BRPI0619150A2 - célula fotovoltaica - Google Patents

Abstract

CéLULA FOTO VOLTAICA. A invenção refere-se a uma célula fotovoltaica, incluindo pelo menos uma primeira junção entre um par de regiões semicondutoras (4 - 9). Pelo menos uma do par de regiões semicondutoras inclui pelo menos parte de um super-reticulado, que compreende um primeiro material disperso em conjunto com as formações de um segundo material. As formações são de dimensões substancialmente pequenas, de modo que o intervalo de faixa efetivo do super-reticulado é pelo menos parcialmente determinado pelas dimensões. Uma camada absorvente (24 - 26) é proporcionada entre as regiões semicondutoras, e a camada absorvente compreende um material para absorção de radiação, de modo a resultar na excitação de portadores eletrizados e é de uma espessura tal que os níveis de excitação são determinados pelo próprio material. Pelo menos uma das faixas de energia efetivas do super-reticulado e um dos níveis de excitação do material da camada absorvente são selecionados de modo a ficarem equiparados a pelo menos dos níveis de excitação do material da camada absorvente e da faixa de energia efetiva do super-reticulado, respectivamente.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CÉLULA FO- TOVOLTAICA".

A presente invenção refere-se a uma célula fotovoltaica, incluin- do pelo menos uma primeira junção entre um par de regiões semiconduto- ras, em que pelo menos uma do par de regiões semicondutoras inclui pelo menos parte de um super-reticulado, compreendendo um primeiro material disperso em conjunto com as formações de um segundo material, cujas for- mações são de dimensões substancialmente pequenas que o intervalo de faixa efetivo do super-reticulado é pelo menos parcialmente determinado pelas dimensões, em que uma camada absorvente é proporcionada entre as regiões semicondutoras, e em que a camada absorvente compreende um material para absorção de radiação, de modo a resultar na excitação de por- tadores eletrizados e é de uma espessura tal que os níveis de excitação são determinados pelo próprio material.

A invenção também se refere a um processo de fabricação de uma rede de células fotovoltaicas.

A invenção também se refere a um dispositivo fotovoltaico, inclu- indo uma pluralidade de células fotovoltaicas.

Exemplos de tais célula fotovoltaica, processo e dispositivo foto- voltaico são conhecidos. A patente U.S. 4.718.947 descreve uma célula fo- tovoltaica p-i-n, compreendendo um substrato transparente feito de vidro ou plástico e revestido com uma camada de óxido condutor transparente. Uma camada ρ é formada na camada de óxido condutor, e uma camada intrínse- ca (camada i) é formada na camada p. Uma camada n é formada na camada i e uma camada de contato posterior metálica é formada na camada n. Su- per-reticulados são usados para formar a camada p e/ou a camada n, para diminuir a absorção nas camadas dopadas, sem diminuir a condutividade delas.

A patente U.S. 4.598.164 descreve uma célula solar em tandem, que inclui uma primeira região ativa incluindo um material super-reticulado, em que o intervalo de faixa tem um primeiro valor predeterminado, uma se- gunda região ativa incluindo um segundo material super-reticulado, em que o intervalo de faixa tem um segundo valor predeterminado, e um meio para interligar eletricamente as primeira e segunda regiões ativas, de modo que a corrente possa escoar entre as primeira e segunda regiões ativas. O super- reticulado amorfo é um material multicamada, cujas camadas são folhas fi- nas de material amorfo ligado tetraedricamente semicondutor ou isolante, em que o material é formado de elementos ligados tetraedricamente ou ligas contendo os ditos elementos ligados tetraedricamente. Cada camada tem menos que cerca de 1.500 Á de espessura.

Um problema dessa última célula é que, para torná-la suficien- temente eficiente, deve compreender combinações de camadas excessivas de diferentes materiais semicondutores, que formam as regiões ativas. De outro modo, apenas uma pequena fração da luz incidente vai ser absorvida na região ativa formada por um super-reticulado. No entanto, a adição de camadas extras ao super-reticulado vai tornar a produção do dispositivo onerosa.

É um objetivo da invenção proporcionar uma célula fotovoltaica, um método e um dispositivo fotovoltaico, que proporcionam uma conversão relativamente eficiente de energia solar para um determinado esforço de fa- bricação.

Esse objetivo é alcançado por meio da célula fotovoltaica, que é caracterizada pelo fato de que pelo menos uma das faixas de energia efeti- vas do super-reticulado e um dos níveis de excitação de energia do material da camada de absorção são selecionados para ser substancialmente iguais a pelo menos um do nível de excitação de energia do material da camada absorvente e da ligação de energia efetiva do super-reticulado, respectivamente.

Em virtude de pelo menos uma primeira das regiões semicondu- toras inclui pelo menos parte de um super-reticulado, a célula fotovoltaica pode ser produzida relativamente eficientemente. O intervalo de faixa efetivo do super-reticulado pode ser sintonizada em uma faixa vantajosa do espec- tro solar. A desvantagem que as dimensões das formações de ambos os materiais devem ser suficientemente pequenas para proporcionar o super- reticulado com um intervalo de faixa efetivo, diferente daquele de quaisquer materiais semicondutores nas camadas individuais do super-reticulado - e que muitas camadas devem ter usualmente que ser depositadas para cons- truir uma célula fotovoltaica absorvendo radiação suficiente - é atenuada de- vido à presença da camada de material para absorção de radiação, de modo a resultar na excitação de portadores eletrizados. Os portadores eletrizados excitados são transferidos para o super-reticulado adjacente, melhorando, desse modo, a eficiência de conversão de energia solar.

Dentro de uma célula fotovoltaica, uma distinção pode ser feita entre as funções de absorção de radiação, para gerar portadores eletrizados excitados, separação subseqüente dos portadores eletrizados de polaridade oposta (devido à presença de camadas dopadas dos tipo ρ e n, as cargas opostas são puxadas em um campo elétrico embutido nas direções opos- tas), transporte de portadores eletrizados e coleta dos portadores eletrizados separados e transportados. Uma vantagem da estrutura proposta é que uma separação das funções é obtida, e pode ser ainda otimizada. O material da camada absorvente, para absorção de radiação, pode ser selecionado espe- cificamente para que tenha um alto coeficiente de absorção, enquanto que os primeiro e segundo materiais, formando o super-reticulado, bem como as dimensões das formações de ambos os materiais, são selecionados para proporcionar um intervalo de faixa efetivo desejado. O intervalo de faixa efe- tivo depende de ambas as composições química e/ou estrutural e das di- mensões das formações de materiais no super-reticulado. Os níveis de exci- tação da camada absorvente, para absorção de radiação, que é homogênea para permitir a formação em uma etapa de processo, são independentes da espessura da camada. Apenas dependem da sua composição química e/ou da fase dos seus constituintes.

Quando o nível de excitação da sua camada absorvente, para absorção de radiação, corresponde substancialmente à condutora efetiva, a transferência de portadores eletrizados negativos é mais eficiente, menos energia é perdida por transferência, quando o nível corresponde, por exem- plo, a dentro de 0,2 eV, particularmente, inferior a 0,1 eV da orla inferior da faixa condutora efetiva. Quando o material da camada absorvente, para ab- sorção de radiação, apresenta pelo menos um nível de energia estável cor- respondente substancialmente a uma faixa de valência efetiva de uma regi- ão semicondutora adjacente à camada absorvente, a transferência de porta- dores eletrizados positivos é mais eficiente. Menos energia é perdida por transferência, quando o nível corresponde, por exemplo, a dentro de 0,2 eV, particularmente, menos de 0,1 eV da orla superior da faixa de valência efeti- va. Em outras palavras, a seleção de pelo menos uma das faixas efetivas do super-reticulado e um dos níveis de excitação do material da camada absor- vente, para ficar substancialmente igual a pelo menos um do nível d&excita- ção do material da camada absorvente e da faixa efetiva do super-reticulado, respectivamente, aumenta a eficiência da célula fotovoltaica. A região semi- condutora, incluindo pelo menos parte do super-reticulado, funciona como uma camada de transporte seletiva em energia, para remover a camada ab- sorvente gerada pelos portadores, para absorção de radiação.

Uma concretização compreende uma série de pares de regiões semicondutoras, separadas por junções e tendo intervalos de faixas efetivas diminuindo com cada par, em que pelo menos duas das regiões semicondu- toras incluem um super-reticulado e uma camada absorvente adjacente de um material, para absorção de radiação de modo a resultar na excitação de portadores eletrizados, de uma espessura tal que os níveis de excitação são determinados pelo próprio material.

Desse modo, uma denominada célula em tandem ou célula mul- tijunção é proporcionada. A vantagem dessa configuração é que pode ser usada para converter diferentes faixas do espectro solar em diferentes regi- ões, adaptada especificamente para as respectivas faixas. Isso diminui a termalização dos portadores eletrizados, isto é, a geração de calor quando um portador eletrizado for criado por absorção de um fóton tendo uma maior energia do que o intervalo de faixa efetiva da região na qual é absorvido. A presença, imediatamente adjacente dos sucessivos super-reticulados, de uma camada absorvente de um material, para absorção de radiação, de mo- do a resultar na excitação de portadores eletrizados, de uma espessura tal que os níveis de excitação são determinados pelo próprio material, garante que, tanto quanto possível, uma faixa de freqüências é filtrada antes da radi- ação atingir uma região semicondutora seguinte na série.

Em uma concretização, cada super-reticulado compreende uma combinação periodicamente repetitiva de camadas de diferentes materiais semicondutores, suficientemente finos para dotar o super-reticulado com um intervalo de faixa efetivo, diferente daquele de quaisquer materiais semicon- dutores nas camadas individuais do super-reticulado.

Comparada com as concretizações alternativas, tais como aque- las com um super-reticulado de ponto quântico, essa concretização tem a vantagem de que uma rota de fabricação clara desses super-reticulados, em " uma escala industrial, existe.

Em uma concretização, a camada absorvente é ensanduichada entre as regiões semicondutoras, e as regiões semicondutoras têm diferen- tes intervalos de faixa efetivos.

Essa concretização permite que os portadores eletrizados gera- dos em ambos os lados da camada absorvente contribuam para a eficiência da célula fotovoltaica.

Em uma concretização, o material para absorção de radiação compreende pelo menos um de um semicondutor direto, um material mole- cular orgânico, e um material compreendendo nanocristais.

O último tipo de material inclui materiais compreendendo estrutu- ras multifase, consistindo, por exemplo, em uma matriz com partículas de tamanhos de nanômetros posicionados regularmente no material. Nesses materiais, a orla absorvente pode ser manipulada por alteração do tamanho das partículas e pode, portanto, ser igualada energicamente ao intervalo de faixa efetivo do super-reticulado adjacente. Isso contribui para a produção de uma célula fotovoltaica relativamente eficiente. Os materiais moleculares orgânicos são mais facilmente adaptáveis para atingir a absorção em uma faixa particular do espectro solar, bem como é mais fácil de adaptar-se para igualar a faixa condutora efetiva e/ou a faixa de valência de um super- reticulado particular. Em uma concretização, o super-reticulado compreende uma combinação periodicamente repetitiva de camadas de diferentes materiais semicondutores.

O efeito é substancialmente para evitar qualquer tensão, devido ao desequilíbrio de impedância de rede. Por essa razão, as camadas de ma- teriais semicondutores amorfos são mais fáceis de atacar.

Em uma concretização, o super-reticulado compreende uma combinação periodicamente repetitiva de camadas de materiais semicondu- tores hidrogenados.

O efeito é passivar os defeitos de coordenação.

De acordo com um outro aspecto, o processo de fabricação de uma rede de células fotovoltaicas inclui a deposição de camadas de material em um comprimento de folha, e padronização de pelo menos uma das ca- madas, para formar uma rede de células fotovoltaicas, em que uma rede de células de acordo com a invenção é formada.

Devido à configuração das células fotovoltaicas, menos cama- das de material precisam ser depositadas, resultando em economias subs- tanciais no esforço de fabricação.

De preferência, as camadas são depositadas em pelo menos uma estação em uma linha de produção, em que um comprimento quase- contínuo de folha é avançada depois de cada estação.

Esse é um modo vantajoso de fabricação de redes de células fotovoltaicas, uma vez que a rede desejada pode ser cortada da folha. Além do mais, um condicionamento em câmara intenso em tempo é evitado, e o tempo de troca entre as deposições de camadas ou de material é eliminado do tempo total de fabricação da rede.

De acordo com um outro aspecto, o dispositivo fotovoltaico de acordo com a invenção inclui uma pluralidade de células fotovoltaicas de acordo com a invenção.

O dispositivo é relativamente de fácil fabricação, bem como a- presenta uma boa eficiência de conversão de energia.

A invenção vai ser descrita a seguir em mais detalhes, com refe- rência aos desenhos em anexo, nos quais:

a figura 1 mostra esquematicamente a construção de um exem- plo de uma célula fotovoltaica, fora de escala;

a figura 2 mostra um diagrama de energia de uma variante da célula fotovoltaica;

a figura 3 mostra um diagrama de energia de uma outra variante da célula fotovoltaica; e

a figura 4 mostra esquematicamente uma linha de produção pa- ra a fabricação de redes de células fotovoltaicas.

Uma célula fotovoltaica 1 é mostrada na figura 1 apenas com o intuito de necessidade de ilustrar a invenção. Em um dispositivo fotovoltaico efetivo, a célula fotovoltaica 2 vai ser encapsulada em outras camadas, in- cluindo uma ou mais camadas de folha plástica, para selar a célula fotovol- taica do meio ambiente e/ou de folhas de vidro. Na concretização ilustrada, a célula fotovoltaica 1 é uma célula em tandem, isto é, uma pilha de células componentes. Nesse caso, as células individuais na pilha são ligadas eletri- camente em série. A conexão paralela é uma alternativa, mas mais compli- cada.

A célula fotovoltaica 1 ilustrada é um dispositivo de dois termi- nais e inclui um eletrodo de topo 2 e um eletrodo posterior 3. O eletrodo de topo é feito de um material condutor transparente, por exemplo, SnO2 (oxido de estanho), ITO (oxido de índio e estanho), ZnO (óxido de zinco), Zn2SnO4 (estanato de zinco), Cd2SnO4 (estanato de cádmio) ou InTiO (óxido de índio e titânio). O eletrodo posterior 3 feito, pelo menos parcialmente, de um me- tal, tal como Al (alumínio) ou Ag (prata), uma liga metálica ou um material condutor transparente. Em uma concretização, o eletrodo posterior 3 é feito de uma combinação de um metal e um material condutor transparente, o primeiro sendo situado voltado para a parte externa da célula fotovoltaica 1.

A célula fotovoltaica 1, na concretização da figura 1, compreen- de as regiões semicondutoras 4 - 9. Em outras concretizações, pode haver menos ou mais dessas regiões. De cada par de regiões semicondutoras, um funciona como uma região de transporte eficiente e a outra é disposta para funcionar como uma região de transporte eficiente para vazios móveis.

Na concretização da figura 1, cada uma das regiões semicondu- toras 4 - 9 compreende um super-reticulado. Os semicondutores baseados em super-reticulados são conhecidos na técnica. No presente texto, o termo super-reticulado vai ser usado para denotar ambas as variantes conhecidas: aquelas compreendendo camadas de um primeiro material, dispersas em conjunto com as camadas de um segundo material, ambos sendo suficien- temente finos para afetar o intervalo de faixa, e aquelas nas quais nanocris- tais são formados de uma camada semicondutora, em que o tamanho dos nanocristais, ou pontos quânticos, afeta o intervalo de faixa efetivo do super- reticulado. Um exemplo desse último tipo de super-reticulado é mostrado mais inteiramente por Green, Μ. A., "Silicon nanostructures for all-silicon tandem solar cells", "19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition", Paris, 7-11 de junho de 2004. Os super-reticulados do tipo estratificado são compreendidos na camada absorvente aqui descrita em mais detalhes.

Os super-reticulados estratificados compreendem uma combina- ção periodicamente repetitiva de uma camada de um material semicondutor de baixo intervalo de faixa, chamado o poço, com uma camada de um mate- rial de amplo intervalo de faixa, chamado a barreira. Desse modo, na figura 1, uma primeira região semicondutora 4 inclui uma combinação repetitiva de camadas barreira primárias 10a - 10c e camadas poço primárias 11a - 11c. Uma segunda região semicondutora 5 inclui uma combinação repetitiva de camadas barreira secundárias 12a - 12c e camadas poço secundárias 13a - 13c, enquanto que uma terceira região semicondutora 6 inclui uma combina- ção repetitiva de camadas barreira terciárias 14a - 14c e camadas poço ter- ciárias 15a - 15c. As quarta, quinta e sexta regiões semicondutoras 7 - 9 in- cluem as quarta, quinta e sexta camadas barreira 16 a - 16c, 17a - 17c e 18a - 18c, respectivamente, alternando-se com as quarta, quinta e sexta cama- das poço 19a - 19b, 20a - 20c e 21a - 21c, respectivamente. Os valores da espessura das camadas 10-21 se mantém na faixa de 1 - 2 nm, pelo me- nos abaixo de 10 nm. Cada uma das regiões semicondutoras 4 - 9 tem uma espessura total da ordem de 100 nm, pelo menos abaixo de 200 nm.

As camadas 10-21 do presente exemplo são feitas de materiais semicondutores amorfos hidrogenados ou fluorados. Os exemplos adequa- dos incluem silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), silício - germânio amorfo hidrogenado (a-SiGe:H), carboneto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC:H), nitreto de silício amorfo hidrogenado (a-SiN:H) e óxido de silício amorfo hi- drogenado (a-SiO:H). O intervalo de faixa de a-Si:H depende das condições de deposição e varia de 1,6 eV a 1,9 eV. Ligando-se a-Si:H com carbono, oxigênio ou nitrogênio se amplia o intervalo de faixa das ligas, enquanto que incorporando-se germânio, se baixa o intervalo de faixa. Os meios físicos adequados podem ser produzidos por uso de a-Si:H e a-SiGe:H, como o material para os poços, isto é, as camadas poço 11, 13, 15, 19, 21, e usan- do-se a-SiC:H, a-SiN:H ou a-SiO:H, como o material para as barreiras, isto é, as camadas barreira 10, 12, 14, 16, 18. A estrutura não periódica de ca- madas baseadas em a-Si:H e a capacidade do hidrogênio de passivar os defeitos de coordenação eliminam os requisitos rigorosos para igualar as redes que aplicam os super-reticulados cristalinos.

Para formar esses super-reticulados, uma ou mais de várias téc- nicas podem ser usadas. Essas técnicas incluem deposição química de va- por, (co-)sublimação catódica reativa, (co-)evaporação reativa, etc. Para fa- bricar o exemplo ilustrado, uma técnica vantajosa é a de Deposição Química de Vapor Acentuada por Plasma (PSCVD). Essa técnica é vantajosa porque a formação de liga de a-Si:H pode ser feita facilmente por adição de gases adequados à fonte portadora de silício, tal como silano. Demonstrou-se que podem ser fabricados super-reticulados, que não são de mesmo retículo cristalino nem epitaxiais, ainda com interfaces que são essencialmente livres de defeitos e quase que atomicamente vivos.

As regiões semicondutoras adjacentes 4 - 9 de diferentes pares são separados por junções recombinantes de túneis 22, 23, que incluem re- giões do tipo N e do tipo P. As junções recombinantes de túneis 22, 23 pro- porcionam uma conexão em série interna, em que ocorre a recombinação de portadores eletrizados de carga oposta chegando dos pares adjacentes de regiões semicondutoras. A formação de túneis por meio dos portadores pe- las camadas, formando a junção recombinante de túneis, facilita essa re- combinação. A recombinação efetiva dos portadores fotogerados ocorre pe- los estados de defeito no centro da junção mantém a corrente escoando pela célula solar.

De cada par de regiões semicondutoras, uma é disposta para funcionar como uma região de transporte eficiente para vazios móveis, e a outra como uma região de transporte eficiente para elétrons. Na concretiza- ção ilustrada da figura 1, os super-reticulados são presos em uma região semicondutora do tipo N e uma região semicondutora do tipo P, isto é, as regiões semicondutoras dopadas que formam uma parte das junções re- combinantes de túneis 22, 23. Deve-se notar que as regiões dopadas tam- bém podem compreender super-reticulados.

Como é bem-conhecido, a carga espacial nos semicondutores dopados diferentemente, gerados devido à difusão para fora da maior parte dos portadores eletrizados a partir das camadas dopadas, origina um campo elétrico interno. Isso provoca uma separação de portadores eletrizados mó- veis criados por excitação. A combinação das primeira e segunda regiões semicondutoras 4, 5 converte energia solar em uma primeira faixa do espec- tro solar, a combinação das terceira e quarta regiões semicondutoras 6, 7 converte uma segunda região diferente, mas possivelmente sobreposta do espectro solar, e a combinação das quinta e sexta regiões semicondutoras 8, 9 ainda uma outra faixa. As junções recombinantes de túneis 22, 23 ga- rantem que os três pares de regiões semicondutoras são conectados eletri- camente em série.

As regiões semicondutoras 4 - 9 têm intervalos de faixas efetivos progressivamente decrescentes. Desse modo, uma primeira e uma segunda regiões semicondutoras 4, 5 têm um maior intervalo de faixa efetivo, de mo- do a capturar fótons em uma faixa (de freqüências) maior do espectro solar. As regiões semicondutoras intermediárias 6, 7 têm um intervalo de faixa efe- tivo em uma faixa intermediária do espectro solar. As regiões semiconduto- ras de topo 4, 5 são situadas mais próximas ao eletrodo de topo 2. O eletro- do de topo 2 é exposto à luz entrante, em uso, que desse modo passa pelas regiões semicondutoras 4 - 9, para diminuir o intervalo de faixa efetivo. Essa configuração proporciona eficiência de conversão de energia solar, devido à eliminação da termalização de portadores eletrizados.

Em conseqüência da incorporação das respectivas primeira, se- gunda e terceira camadas absorventes 24 - 26 dos materiais, para absorção de radiação entre os pares de regiões semicondutoras de topo, intermediá- rios e inferiores 4 - 9, a absorção de radiação incidente é largamente credi- tada às camadas absorventes. Conseqüentemente, a espessura das regiões semicondutoras pode ser limitada por redução da quantidade das camadas poço e camadas barreira, o que é vantajoso de uma perspectiva de fabrica- " ção. As camadas absorventes 24 - 26 dos materiais para absorção de radia- ção se unem aos respectivos super-reticulados, formando um par. São de uma espessura tal que os níveis de excitação são determinados pelas suas composições. Os valores adequados para a espessura são em uma faixa de cerca de 50 nm, de preferência, em uma faixa em torno de 10 nm.

As camadas absorventes 24 - 26 podem compreender um mate- rial semicondutor direto. Esse material tem um coeficiente de absorção rela- tivamente alto de 104 a 106 cm'1, de modo que as camadas absorventes 24 - 26 possam ser mantidas finas. Por exemplo, CdS com um intervalo de faixa de 2,45 eV tem o coeficiente de absorção de 500 nm em torno de 105, Cu(ln,Ga)(Se,S)2, cujo intervalo de faixa pode ser variado em uma ampla faixa de 1,0 a 1,7 eV, tendo nessa faixa de energia um coeficiente de absor- ção entre 104 e 105 cm"1. A absorção envolve a excitação de elétrons da fai- xa de valência para a de condução. Os coeficientes de absorção relativa- mente altos também caracterizam uma alternativa, isto é, os materiais mole- culares orgânicos. Esses materiais são usados no exemplo descrito no pre- sente relatório. Nos materiais moleculares orgânicos, os portadores eletriza- dos excitados são comumente referidos como agentes de excitação. Os ma- teriais moleculares orgânicos incluem porfirinas e ftalocianinas. Essas têm faixas de absorção estreitas em torno das freqüências correspondentes a um nível de energia de fóton de cerca de 2,9 eV e 1,77 eV, respectivamente. As moléculas de ftalocianina são, em particular, quimicamente muito estáveis e podem ser depositadas por evaporação a vácuo. Os níveis de excitação dos materiais nas camadas absorventes 24 - 26 são selecionados para permitir que eles fiquem iguais às faixas efetivas dos super-reticulados adjacentes.

Como os intervalos de faixa desses podem ser tratados por técnicas de en- genharia pelas dimensões das camadas finas 10 - 21, essa equiparação po- de ser obtida com um grau relativamente alto de precisão.

Os portadores eletrizados nas camadas absorventes 24 - 26 são excitados a um nível, ou acima, do limite inferior da faixa de condução efeti- va dos super-reticulados adjacentes. Isso permite a transferência de porta- dores eletrizados para o super-reticulado com uma eficiência relativamente alta. A eficiência é alta devido às baixas perdas de termalização, que acon- tecem quando os portadores eletrizados são transferidos para a faixa de condução. A equiparação é preferivelmente precisa a um valor na faixa de um décimo de elétron-volt, por exemplo, 0,1 ou 0,2 eV. Em um material mo- lecular, os portadores eletrizados são excitados ao Orbital Molecular Deso- cupado Mais Baixo (LUMO), que desse modo se equipara ao limite inferior da faixa de condução efetiva do super-reticulado adjacente. De preferência, o estado do qual o portador eletrizado é excitado - esse estado é chamado Orbital Molecular Ocupado Mais Alto (SOMO) em um material molecular pa- ra radiação absorvente - é igualado à faixa de valência efetiva, pelo menos o seu limite superior, com o mesmo grau de precisão.

A figura 2 ilustra o conceito geral da célula fotovoltaica 1 por meio de um diagrama de energia. As primeira e segunda camadas absor- ventes 27, 28 juntam das partes dos super-reticulados 29 - 32. Os super- reticulados 29 - 32 têm substancialmente as propriedades dos materiais se- micondutores intrínsecos. Formam as camadas de transporte seletivas de energia, tendo uma faixa de condução ou valência substancialmente igual ao nível estável ou de excitação da camada absorvente 27, 28 adjacente. De fato, como ilustrado na figura 2, as faixas de condução dos super-reticulados 30, 32 ficam ligeiramente abaixo dos níveis de excitação das camadas ab- sorventes 27, 28 adjacentes, enquanto que as faixas de valência dos super- reticulados 29, 31 ficam ligeiramente acima dos níveis estáveis das camadas absorventes 27, 28 adjacentes.

As partes de um super-reticulado 30 adjacentes à primeira ca- mada absorvente 27 de um super-reticulado 31, adjacente à segunda cama- da absorvente 28, formam regiões semicondutoras tendo diferentes interva- los de faixa efetivos. Se uma parte de um dos super-reticulados 29 - 32 fun- ciona como um transporte efetivo de elétrons ou vazios móveis, é determi- nada pela natureza da região semicondutora adjacente de uma das três jun- ções de recombinação de túneis 33 - 35. Cada uma das junções de recom- binação de túneis 33 - 35 compreende um par de camadas semicondutoras, uma das quais é dopada para torná-la uma camada semicondutora do tipo Ρ, o outro para torná-la uma camada semicondutora do tipo Ν. A função das junções de recombinação de túneis é proporcionar uma conexão em série entre os respectivos super-reticulados 29 - 32, com as camadas absorventes 27, 28 integradas, e ajustar o campo elétrico interno dentro da região ativa da célula fotovoltaica 1.

A figura 3 ilustra uma variante do conceito geral da figura 2 da célula fotovoltaica 1 por meio de um diagrama de energia. De novo, as pri- meira e segunda camadas absorventes 27, 28 juntam partes dos super- reticulados 29 - 32. No entanto, os super-reticulados 29 - 32 de um único par são diferentes na concretização da figura 3. Os super-reticulados 29 - 32 são selecionados para que sejam diferentes intervalos de faixa efetivos dentro de um par. Os intervalos de faixa são tratados por engenharia de modo que os portadores eletrizados negativos, excitados no super-reticulado 29, sejam forçados na direção da junção recombinante de túneis 34, enquanto que os portadores eletrizados positivos, excitados no super-reticulado 30, são acio- nados na direção da junção recombinante de túneis 33.

A figura 4 mostra uma linha de produção 36 para fabricação de uma rede de células solares, com a configuração da célula solar 1, que foi descrita. A linha de produção 36 compreende, no exemplo, duas estações 37 - 38, depois das quais um comprimento de folha é avançada. A rede de células solares é formada na folha, na medida em que ela é transferida de um primeiro rolo 39 para um segundo rolo 40. As duas estações 37, 38 são apenas exemplificativos, pois pode haver mais delas. Em particular, quando PEVCD é usada, as células solares podem ser produzidas muito eficiente- mente, por formação das camadas 10 - 21, 24 - 26 sucessivamente em uma ou mais estações 37, 38, que são posicionadas ao longo da rota da folha. A padronização, usando uma técnica a laser ou outra de corte, é aplicada para formar as células individuais. Devido ao uso dos primeiro e segundo rolos 38, 39, uma produção quase-contínua, limitada basicamente pelo diâmetro máximo praticável dos rolos 39, 40, é propiciada. As redes de um tamanho adequado podem ser formadas do comprimento da folha, após processa- mento posterior, tal como aplicação de camadas protetoras plásticas, a re- moção de uma camada de apoio, etc. A rede é então incorporada em um dispositivo fotovoltaico, incluindo conectores e conjunto de circuitos adicional opcional adequados. O uso de unidades de materiais absorventes seletivos de espectro, em conjunto com os super-reticulados, com intervalos de faixa efetivos tratados por engenharia para que fiquem iguais às faixas de absor- ção do material, especialmente em uma configuração de célula em tandem, torna o dispositivo fotovoltaico eficiente e relativamente descomplicado para ser produzido.

A invenção não é limitada às concretizações descritas acima, que podem ser variadas dentro do âmbito das reivindicações em anexo. Por exemplo, as faixas de absorção dos materiais, para absorção de radiação, podem se sobrepor parcialmente. Também, são possíveis as concretizações nas quais uma de cada par de regiões semicondutoras, adjacente à camada para absorção de radiação seletiva de espectro, é feita de um material semi- condutor direto ou indireto, inorgânico em vez de compreender um super- reticulado. Além do mais, os pares de regiões semicondutoras, que formam uma célula de junção múltipla, podem ser separados do material semicondu- tor inorgânico , ou essa camada pode ser proporcionada entre um eletrodo e um super-reticulado.

Claims (11)

1. Célula fotovoltaica, incluindo pelo menos uma primeira junção entre um par de regiões semicondutoras (4 - 9), em que pelo menos uma do par de regiões semicondutoras inclui pelo menos parte de um super- reticulado, compreendendo um primeiro material disperso em conjunto com as formações de um segundo material, cujas formações são de dimensões substancialmente pequenas que o intervalo de faixa efetivo entre as faixas de energia efetivas do super-reticulado é determinado, pelo menos parcial- mente, pelas dimensões, em que uma camada absorvente (24 - 26) é pro- porcionada entre as regiões semicondutoras, e em que a camada absorven- te compreende um material para absorção de radiação, de modo a resultar na excitação de portadores eletrizados e é de uma espessura tal que os ní- veis de excitação são determinados pelo próprio material, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma das faixas de energia efetivas do super- reticulado e um dos níveis de excitação do material da camada absorvente são selecionados para que sejam iguais a pelo menos um dos níveis de ex- citação do material da camada absorvente e a faixa de energia efetiva do super-reticulado, respectivamente.

2. Célula fotovoltaica de acordo com a reivindicação 1, compre- endendo uma série de pares de regiões semicondutoras (4 - 9), separados por junções e tendo intervalos de faixa efetivos diminuindo com cada par, em que pelo menos duas das regiões semicondutoras (4 - 9) incluem um super- reticulado e uma camada adjacente (24 - 26) de um material para absorção de radiação, de modo a resultar na excitação de portadores eletrizados, de uma espessura tal que os níveis de excitação são determinados pelo próprio material.

3. Célula fotovoltaica de acordo com a reivindicação 1 ou 2, na qual cada super-reticulado compreende uma combinação periodicamente repetitiva de camadas (10 - 21), de diferentes materiais semicondutores, su- ficientemente fina para dotar o super-reticulado com um intervalo de faixa efetivo, diferente daquele de quaisquer materiais semicondutores nas cama- das individuais do super-reticulado.

4. Célula fotovoltaica de acordo com qualquer uma das reivindi- cações anteriores, na qual o super-reticulado é compreendido de materiais semicondutores intrínsecos, e a célula fotovoltaica compreende ainda pelo menos um par de regiões semicondutoras do tipo N e do tipo P, dispostas para originar um campo elétrico interno dentro da célula fotovoltaica 1.

5. Célula fotovoltaica de acordo com qualquer uma das reivindi- cações anteriores, na qual a camada absorvente é ensanduichada entre as ditas regiões semicondutoras, e as ditas regiões semicondutoras têm dife- rentes intervalos de faixa efetivos.

6. Célula fotovoltaica de acordo com qualquer uma das reivindi- cações anteriores, na qual o material para absorção de radiação compreen- de pelo menos um de um semicondutor, um material molecular orgânico e um material compreendendo nanocristais.

7. Célula fotovoltaica de acordo com qualquer uma das reivindi- cações anteriores, na qual o super-reticulado compreende uma combinação periodicamente repetitiva de camadas (10 - 21) de diferentes materiais semi- condutores amorfos.

8. Célula fotovoltaica de acordo com qualquer uma das reivindi- cações anteriores, na qual o super-reticulado compreende uma combinação periodicamente repetitiva de camadas (10 - 21) de diferentes materiais semi- condutores amorfos de materiais semicondutores hidrogenados.

9. Processo de fabricação de uma rede de células fotovoltaicas, incluindo a deposição de camadas (10 - 26) de material em um comprimento de folha, e padronização de pelo menos algumas das camadas, para formar uma rede de células fotovoltaicas (1), em que uma rede de células de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8 é formada.

10. Processo de acordo com a reivindicação 9, no qual as ca- madas são depositadas em pelo menos uma estação (19, 20), em uma linha de produção (18), no qual um comprimento quase-contínuo de folha é avan- çado depois de cada estação (19, 20).

11. Dispositivo fotovoltaico incluindo uma pluralidade de células fotovoltaicas (1) como definidas em qualquer uma das reivindicações de 1 a 8.