BR112019001400B1 - Camada de absorção de luz para um dispositivo fotovoltaico e dispositivo fotovoltaico - Google Patents

Abstract

A presente invenção se refere a uma camada de absorção de luz (1a) para um dispositivo fotovoltaico. Em concordância com a presente invenção, referida camada de absorção de luz compreende uma pluralidade de grãos (2) de um material semicondutor dopado e um condutor de carga (3) feito de um material condutor de carga em contato físico com 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). A presente invenção também se refere a um dispositivo fotovoltaico compreendendo referida camada de absorção de luz (1a).

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção se refere para o campo técnico de dispositivos fotovoltaicos incluindo camadas de absorção de luz, tais como células solares. A presente invenção também se refere para uma camada de absorção de luz para dispositivos fotovoltaicos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Dispositivos fotovoltaicos proporcionam conversão de luz para eletricidade utilizando materiais semicondutores que exibem um efeito fotovoltaico.

[003] 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.

[004] 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).

[005] 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).

[006] 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.

[007] 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.

[008] 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.

[009] 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 gravura à água forte 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 dispositivo fotovoltaico aperfeiçoado.

[0019] Em concordância com um primeiro aspecto da presente invenção, este objetivo é conseguido por uma camada de absorção de luz para um dispositivo fotovoltaico conforme é definido na reivindicação de patente independente 1 acompanhante.

[0020] A camada de absorção de luz 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] A camada de absorção de luz em concordância com a presente invenção é barata para ser produzida, é ambientalmente amigável e possui uma alta eficiência de conversão.

[0025] Um condutor de carga conforme utilizado aqui é feito de um material condutor de buraco ou de 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.

[0026] 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.

[0027] 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 uma camada de absorção de luz mecanicamente robusta.

[0028] Os grãos podem ser atados para um substrato condutor. Adequadamente os grãos são atados para uma camada condutora. Na medida em que parte da superfície de grão está em contato físico com o substrato condutor ou com a 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.

[0029] 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, tais como CdTe, CIGS, CIS, GaAs ou perovskita.

[0030] 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.

[0031] Devido para o fato de que a camada de absorção de luz compreende grãos, que 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.

[0032] 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.

[0033] A camada de absorção de luz pode ser feita por materiais ambientalmente amigáveis. Por exemplo, os grãos podem ser feitos de silício, que é um material ambientalmente amigável e estável com alta eficiência de conversão. O material condutor de carga pode, por exemplo, compreender um material orgânico, tal como um polímero, ou pode ser um material inorgânico ou metal-orgânico.

[0034] A camada de absorção de luz em concordância com a presente invenção é significativamente mais fácil para ser fabricada comparada com camadas de absorção de luz de silício tradicionais, tais como bolachas ou películas delgadas (filmes delgados). A camada de absorção de luz pode, por exemplo, ser fabricada por deposição de uma tinta compreendendo os grãos em cima de uma superfície, por exemplo, de uma superfície 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.

[0035] Adequadamente, o condutor de carga é disposto sobre a superfície livre dos grãos, e no espaço vazio entre os grãos. Na medida em que o material condutor 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.

[0036] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o condutor de carga é disposto sobre os grãos de maneira tal que a maioria 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, como foi definido anteriormente.

[0037] O condutor de carga é disposto sobre os grãos de maneira tal que o condutor de carga em conseqüência disso, forma uma pluralidade de camadas condutoras de carga, cada camada condutora de carga cobrindo a superfície livre de um grão único ou de diversos grãos adjacentes. Se a camada condutora de carga é excessivamente espessa, 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.

[0038] Preferivelmente, a integridade de superfície livre de um grão, isto é, a superfície que não está em contato com o substrato/a camada condutora, irá ser coberto/a 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.

[0039] Em concordância com uma concretização da presente invenção, cada um dos grãos possui uma superfície superior voltando-se para a luz e a superfície superior é coberta com o condutor de carga. Preferivelmente, a camada de grãos cobre a maior parte da superfície do substrato. A distribuição dos grãos sobre o substrato pode conduzir para finas aberturas (lacunas, fendas) entre os grãos, ou para sobreposição de grãos adjacentes.

[0040] O condutor de carga cobre pelo menos 50%, e mais preferivelmente pelo menos 70%, 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.

[0041] 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. 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 semicondutora 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 20 μm - 50 μm são utilizados. Se os grãos são muito pequenos, sua capacidade de absorver luz é reduzida. Grãos muito grandes podem perder em eficiência devido à distância para as interfaces de condutor de grão/de carga.

[0042] Em concordância com uma concretização da presente invenção, os grãos são feitos de silício dopado. Silício é um material adequado para ser utilizado em dispositivos fotovoltaicos, na medida em que o silício é um material barato, estável e possui 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 de grãos policristalinos. O silício pode ser do tipo n dopado ou do tipo p dopado.

[0043] Em concordância com uma concretização da presente invenção, os grãos de silício predominantemente possuem planos {111} expostos na superfície. O condutor de carga está em contato com os planos piramidais {111} dos grãos. Esta concretização 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.

[0044] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o condutor de carga é um polímero condutor. Adequadamente, o condutor de carga é poli (3,4- etilenodioxitiofeno) - poli (estireno sulfonato) (PEDOT:PSS). PEDOT:PSS é um polímero condutor de buraco altamente condutivo. O condutor de carga pode também ser feito de um material inorgânico, ou de um material de metal-orgânico.

[0045] 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. O silício dopado pode ser silício n dopado ou silício n dopado. Entretanto, silício n dopado é para ser preferido juntamente com PEDOT, na medida em que PEDOT é um condutor de buraco. PEDOT:PSS funciona bem juntamente com silício e juntamente os mesmos podem conseguir uma alta eficiência de conversão de luz para energia elétrica.

[0046] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o material de condutor de carga compreende materiais inorgânicos ou materiais metal- orgânicos.

[0047] 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.

[0048] Em concordância com uma concretização da presente invenção, este objetivo é conseguido por um dispositivo fotovoltaico conforme é definido na reivindicação de patente 12 acompanhante.

[0049] O dispositivo fotovoltaico compreende uma camada de absorção de luz em concordância com a descrição acima, incluindo uma pluralidade de grãos de material semicondutor dopado, e um 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.

[0050] O dispositivo fotovoltaico em concordância com a presente invenção possui as mesmas vantagens como mencionadas anteriormente para a camada de absorção de luz. Em concordância com isso, os custos de produção são reduzidos para o dispositivo fotovoltaico, e a eficiência máxima do dispositivo fotovoltaico é aumentada devido para o fato de menos perdas ópticas e de reflexão e a necessidade para revestimento antirreflexo é reduzida ou não é mais de nenhuma maneira necessária. O dispositivo fotovoltaico em concordância com a presente invenção é fácil para ser fabricado e pode ser feito fino e flexível.

[0051] O dispositivo fotovoltaico em concordância com a presente invenção compreende uma camada de absorção de luz de um material semicondutor. Grãos possuem diversas vantagens sobre bolachas ou películas delgadas (filmes delgados) depositadas pelas quais grãos são mais baratos, fáceis para manipular, fáceis para aplicar e uma camada com grãos é mais flexível. Em uma célula solar com uma camada de absorção de luz compreendendo grãos, cada grão irá atuar como uma “mini” célula solar. Um grão possui uma grande área de superfície em relação para seu volume, possibilitando uma maior área de contato entre o material transportando carga e o semicondutor. O tamanho dos grãos pode ser otimizado para luz do sol para eficiência de conversão de energia elétrica. É conseqüentemente também possível utilizar menos material semicondutor quando projetando o dispositivo fotovoltaico. Os grãos também colocam superfícies semicondutoras em várias direções, por conseqüência, reduzindo a dependência sobre o ângulo de luz incidente conduzindo para menos perdas ópticas e de reflexão.

[0052] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o dispositivo compreende uma primeira camada condutora, e a camada de absorção de luz é depositada sobre a primeira camada condutora de maneira tal que os grãos estão em contato elétrico e físico com a primeira camada condutora. 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 isso, 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 em concordância com esta concretização da 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 em concordância com esta concretização da presente invenção 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 por 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.

[0053] Os grãos podem ser depositados diretamente em cima da primeira camada condutora, para extração de transportadores de carga, como elétrons ou buracos. A deposição dos grãos pode ser feita com processos simples como impressão ou os assemelhados. Sobre o topo dos grãos, um condutor de carga feito de um material condutor de carga para transporte de buracos ou de elétrons é aplicado para formação da camada de absorção de luz. Em concordância com uma concretização da presente invenção, o condutor de carga é um polímero condutor. O polímero tem a habilidade para atuar como uma cola entre os grãos e por isso aperfeiçoa a estabilidade mecânica da camada de absorção de luz. Além do mais, o polímero condutor 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.

[0054] Em concordância com uma concretização da presente invenção, 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.

[0055] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o dispositivo compreende uma segunda camada condutora eletricamente isolada a partir da primeira camada condutora. O condutor de carga é eletricamente conectado para a segunda camada condutora e isolado a partir da primeira camada condutora. O condutor de carga pode ser diretamente ou indiretamente eletricamente conectado para a segunda camada condutora. Preferivelmente, o dispositivo fotovoltaico compreende uma camada isolante disposta entre a primeira camada condutora e a segunda camada condutora para eletricamente isolar a primeira camada condutora e a segunda camada condutora, e a primeira camada condutora e a segunda camada condutora são dispostas sobre as laterais opostas da camada isolante. A camada de absorção de luz é disposta sobre a primeira camada condutora. Por conseqüência, a primeira camada condutora, a segunda camada condutora e a camada isolante são colocadas sobre a parte traseira da camada de absorção de luz. Uma vantagem com esta concretização é a de que se 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. Em concordância com uma concretização da presente invenção, 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.

[0056] A primeira condutora e a segunda camada condutora do dispositivo fotovoltaico podem ser conectadas para um circuito externo e podem ser formadas sobre ambas as laterais de uma camada isolante, e podem ser colocadas sobre a parte traseira da camada de absorção de luz. A primeira camada condutora e a camada isolante podem ser feitas porosas 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 e recombinação de buracos e de elétrons, a primeira camada condutora deveria ser isolada a partir do material condutor de carga. 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.

[0057] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a primeira camada condutora compreende um metal, e uma zona de contato físico entre os grãos e a primeira camada condutora consiste de uma liga de siliceto e metal, por exemplo, TiSO2, ou de uma liga de metal- silício, por exemplo, liga de Al-Si. A liga ou o siliceto é formado/a nos limites entre os grãos e a primeira camada condutora durante fabricação do dispositivo fotovoltaico. Ligas de metal-silício ou silicetos de metal possuem boas propriedades condutoras elétricas. Devido para o fato de que a zona de contato físico, isto é, os limites entre os grãos e a primeira camada condutora, compreendem liga de metal-silício ou siliceto de metal, o contato elétrico entre os grãos e a camada condutora é aperfeiçoado. Conseqüentemente, a eficiência do dispositivo fotovoltaico é aumentada. Por exemplo, se os grãos são feitos de silício, e a primeira camada condutora compreende titânio, então a zona de contato físico entre os grãos e a primeira camada condutora compreende siliceto de titânio depois da fabricação do dispositivo fotovoltaico. Se a camada condutora inclui alumínio, então a liga de siliceto de alumínio é formada nos limites entre os grãos e a primeira camada condutora durante fabricação do dispositivo fotovoltaico. A liga de siliceto de alumínio também possui boas propriedades condutoras elétricas. Também outro metal diferente de titânio ou de alumínio pode ser utilizado na primeira camada condutora.

[0058] Siliceto de titânio pode existir em diversas variações, por exemplo, TiSi2, TiSi, Ti5Si4, Ti5Si3, Ti3Si. Em concordância com uma concretização da presente invenção, os limites entre os grãos e a primeira camada condutora compreendem TiSi2. TiSi2 existe em duas variações: C49- TiSi2 e C54- TiSi2.

[0059] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o condutor de carga é depositado de uma maneira tal que este condutor forma uma pluralidade de caminhos contínuos de material condutor de carga a partir da superfície dos grãos para a segunda camada condutora. O condutor de carga penetra através da primeira camada condutora e da camada isolante para formar os caminhos. O condutor de carga forma caminhos contínuos de material condutor de carga por todo o caminho a partir da superfície dos grãos para baixo para a segunda camada condutora para possibilitar que buracos/elétrons gerados nas junções venham a se deslocar para a segunda camada condutora e venham a se recombinar com elétrons na segunda camada condutora. O condutor de carga eletricamente conecta as camadas de condutor de carga sobre os grãos com o segundo contato eletricamente acoplado para a segunda camada condutora.

[0060] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a primeira camada condutora é porosa e o condutor de carga se estende através da primeira camada condutora.

[0061] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a camada isolante entre a primeira camada condutora e uma segunda camada condutora é porosa e o condutor de carga se estende através da camada isolante. A camada isolante 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.

[0062] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a primeira camada condutora e a camada isolante são porosas, o condutor de carga é acomodado em poros da primeira camada condutora, e em poros da camada isolante porosa de maneira tal que um caminho condutor venha a ser formado entre a camada de absorção de luz e o segundo contato. Um caminho condutor de carga é um caminho feito de um material condutor de carga, conforme foi definido anteriormente, o que possibilita para transporte de cargas, isto é, de elétrons ou de buracos.

[0063] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a primeira camada condutora compreende um óxido isolante para eletricamente isolar o condutor de carga a partir da primeira camada condutora.

[0064] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a primeira camada condutora compreende partículas condutoras em contato elétrico e físico com os grãos. As partículas condutoras estão em contato físico e elétrico umas com as outras. Os grãos são ligados para as partículas condutoras. Adequadamente, os grãos são feitos de silício, as partículas condutoras compreendem 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.

[0065] Em concordância com uma concretização da presente invenção, as partículas de metal são pelo menos parcialmente cobertas com um óxido isolante. As partes das superfícies das partículas de metal, que não estão em contato com os grãos, são preferivelmente 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.

[0066] Em concordância com uma concretização da presente invenção, as partículas de metal 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. Preferivelmente, pelo menos uma parte das superfícies das partículas de metal é coberta com siliceto de titânio. O 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 é formado nos limites entre os grãos e a primeira camada condutora durante fabricação do dispositivo fotovoltaico. Adequadamente, as partículas de metal compreendem titânio, e as partes das superfícies das partículas de metal, que não estão em contato com os grãos, são cobertas com óxido de titânio. 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.

[0067] Em concordância com uma concretização da presente invenção, as partículas de metal são feitas de alumínio ou de uma liga do mesmo. Adequadamente, as partículas de metal compreendem alumínio, e as partes das superfícies das partículas de metal, que não estão em contato com os grãos, são cobertas com óxido, tal como óxido de alumínio. A superfície de camada de óxido tem que ser espessa o suficiente para prevenir curto circuito entre o condutor de carga e o alumínio.

[0068] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o segundo condutor compreende um sítio de conexão de baixa resistência eletricamente conectado para o condutor de carga e para a segunda camada condutora, e eletricamente isolado a partir da primeira camada condutora. O sítio de conexão é posicionado na interface entre a segunda camada condutora e o condutor de carga. O sítio de conexão proporciona um caminho de baixa resistência para elétrons e buracos através da junção entre o segundo conector e o condutor de carga.

[0069] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o sítio de conexão é feito de prata.

[0070] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a segunda camada de conexão é porosa, e o condutor de carga penetra através da segunda camada condutora. Adequadamente, a segunda camada condutora compreende partículas de metal.

[0071] Em concordância com uma concretização da presente invenção, as partículas de metal da segunda camada condutora são feitas de titânio ou de uma liga do mesmo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0072] A presente invenção irá agora ser explanada mais precisamente pela descrição de diferentes concretizações da presente invenção e com referência aos desenhos anexos: A Figura 1 mostra um exemplo de uma camada de absorção de luz em concordância com uma primeira concretização da presente invenção; A Figura 2 mostra esquematicamente uma seção transversal através de um dispositivo fotovoltaico em concordância com uma primeira concretização da presente invenção; A Figura 3 mostra uma vista ampliada de uma parte do dispositivo fotovoltaico que é mostrado na Figura 2; A Figura 4 mostra esquematicamente uma seção transversal através de um dispositivo fotovoltaico em concordância com uma segunda concretização da presente invenção; A Figura 5 mostra um exemplo de uma camada de absorção de luz em concordância com uma segunda concretização da presente invenção; A Figura 6 mostra esquematicamente uma seção transversal através de um dispositivo fotovoltaico em concordância com uma terceira concretização da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS DA INVENÇÃO

[0073] A Figura 1 mostra um desenho esquemático de uma camada de absorção de luz (1a) 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).

[0074] 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.

[0075] 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, condutivos, 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.

[0076] 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).

[0077] 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 nos grãos. Por conseqüência, a superfície de cada um dos grãos (2) é parcialmente coberta com o material condutor de carga (6). Preferivelmente, as camadas condutoras de carga (6) possuem uma espessura entre 10 nm e 200 nm. Tipicamente, as camadas condutoras de carga (6) possuem 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. Cada um dos grãos possui uma superfície superior voltando-se para a luz incidente e uma superfície inferior voltada para fora a partir da luz incidente. Nesta concretização, 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), que não é uma parte da camada de absorção de luz (1a).

[0078] 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.

[0079] 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 segunda camada condutora (18) 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 segunda camada condutora (18) e da camada isolante (20) para formar os caminhos condutores (22). O condutor de carga (3) pode ser acomodado em poros da primeira camada condutora (16) e da segunda camada condutora (18), e em poros da camada isolante (20).

[0080] 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).

[0081] 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).

[0082] 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 (Ti), 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.

[0083] 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).

[0084] 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).

[0085] 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).

[0086] 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 de carga (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 {111} planos 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.

[0087] 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.

[0088] 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).

[0089] 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.

[0090] 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.

[0091] A seguir, é descrita uma explanação etapa por etapa de como a célula solar apresentada na Figura 4 funciona:

[0092] Etapa 1. Um fóton cria um par excitado de elétron - 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.

[0093] 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).

[0094] 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).

[0095] 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).

[0096] Seis interfaces cruciais podem ser identificadas no exemplo apresentado na Figura 4:

1. Condutor de carga - interface de grão

[0097] 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

[0098] 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

[0099] 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 presente invenção, a camada isolante (38) consiste de óxido de titânio (TiO2) e de óxido de silício (SiO2). A camada de TiO2 - SÍO2 (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

[00100] 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

[00101] 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

[00102] 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 do sítio de conexão (34) suficientemente para evitar perdas resistivas de maneira tal a conseguir foto-corrente máxima.

[00103] A seguir, uma exemplificação de um método para fabricação de um dispositivo fotovoltaico em concordância com a presente invenção irá ser descrita.

[00104] Etapa 1: Formação de uma primeira camada condutora porosa sobre uma lateral de um substrato isolante poroso. Isto é, por exemplo, feito por impressão com uma tinta incluindo partículas condutivas sobre uma lateral do substrato isolante poroso. O substrato isolante poroso é, por exemplo, um substrato baseado em microfibra de vidro porosa.

[00105] Por exemplo, uma primeira tinta é preparada por misturação de partículas de TiH2 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 em cima de um substrato baseado em microfibra de vidro porosa. A camada impressa irá formar uma primeira camada condutora porosa. Adequadamente, as partículas condutivas são excessivamente grandes para terem capacidade para penetrar através do substrato isolante poroso.

[00106] Etapa 2: Formação de uma segunda camada condutora porosa sobre uma lateral oposta do substrato isolante poroso. Isto é, por exemplo, feito por impressão com uma tinta incluindo partículas condutivas sobre a lateral oposta do substrato isolante poroso. Adequadamente, as partículas condutivas são excessivamente grandes para terem capacidade para penetrar através do substrato isolante poroso.

[00107] Por 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 filtrada 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 em cima da lateral oposta do substrato isolante poroso. A segunda camada impressa irá formar uma segunda camada condutora porosa.

[00108] Etapa 3: Revestimento da primeira camada condutora porosa com uma camada de grãos feita de um material semicondutor dopado para formar uma camada de absorção de luz. Isto é, por exemplo, feito por impressão com uma tinta incluindo um pó de grãos de um material semicondutor dopado, tal como silício dopado, sobre a primeira camada condutora. Alternativamente, pó de grãos de um material semicondutor dopado, tal como silício dopado, pode ser pulverizado sobre a primeira camada condutora. Técnicas de pulverização adequadas são, por exemplo, eletro pulverização ou pulverização eletrostática. As partículas de silício podem ser gravadas à água forte em uma etapa separada antes da deposição sobre a primeira camada condutora. A gravura à água forte das partículas de silício pode ser desempenhada utilizando, soluções de gravura à água forte isotrópicas ou soluções de gravura à água forte anisotrópicas. A gravura à água forte isotrópica das partículas de silício pode ser utilizada para remover impurezas a partir da superfície de silício. A gravura à água forte anisotrópica das partículas de silício pode ser utilizada para um poço gravado à água forte (etch pit) configurado em pirâmide onde a superfície de silício configurada em pirâmide pode aumentar a efetiva absorção de luz pelo silício.

[00109] Etapa 4: Aplicação de uma pressão sobre a camada de grãos de maneira tal que porções dos grãos se projetam para a primeira camada condutora porosa. Por exemplo, a pressão pode ser aplicada sobre o topo dos grãos por utilização de uma prensa de membrana ou por utilização de uma prensa de rolete. A etapa 4 é opcional.

[00110] Etapa 5: Tratamento de calor da célula solar sob vácuo até que os grãos tenham sido sinterizados para a primeira camada condutora porosa. A camada de grãos e as camadas de condução porosas são sinterizadas por vácuo para formar uma camada porosa de grãos sobre a primeira camada condutora. 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 montagem do substrato, da primeira camada condutora e da segunda camada de condutora, e da 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. Durante o tratamento de calor em vácuo, o siliceto dos grãos e o titânio das partículas reagem e formam siliceto de titânio nos limites entre os grãos e as partículas. Por conseqüência, camadas de siliceto de titânio são formadas entre os grãos e as partículas da primeira camada condutora, o que aperfeiçoa o contato elétrico entre os grãos e as partículas.

[00111] Etapa 6: Tratamento de calor da célula solar em ar até que a superfície disponível da primeira camada condutora porosa tenha sido oxidada. Em uma próxima etapa, a célula solar 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. A superfície das partículas de silício se torna oxidada durante o tratamento por calor em ar.

[00112] Etapa 7: Remoção da camada de óxido de silício sobre as partículas de silício. Em uma próxima etapa, o óxido de silício sobre as partículas de silício é removido por tratamento da superfície das partículas de silício com fluoreto de hidrogênio. A superfície das partículas de silício pode ser exposta para fluoreto de hidrogênio na forma de uma solução de HF em água. Alternativamente, o tratamento de HF das partículas de silício pode ser desempenhado por exposição da superfície das partículas de silício para HF gasoso. O tratamento de HF possui o efeito de remoção de óxido de silício a partir da superfície das partículas de silício.

[00113] Etapa 8: Deposição de PEDOT:PSS. Em uma etapa a seguir PEDOT:PSS é depositado em cima da superfície de partículas 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.

[00114] O dispositivo fotovoltaico em concordância com a presente invenção compreende grãos de partículas semicondutoras e, conseqüentemente, fabricação e manipulação de bolachas ou construção de finas películas (filmes finos) de material frágil (quebradiço) são evitadas. Os grãos como tais são de um material mais barato e mais fácil para ser manipulado em uma produção industrial. Os grãos podem facilmente ser aplicados por impressão ou por métodos similares. Um possível defeito sobre a superfície de grãos irá somente possuir influência local sobre a eficiência da célula. Em concordância com isso, este dispositivo fotovoltaico é mais barato do que os dispositivos fotovoltaicos do estado da técnica. Um material ambientalmente amigável e estável com alta eficiência de conversão, tal como silício, pode ser utilizado como os grãos na camada de absorção de luz. O dispositivo fotovoltaico em concordância com a presente invenção pode ser feito fino e flexível.

[00115] A Figura 5 mostra um exemplo de uma camada de absorção de luz (1b) em concordância com uma segunda concretização da presente invenção. A camada de absorção de luz (1b) compreende uma pluralidade de grãos (2) feitos de um material semicondutor de um primeiro tipo de dopagem, e um condutor de carga (3) compreendendo uma pluralidade de partículas (52) feitas de um material semicondutor de um segundo tipo de dopagem. O tamanho médio das partículas de semicondutoras (52) é menor do que o tamanho médio dos grãos (2) para possibilitar que as partículas semicondutoras venham a ser acomodadas em espaços formados entre os grãos (2). Por exemplo, o tamanho médio dos grãos (2) é de menos do que 1 mm, e o tamanho médio das partículas semicondutoras (52) é preferivelmente de menos do que 0,1 mm para possibilitar que as mesmas venham a se acomodar no espaço formado entre os grãos (2).

[00116] Adequadamente, o material semicondutor dos grãos (2) e das partículas (52) é silício, e os grãos (2) e as partículas (52) são feito/as de silício com diferentes tipos de dopagem. Entretanto, outro material semicondutor pode também ser utilizado. Por exemplo, os grãos (2) podem ser feitos de CdTe, CIGS, CIS ou GaAs, e as partículas semicondutoras (52) podem ser feitas de CuSCN ou Cul.

[00117] Os grãos (2) e as partículas (52) estão em contato físico e elétrico com uns com as outras de maneira tal que uma pluralidade de junções é formada em uma área de contato entre o/as mesmo/as. O tipo da dopagem dos grãos (2) e das partículas semicondutoras (52) são tais que as junções podem proporcionar separação de elétrons e buracos foto-excitados. Devido para o fato de diferentes tipos de dopagem dos grãos (2) e das partículas semicondutoras (52), uma “região de depleção” é criada na área onde os grãos (2) e as partículas semicondutoras (52) estão em contato uns com as outras. Quando os pares de elétron-buraco alcançam a “região de depleção”, o elétron e o buraco são separados. O primeiro tipo de dopagem e o segundo tipo de dopagem são, por exemplo, do tipo P e do tipo N, e por isso as junções são junções PN, ou possíveis junções PIN.

[00118] A Figura 6 mostra esquematicamente uma seção transversal através de um dispositivo fotovoltaico (50) em concordância com uma terceira concretização da presente invenção incluindo a camada de absorção de luz (1b) compreendendo os grãos (2) e o condutor de carga (3), como é mostrado na Figura 5. O dispositivo fotovoltaico (50) adicionalmente compreende uma primeira camada condutora (16) incluindo partículas condutoras (24) em contato elétrico com os grãos (2), uma segunda camada condutora (18) incluindo partículas condutoras (25) eletricamente acopladas para as partículas semicondutoras (52) do condutor de carga (3), e uma camada isolante (20) disposta entre a primeira camada condutora (16) e a segunda camada condutora (18). O dispositivo fotovoltaico (50) adicionalmente compreende um primeiro contato (12) eletricamente conectado para a primeira camada condutora (16) e um segundo contato (14) eletricamente conectado para a segunda camada condutora (18).

[00119] O dispositivo fotovoltaico (50) adicionalmente compreende uma pluralidade de caminhos condutores de carga (22) de um material condutor de carga disposto entre a camada de absorção de luz (1b) e a segunda camada condutora (18). Nesta concretização da presente invenção, os caminhos condutores de carga (22) compreendem uma pluralidade de partículas semicondutoras feitas de um material condutor de carga. Por exemplo, as partículas semicondutoras (52) nos caminhos condutores de carga (22) são feitas de silício dopado. Adequadamente, as partículas semicondutoras no caminho são feitas do mesmo material como aquele das partículas semicondutoras (52) na camada de absorção de luz (1b). O condutor de carga (3) é depositado de uma maneira tal que algumas das partículas semicondutoras (52) parcialmente cobrem os grãos (2) e algumas das partículas semicondutoras (52) formam uma pluralidade de caminhos contínuos (22) de material condutor de carga a partir da superfície dos grãos (2) para a segunda camada condutora (18). Adequadamente, a primeira camada condutora (16) e a segunda camada condutora (18), e a camada isolante (20) são porosas para possibilitar que as partículas semicondutoras (52) do condutor de carga (3) venham a penetrar através das camadas condutoras e da camada isolante. As partículas semicondutoras (52) do condutor de carga (3) são acomodadas em poros da primeira camada condutora (16) e da segunda camada condutora (18) e em poros da camada isolante (20), como é mostrado na Figura 6. As partículas semicondutoras (52) do condutor de carga (3) estão em contato elétrico umas com as outras, e em contato elétrico com os grãos (2) na camada de absorção de luz (1b) de maneira tal que pelo menos algumas das partículas semicondutoras (52) venham a formar uma rede semicondutora entre a camada de absorção de luz (1b) e a segunda camada condutora (18).

[00120] 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. Por exemplo, em uma concretização alternativa da presente invenção os grãos podem ser embutidos no condutor de carga. A arquitetura do dispositivo fotovoltaico pode também variar. Por exemplo, a camada isolante e/ou a segunda camada condutora podem ser omitidas em outras concretizações da presente invenção. A camada de absorção de luz em concordância com a presente invenção pode também ser utilizada em um dispositivo fotovoltaico de contato frontal onde uma grade de anodo de metal é posicionada sobre o topo da camada de absorção de luz, isto é, sobre o condutor de carga e os grãos. Adicionalmente, a segunda camada condutora poderia ser não porosa na forma de uma película (um filme) de metal.

Claims (15)

1. Camada de absorção de luz (1a; 1b) para um dispositivo fotovoltaico compreendendo uma pluralidade de grãos (2) de um material semicondutor dopado e um condutor de carga (3) feito de um material condutor de carga sólido em contato físico com os grãos de maneira tal que uma pluralidade de junções (4) é formada entre os grãos e o condutor de carga, caracterizada pelo fato de que o tamanho médio dos grãos (2) é entre 1 μm e 300 μm, o condutor de carga (3) é disposto sobre os grãos (2) e entre os grãos (2) de maneira tal que a maioria dos grãos é coberta com uma camada (6) do condutor de carga cobrindo pelo menos 50% da superfície dos grãos.

2. Camada de absorção de luz, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tamanho médio dos grãos (2) é entre 10 μm e 80 μm, e preferivelmente entre 20 μm e 50 μm.

3. Camada de absorção de luz, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que referidos grãos (2) são feitos de silício dopado.

4. Camada de absorção de luz, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que referidos grãos (2) possuem {111} planos expostos na superfície dos grãos.

5. Camada de absorção de luz, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que referida camada condutora de carga (6) cobre pelo menos 70%, e preferivelmente pelo menos 80%, da superfície dos referidos grãos (2).

6. Camada de absorção de luz, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que referida camada condutora de carga (6) possui uma espessura entre 10 nm e 200 nm, e preferivelmente entre 50 nm e 100 nm.

7. Dispositivo fotovoltaico (10; 30; 50) compreendendo uma primeira camada condutora (16) e uma camada de absorção de luz (1a, 1b) disposta sobre a primeira camada condutora, e a camada de absorção de luz compreende uma pluralidade de grãos (2) de um material semicondutor dopado e um condutor de carga (3) feito de um material condutor de carga sólido em contato físico com os grãos de tal maneira que uma pluralidade de junções (4) é formada entre os grãos e o condutor de carga, caracterizado pelo fato de que o dispositivo compreende uma segunda camada condutora (18) eletricamente isolada da primeira camada condutora (16), o condutor de carga (3) é eletricamente acoplado à segunda camada condutora (18) e eletricamente isolado da primeira camada condutora (16), o tamanho médio dos grãos (2) é entre 1 μm e 300 μm, o condutor de carga (3) é disposto sobre os grãos (2) e entre os grãos (2), e uma porção da superfície de cada um dos grãos (2) está em contato elétrico e físico com a primeira camada condutora, e a parte da superfície livre restante de cada um dos grãos é coberta com o condutor de carga.

8. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dispositivo compreende uma camada isolante (20) disposta entre a primeira camada condutora (16) e a segunda camada condutora (18).

9. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o condutor de carga (3) é depositado de tal maneira que o mesmo forma uma pluralidade de caminhos contínuos (22) de material condutor de carga a partir da superfície dos grãos (2) para a segunda camada condutora (18).

10. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o condutor de carga (3) penetra através da primeira camada condutora (16) e da camada isolante (20) para formar referidos caminhos (22).

11. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que a primeira camada condutora (16) e a camada isolante (20) são porosas, e o condutor de carga (3) é acomodado em poros da primeira camada condutora (16), e em poros da camada isolante (20), de tal maneira que os caminhos condutores são formados através da primeira camada condutora (16) e da camada isolante (20).

12. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, caracterizado pelo fato de que referida primeira camada condutora (16) compreende um óxido isolante disposto para eletricamente isolar o condutor de carga (3) a partir da primeira camada condutora (16).

13. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado pelo fato de que a primeira camada condutora (16) compreende partículas de metal sinterizadas (24) em contato elétrico com os grãos (2).

14. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 13, caracterizado pelo fato de que referidos grãos (2) são feitos de silício dopado, e a primeira camada condutora (16) compreende um metal ou uma liga de metal, e uma zona de contato físico entre os grãos (2) e a primeira camada condutora (16) consiste de uma camada (26) de siliceto de metal ou de uma liga de metal - silício.

15. Dispositivo fotovoltaico, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a camada de absorção de luz (1a, 1b) é a camada de absorção de luz, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.