos grãos cobre, por exemplo, pelo menos 50%, e mais preferivelmente pelo menos 70%, da superfície disponível dos grãos, e o mais preferivelmente pelo menos 80%, da superfície dos grãos. A superfície disponível dos grãos é a parte da superfície não em (sem) contato com a primeira camada condutora.
[0123] Etapa 8: Conexão eletricamente do material condutor de carga para a segunda camada condutora. A etapa 8 pode ser uma parte de ou uma conseqüência da etapa 5 ou da etapa 7, ou esta etapa 8 pode ser realizada em uma etapa separada. Por exemplo, o material condutor de carga é aplicado de maneira que tal que venha a estar em contato elétrico com a segunda camada condutora durante a da etapa 7. Se a segunda camada condutora é disposta sobre a superfície do substrato isolante poroso, a segunda camada condutora está em contato elétrico com o material condutor de carga acumulado nos poros do substrato isolante. Se um segundo substrato isolante poroso é disposto entre o primeiro substrato isolante poroso e a segunda camada condutora, e os poros do segundo substrato isolante poroso são cheios com o material condutor de carga, o material condutor de carga está em contato elétrico com a segunda camada condutora. Nestes casos, o material condutor de carga se torna eletricamente conectado para a segunda camada condutora quando o material condutor de carga foi aplicado para os poros do/s substrato/s isolante/s poroso/s. Se a segunda camada condutora é uma lâmina eletricamente condutora que é concretizada em contato elétrico com o material condutor de carga, o material condutor de carga e a segunda camada condutora são eletricamente conectado/as durante a etapa 5.
[0124] A conexão elétrica do material condutor de carga e da segunda camada condutora pode, por exemplo, ser realizada por provisão de um sítio de conexão sobre a segunda camada condutora, e conexão eletricamente do sítio de conexão e do material condutor de carga. O sítio de conexão é fisicamente e eletricamente conectado tanto para a segunda camada condutora e quanto para o material condutor de carga. Por exemplo, o sítio de conexão compreende uma camada de prata (Ag) disposta sobre a segunda camada condutora. Alternativamente, a segunda camada condutora pode compreender partículas condutoras feitas de prata, ou de um outro material condutor que não se oxida durante um segundo tratamento térmico, partículas condutoras as quais formam um sítio de conexão. É adequado utilizar prata, na medida em que a prata proporciona bom contato elétrico tanto com titânio e quanto com PEDOT. Uma outra vantagem com a utilização de prata é a de que a prata previne formação de óxido sobre as partículas de titânio da segunda camada condutora na área de contato entre as partículas de titânio e o sítio de conexão. Uma camada de titânio prata (AgTi) é formada entre as partículas de titânio da segunda camada condutora e o sítio de conexão durante a formação da camada de prata. Por conseqüência, o PEDOT pode formar um bom baixo contato ôhmico com prata e a prata pode formar um bom baixo contato ôhmico com titânio por intermédio da AgTi. Conseqüentemente, PEDOT pode contatar o titânio indiretamente por intermédio da prata e da AgTi. Outros materiais podem ser utilizados no sítio de conexão, por exemplo, silício altamente dopado ou materiais baseados em carbono, tais como grafite, grafeno, CNT ou carbono amorfo.
[0125] A Figura 6 mostra um fluxograma de um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico em concordância com uma primeira concretização da presente invenção. Este método irá resultar em um dispositivo fotovoltaico monolítico. A primeira concretização da presente invenção, que é mostrada na Figura 6, compreende as mesmas etapas como são mostradas na Figura 5, entretanto, as etapas são realizadas em uma diferente ordem. A etapa 1, a etapa 2 e a etapa 3 podem ser realizadas da mesma maneira como foi descrita com referência para a Figura 5 e não irão ser explanadas em maiores detalhes aqui. Nesta concretização da presente invenção, a formação da segunda camada condutora na etapa 5 é feita antes que a primeira camada condutora venha a ser revestida com grãos, isto é, antes da etapa 2. A etapa 5 pode também ser desempenhada antes da etapa 1.
[0126] Etapa 5: Formação de uma segunda camada condutora porosa sobre uma lateral oposta do substrato isolante poroso. Por exemplo, a segunda camada condutora pode ser formada por deposição de um líquido, tal como uma tinta, incluindo partículas condutoras sobre as laterais opostas do substrato isolante poroso. Adequadamente, as partículas condutoras são excessivamente grandes para terem capacidade para penetrar através do substrato isolante poroso. A segunda camada condutora é depositada da mesma maneira como a primeira camada condutora. Por exemplo, as partículas condutoras utilizadas para a segunda camada condutora são feitas do mesmo material como aquele das partículas condutoras da primeira camada condutora. Em uma concretização da presente invenção, a segunda camada condutora pode compreender partículas condutoras de um material que resiste à oxidação, tal como prata ou carbono, de maneira tal a evitar oxidação da segunda camada condutora.
[0127] Nesta concretização da presente invenção, a estrutura compreende o substrato isolante poroso, a primeira camada condutora e a segunda camada condutora e as camadas de grãos. Por conseqüência, partículas condutoras da segunda camada condutora são ligadas umas para as outras na etapa 3, e as superfícies disponíveis das partículas condutoras da segunda camada condutora são cobertas com uma camada de óxido na etapa 4. O material condutor de carga é também aplicado no interior dos poros da segunda camada condutora na etapa 5.
[0128] Etapas 7 + 8: O material condutor de carga é aplicado em cima da superfície dos grãos, no interior dos poros da primeira camada condutora, no interior dos poros do substrato isolante e em contato elétrico com a segunda camada condutora. Devido para o fato de que a segunda camada condutora é disposta sobre a superfície do substrato isolante poroso e de que o material condutor de carga é aplicado nos poros do substrato isolante poroso, a segunda camada condutora irá possuir contato elétrico com o material condutor de carga acumulado nos poros do substrato isolante.
[0129] A Figura 7 mostra um fluxograma de um exemplo de um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico monolítico em concordância com uma concretização da presente invenção. Nesta concretização da presente invenção, um exemplo mais específico da fabricação de um dispositivo fotovoltaico é explanado. Esta concretização do método em concordância com uma concretização da presente invenção inclui diversas etapas opcionais que aperfeiçoam a fabricação do dispositivo e/ou aperfeiçoam o desempenho do dispositivo. Neste exemplo, a etapa 4, incluindo a formação de uma camada eletricamente isolante sobre as superfícies da primeira camada condutora, compreende duas etapas: desempenho de um segundo tratamento térmico em um ambiente oxidante (4a) e aplicação de um material eletricamente isolante sobre as superfícies da primeira camada condutora (4b). A seguir, as diferentes etapas do fluxograma que é mostrado na Figura 7 irão ser explanadas em maiores detalhes.
[0130] Etapa 1: Formação de uma primeira camada condutora porosa sobre uma lateral de um substrato isolante poroso. Neste exemplo, uma primeira tinta é preparada por misturação de partículas de TÍH2 de tamanho de 10 μm com terpineol. A tinta compreende partículas de TiH2 com um diâmetro que é menor do que 10 micrômetros. Subseqüentemente, a primeira tinta é impressa ou pulverizada em cima de um substrato baseado em microfibra de vidro porosa. A camada impressa irá formar uma primeira camada condutora porosa.
[0131] Etapa 5: Formação de uma segunda camada condutora porosa sobre uma lateral oposta do substrato isolante poroso. Neste exemplo, uma segunda tinta é preparada por misturação de TiH2 com terpineol. A tinta compreende partículas de TiH2 com um diâmetro que é menor do que 10 micrômetros. A tinta é, então, misturada com partículas condutoras banhadas de prata de maneira tal a fazer uma tinta para deposição da segunda camada condutora. Subseqüentemente, a segunda tinta é impressa ou pulverizada em cima da lateral oposta do substrato isolante poroso. A segunda camada impressa irá formar uma segunda camada condutora porosa. As partículas condutoras banhadas de prata formam um sítio de conexão para conexão eletricamente da segunda camada condutora com o material condutor de carga na etapa 8. Alternativamente, uma camada de prata ou de um outro material adequado é aplicada para a superfície da segunda camada condutora de maneira tal a formar um sítio de conexão.
[0132] Etapa 6a (opcional): Desempenho de uma primeira gravação dos grãos. A primeira gravação é uma gravação anisotrópica dos grãos. A gravação dos grãos pode ser desempenhada utilizando, por exemplo, soluções de gravação isotrópicas. Gravação isotrópica dos grãos, por exemplo, grãos de silício, pode ser utilizada para um poço gravado à água forte (etch pit) configurado em pirâmide onde a superfície de grão configurada em pirâmide pode aumentar a efetiva absorção de luz pelo grão. A gravação pode, por exemplo, ser feita utilizando hidróxido de potássio (KOH). A primeira gravação proporciona grãos predominantemente possuindo planos {111} expostos na superfície dos grãos. O condutor de carga está em contato com os planos piramidais {111} dos grãos. Isto provoca aprisionamento (captura) de luz, o que significa que a luz é refletida diversas vezes nas superfícies, e por isto a absorção de luz dos grãos é aumentada. Se os grãos são feitos de silício dopado, o objetivo da gravação é para formar planos piramidais {111} no silício. A etapa de gravação à água forte é realizada antes do revestimento da primeira camada condutora com os grãos. Alternativamente, esta etapa é realizada antes da etapa 1 e da etapa 1b.
[0133] Etapa 2: Revestimento da primeira camada condutora com uma camada de grãos de um material semicondutor dopado para formar uma estrutura. Esta etapa pode ser realizada da mesma maneira como foi previamente descrita com referência para a Figura 5.
[0134] Etapa 2b (opcional): Aplicação de uma pressão sobre a camada de grãos de maneira tal que porções dos grãos se projetam para a primeira camada condutora porosa antes de desempenho do primeiro tratamento térmico da estrutura. Por exemplo, a pressão pode ser aplicada sobre o topo dos grãos por utilização de uma prensa de membrana de uma prensa de rolete. Por conseqüência, as áreas das superfícies de contato entre os grãos e a camada condutora porosa são aumentadas e, conseqüentemente, a ligação entre os grãos e a camada condutora porosa é facilitada. A área de contato aumentada adicionalmente conduz para um contato elétrico aperfeiçoado entre os grãos e a camada condutora.
[0135] Etapa 2c (opcional): Oxidação dos grãos antes de desempenho do primeiro tratamento térmico da estrutura. A oxidação proporciona a superfície dos grãos com uma camada de óxido protetiva, que protege os grãos a partir de contaminação durante o primeiro tratamento térmico. A oxidação pode ser feita, por exemplo, por exposição dos grãos ao ar ou ao oxigênio gasoso com ou sem água presente em uma temperatura elevada de 500 0C ou mais alta. A presença de água promove a oxidação.
[0136] Etapa 3: Desempenho de um primeiro tratamento térmico da estrutura em um ambiente não oxidante para ligar os grãos para a primeira camada condutora. Adicionalmente, as partículas condutoras da primeira camada condutora e da segunda camada condutora são ligadas para as outras partículas condutoras na camada durante o primeiro tratamento térmico. A estrutura é tratada por calor sob vácuo até que os grãos tenham sido sinterizados para a primeira camada condutora porosa. Durante a sinterização, os grãos se ligam para as partículas condutoras da primeira camada condutora para conseguir contato mecânico e elétrico entre as mesmas. Também, durante a sinterização a vácuo as partículas condutoras são sinterizadas juntamente para formar uma primeira camada condutora com contato mecânico e elétrico entre as partículas condutoras. Preferivelmente, a estrutura, incluindo o substrato, a primeira camada condutora e a segunda camada de condutora, e a camada de grãos, é tratada por calor em vácuo com uma temperatura acima de 550 0C durante pelo menos duas horas. Por exemplo, o substrato impresso é sinterizado em vácuo a 650 0C e, então, possibilitado a resfriar para temperatura ambiente. A pressão durante a sinterização é de menos do que 0,0001 mbar.
[0137] Neste exemplo, os grãos são feitos de silício dopado e as partículas condutoras são feitas de titânio. Durante o tratamento térmico em vácuo, o silício dos grãos e o titânio das partículas condutoras estão reagindo e formam siliceto de titânio nos limites entre os grãos e as partículas condutoras. Por conseqüência, camadas de siliceto de titânio são formadas entre os grãos e as partículas condutoras da primeira camada condutora, o que aperfeiçoa o contato elétrico entre os grãos e as partículas condutoras.
[0138] Etapa 4a: Desempenho de um segundo tratamento térmico da estrutura, isto é, do substrato isolante, da primeira camada condutora e da segunda camada condutora, e da camada de grãos em um ambiente oxidante para formar uma camada de óxido isolante sobre as superfícies disponíveis da partícula condutora da primeira camada condutora e da segunda camada condutora. A estrutura é tratada por calor em ar até que as superfícies disponíveis da primeira camada condutora porosa tenham sido oxidadas. Por exemplo, a estrutura é tratada por calor em ar para conseguir uma camada de óxido eletricamente isolante sobre as partículas condutoras da primeira camada condutora e da segunda camada condutora. As superfícies das partículas de silício também se tornam oxidadas durante o segundo tratamento térmico.
[0139] Etapa 4b: Aplicação de um material eletricamente isolante sobre as superfícies da primeira camada condutora. Em adição para a utilização do segundo tratamento térmico da estrutura em um ambiente oxidante é possível depositar um fino revestimento isolante em cima das superfícies disponíveis da primeira camada condutora, por exemplo, por impressão. Por impressão de uma determinada quantidade de uma tinta contendo material isolante sobre a primeira camada condutora é possível preencher os poros na primeira camada condutora com tinta. Por evaporação do solvente da tinta, material isolante na tinta é depositado em cima da superfície interna e da superfície externa disponíveis da primeira camada condutora. O revestimento de tinta seca pode ser aquecido para criar um revestimento isolante que adere para a superfície disponível da primeira camada condutora. O revestimento pode consistir, por exemplo, de TiO2, Al2O3, ZrO2, aluminossilicato, SiO2 ou de outros materiais eletricamente isolantes ou de combinação ou de misturas de materiais. O revestimento pode ser depositado, por exemplo, por impressão de uma tinta contendo partículas, por exemplo, de TiO2, Al2O3, ZrO2, aluminossilicato, SiO2, sobre o topo da primeira camada condutora. Se partículas são utilizadas na tinta o revestimento isolante depositado pode ser poroso. As partículas deveriam possuir um diâmetro que é menor do que os poros da primeira camada condutora. Se os poros na primeira camada condutora são em torno de 1 μm, então, as partículas deveriam preferencialmente possuir um diâmetro que é de 100 nm ou menor. Alternativamente, ao invés de utilização de uma tinta que contém partículas, a tinta de impressão pode conter materiais precursores que são convertidos para, por exemplo, TiO2, Al2O3, ZrO2, aluminossilicato, SiO2, sobre secagem e tratamento térmico da tinta depositada em temperaturas elevadas em ambiente contendo oxigênio, tal como ar. Tais materiais precursores podem formar revestimento isolante depositado compacto. Exemplos de tais materiais precursores são, por exemplo, titanatos orgânicos (para formação de TiO2) ou zirconatos orgânicos (para formação de ZrO2) a partir da família TyzorTM fabricada pela Dupont. Outros materiais precursores poderiam ser silanos (para formação de SiO2) ou cloridrato de alumínio (para formação de Al2O3). É possível misturar tanto partículas e quanto precursores na tinta para criação de uma camada isolante sobre a superfície disponível da primeira camada condutora.
[0140] Etapa 6b (opcional): Desempenho de uma segunda gravação dos grãos depois de desempenho do segundo tratamento térmico e antes de aplicação do material condutor de carga em cima das superfícies dos grãos. A segunda gravação é, por exemplo, uma gravação isotrópica dos grãos e é utilizada para remover óxido e impurezas a partir das superfícies dos grãos. A segunda gravação pode, por exemplo, ser realizada por tratamento da superfície dos grãos com fluoreto de hidrogênio (HF). Isto pode ser feito, por exemplo, com métodos, tais como exposição da superfície dos grãos para HF na forma de uma solução de HF em água, ou por exposição da superfície dos grãos para HF gasoso. O tratamento de HF possui o efeito de remoção de óxido, por exemplo, óxido de silício, a partir da superfície dos grãos. A segunda gravação dos grãos proporciona limpeza das superfícies dos grãos antes de aplicação do material condutor de carga, o que aperfeiçoa o contato elétrico entre os grãos e o material condutor de carga. Neste exemplo, a segunda gravação dos grãos de silício remove o óxido de silício dos grãos por tratamento da superfície dos grãos de silício com HF.
[0141] Etapas 7 + 8: Aplicação de um material condutor de carga em cima da superfície dos grãos, no interior de poros da primeira camada condutora e da segunda camada condutora, e no interior dos poros do substrato isolante e em contato elétrico com a segunda camada condutora. Neste exemplo, o material condutor de carga está em contato elétrico com as partículas banhadas de prata na segunda camada condutora. Neste exemplo, o material condutor de carga é PEDOT:PSS. O PEDOT:PSS é depositado em cima da superfície dos grãos de silício e no interior dos poros da primeira camada condutora e no interior dos poros do substrato isolante e no interior dos poros da segunda camada isolante. O PEDOT:PSS pode ser depositado a partir, por exemplo, de uma solução baseada em água contendo PEDOT:PSS. A solução de PEDOT:PSS pode ser depositada por imersão do substrato com a primeira camada condutora e a segunda camada condutora e os grãos de silício em uma solução de PEDOT:PSS. Alternativamente, a deposição de PEDOT:PSS pode ser desempenhada em diversas etapas. Por exemplo, a solução de PEDOT:PSS pode primeiramente ser pulverizada em cima dos grãos de silício seguida por secagem do solvente para fornecer uma camada de PEDOT:PSS seca sólida sobre a superfície dos grãos de silício. Em uma segunda etapa, a segunda camada condutora é pulverizada com uma solução de PEDOT:PSS. Uma técnica de pulverização adequada para conseguir uma fina camada de PEDOT:PSS sobre os grãos de silício é, por exemplo, a de pulverização ultrasônica.
[0142] A Figura 8 mostra um fluxograma de um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico de um tipo em sanduíche em concordância com uma terceira concretização da presente invenção. Esta concretização da presente invenção mostra como a fabricação do dispositivo fotovoltaico deveria ser desempenhada quando utilizando um segundo exemplo específico para formar a segunda camada condutora. A seguir, as diferentes etapas do fluxograma que é mostrado na Figura 8 irão ser explanadas mais completamente.
[0143] A terceira concretização da presente invenção, que é mostrada na Figura 8, compreende as mesmas etapas 1 - 4 como são mostradas na Figura 5.
[0144] Etapa 5: Formação de uma segunda camada condutora sobre um segundo substrato isolante poroso. A segunda camada condutora é formada sobre um segundo substrato isolante poroso. A segunda camada condutora pode ser aplicada sobre o segundo substrato de muitas diferentes maneiras, por exemplo, da mesma maneira como foi previamente descrita. A segunda camada condutora não necessita ser porosa. A segunda camada condutora pode, por exemplo, ser uma lâmina (folha delgada) de metal atada para o segundo substrato isolante poroso.
[0145] Etapa 9: Conexão mecanicamente do primeiro substrato poroso e do segundo substrato poroso um para o outro para formar uma estrutura única. Por exemplo, o primeiro substrato poroso e o segundo substrato poroso são colados juntamente para formar um substrato único com a primeira camada condutora e a segunda camada condutora sendo dispostas sobre laterais opostas do substrato.
[0146] Etapa 7 + 8: Aplicação de um material condutor de carga em cima da superfície dos grãos, no interior dos poros da primeira camada condutora, no interior dos poros do primeiro substrato isolante e do segundo substrato isolante e em contato elétrico com a segunda camada condutora. Esta etapa pode ser realizada da mesma maneira como aquela previamente descrita.
[0147] As etapas 1 - 5 e as etapas 1, 8 são etapas que necessitam ser desempenhadas quando produzindo um dispositivo fotovoltaico em concordância com a presente invenção. A etapa de formação de uma segunda camada condutora, isto é, a etapa 5 pode ser desempenhada de diferentes maneiras e em diferentes momentos no processo, dependendo de como a etapa é desempenhada, o que é mostrado na Figura 6 e na Figura 8. Existem alguns exemplos de etapas que são mostradas na Figura 7, as etapas 2b, 2c, 6a, e 6b, que são vantajosas para desempenhar, embora não estritamente necessárias para realizar, e todas estas, algumas destas, ou nenhuma destas, etapas podem ser desempenhadas. As etapas podem, entretanto, ser úteis para desempenhar na medida em que as mesmas podem aumentar o desempenho do dispositivo fotovoltaico. Preferivelmente, quaisquer uma das ou ambas das etapas 4a, 4b são desempenhadas.
[0148] A presente invenção não é limitada para as concretizações aqui divulgadas, mas pode ser variada e modificada dentro do escopo de proteção das reivindicações de patente a seguir. Muitas das etapas de método podem ser realizadas em diferente ordem. Por exemplo, a formação da segunda camada condutora pode ser realizada antes e bem como depois de desempenho do primeiro tratamento térmico da estrutura. A segunda camada condutora pode ser porosa ou sólida. Por exemplo, a segunda camada condutora pode ser uma lâmina (folha delgada) de metal. A segunda camada condutora pode ser aplicada diretamente sobre a superfície do substrato isolante ou pode ser disposta em uma distância a partir do substrato isolante. A primeira gravação dos grãos pode, por exemplo, ser desempenhada antes que a primeira camada condutora e a segunda camada condutora venham a ser formadas.

Claims (15)

1. Método para fabricar um dispositivo fotovoltaico, caracterizado pelo fato de que compreende: - formar uma primeira camada condutora porosa (16) sobre uma lateral de um substrato isolante poroso (20); - revestir a primeira camada condutora com uma camada de grãos (2) de um material semicondutor dopado para formar uma estrutura; - executar um primeiro tratamento térmico da estrutura para ligar os grãos à primeira camada condutora; - formar camadas eletricamente isolantes sobre superfícies da primeira camada condutora; - formar uma segunda camada condutora (18) sobre uma lateral oposta do substrato isolante poroso (20); - aplicar um material condutor de carga (3) sobre as superfícies dos grãos, no interior dos poros da primeira camada condutora, e no interior dos poros do substrato isolante; e - conectar eletricamente o material condutor de carga à segunda camada condutora.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tamanho médio dos grãos (2) é entre 1 μm e 300 μm, preferivelmente entre 10 μm e 80 μm, e mais preferivelmente entre 20 μm - 50 μm.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a camada (6) de grãos é uma monocamada.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a primeira camada condutora (16) é revestida por depositar uma tinta incluindo um pó dos grãos (2) sobre a primeira camada condutora.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a tinta incluindo os grãos (2) é depositada sobre a primeira camada condutora (16) por intermédio de pulverização eletrostática.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o método compreende oxidar os grãos (2) antes de executar o primeiro tratamento térmico da estrutura.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os grãos (2) são feitos de silício dopado.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o método compreende executar uma primeira gravação dos grãos (2) para formar {111} planos piramidais sobre os grãos antes de revestir a primeira camada condutora (16) com os grãos.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o método compreende executar uma segunda gravação dos grãos (2) antes de aplicação do material condutor de carga (3) sobre as superfícies dos grãos.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material condutor de carga (3) é qualquer um dentre um polímero condutor, um material inorgânico, e um material orgânico-metal.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa de aplicação de um material condutor de carga (3) sobre a superfície dos grãos (2) compreende aplicar uma solução baseada em líquido contendo partículas do material condutor de carga sobre a superfície dos grãos, no interior de poros da primeira camada condutora, e no interior dos poros do substrato isolante, e secar a estrutura de maneira que uma camada (6) de condutor de carga sólida é depositada sobre os grãos e um condutor de carga sólido é depositado no interior dos poros da primeira camada condutora e dos poros do substrato isolante.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa de formar uma primeira camada condutora porosa (16) sobre uma lateral do substrato isolante poroso (20) compreende depositar uma tinta incluindo partículas condutoras (24) sobre uma lateral do substrato isolante poroso.
13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os grãos (2) são feitos de silício dopado, a primeira camada condutora compreende partículas (24) de metal ou de uma liga de metal, e uma zona de siliceto de metal ou de uma liga de silício metal (26) é formada nos limites entre os grãos e as partículas durante o primeiro tratamento térmico.
14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa de formar eletricamente camadas isolantes sobre superfícies da primeira camada condutora (16) compreende executar um segundo tratamento térmico da estrutura em um ambiente de oxidação para formar camadas de óxido isolante (28) sobre as superfícies disponíveis da primeira camada condutora.
15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa de formar eletricamente camadas isolantes sobre superfícies da primeira camada condutora (16) compreende depositar um revestimento isolante sobre as superfícies disponíveis da primeira camada condutora.
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