ES2293862B2

ES2293862B2 - Celula solar de banda intermedia de puntos cuanticos con acoplamiento optimo de la luz por difraccion.

Info

Publication number: ES2293862B2
Application number: ES200702730A
Authority: ES
Inventors: Antonio Luque Lopez; Antonio Marti Vega
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2009-02-16
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: EP2202806A1; WO2009050314A1; US20100294334A1; ES2293862A1

Abstract

Célula solar de banda intermedia de puntos cuánticos con acoplamiento óptimo de la luz por difracción. Consiste en célula solar de banda intermedia de puntos cuánticos con acoplamiento de la luz por difracción. En la estructura de la célula, el contacto metálico inferior (7) está separado del semiconductor (1) por una capa (8) de bajo índice de refracción. Además contiene una serie de surcos (9) en la cara frontal recubiertos de una o varias capas antirreflectantes (10) que forman también parte de la estructura difractante. Los surcos (9) están diseñados de manera que difractan en el rango del infrarrojo la luz solar incidente en un cono de luz procedente de un concentrador inclinándolos lo más posible. Así se incrementa el flujo de potencia luminosa proporcionada por los fotones facilitando su absorción por las capas de puntos cuánticos (4). La capa (8) produce reflexión total interna de los rayos inclinados por (9).

Description

Célula solar de banda intermedia de puntos cuánticos con acoplamiento óptimo de la luz por difracción.

Sector técnico

Tecnología energética (conversores fotovoltaicos), tecnología óptica (LEDs y láseres), instrumentación de laboratorio (fotodetectores).

Estado de la técnica

En una célula solar convencional, el valor de la banda prohibida determina la corriente y el voltaje. Valores altos producen bajas corrientes (hay pocos fotones absorbidos) y altos voltajes y viceversa. Hay un óptimo que teóricamente ocurre (para iluminación solar isotrópica) hacia la banda prohibida del silicio.

Según un procedimiento que hemos patentado (EP 1 130 657, A2 P9901278, US 6,444,897), es posible conseguir simultáneamente altas corrientes y altos voltajes mediante un material con una banda intermedia (BI) (11) permitida en medio de la banda prohibida (12) del semiconductor tal y como se ve en la Figura 2. La célula solar se completa colocando el material (13) de banda intermedia entre dos semiconductores ordinarios uno tipo n (14) para contacto con la banda de conducción (BC) (15) y otro tipo p (16) para contacto con la banda de valencia (BV) (17). La banda intermedia queda así aislada de los contactos metálicos que en una célula solar están situados típicamente en sus caras frontal (en forma de rejilla) y posterior.

En esta célula, además del procedimiento ordinario de bombeo de electrones de la BV a la BC mediante un fotón de suficiente energía (18), debemos considerar el bombeo en dos etapas, una de la BV a la BI y con un fotón de menor energía (19), seguido del bombeo desde la BI a la BC mediante otro fotón de menor energía (20). La eficiencia de conversión fotovoltaica máxima posible con esta estructura se sitúa en el 63.2% a comparar con el límite del 40.7% que poseen las células de una sola banda prohibida o el 55.4% de las combinaciones de dos células de diversos materiales. Naturalmente, el valor óptimo de la banda prohibida no es ahora el del silicio (1.1 e.V.), sino que se sitúa en 1.95 e.V. con la sub-bandas prohibidas de 0.74 y 1.21 e.V.

La obtención de elevados voltajes depende de la aparición de tres potenciales electroquímicos (o quasi-niveles de Fermi) diferentes, uno para la banda de valencia (21), otro para la de conducción (22) y el tercero para la banda intermedia (23).

La construcción de la célula solar de banda intermedia mediante tecnologías de puntos cuánticos (24) (ver Figura 3) ha sido ya realizada, (A. Luque, A. Martí, C. Stanley, N. López, L. Cuadra, D. Zhou y A. Mc-Kee, Journal of Applied Physics, 96, pag. 903, 2004). En este dispositivo, la banda intermedia surge a partir de los niveles energéticos de los electrones confinados (25) en los puntos (ver Figura 3). Las células solares de puntos cuánticos de banda intermedia han mostrado por el momento rendimientos de hasta el 9%. Sin embargo el potencial es, como hemos dicho, muy alto y los bajos rendimientos obtenidos se deben principalmente a la baja absorción de la banda intermedia debida a la baja densidad de centros de absorción (menos de 10^{17} cm^{-3}) del material de puntos cuánticos. Esta patente, que incluye ciertas modificaciones en la fabricación de la célula solar, conduce a resolver este
problema.

En otro orden de cosas, esta patente tiene relación con el desarrollo de sistemas de confinamiento de luz basado en la difracción de la luz. Ya en 1983 las patentes US 4398056 y 4536608 describen una red de difracción de perfil rectangular (en la primera) o un conjunto de depresiones o protuberancias de perfil rectangular y planta hexagonal (en la segunda) colocado en la cara posterior de la célula solar para doblar los rayos luminosos y conseguir un mayor camino óptico dentro del material que constituye la célula solar. En 1989, RH Morf y H Kiess, ("Submicron gratings for light trapping in silicon solar cells: a theoretical study", Proc. 9th Photovoltaic Solar Energy Conf., 313-315, 1989.) publican un estudio experimental de una red de difracción de naturaleza análoga a la descrita en la primera de las patentes citadas con resultados positivos. En 1992 el propio Morf, en la patente WO92/14270, describe otras formas para la red de difracción de la cara posterior incluyendo entre ellos perfiles no solo rectangulares sino también triangulares (como extrapolación de escaleras de perfiles rectangulares). En 1996 Takahisa y colaboradores proponen en la patente JP8046227 una estructura de difracción de forma especial colocada en la superficie de la célula trabajando por tanto en trasmisión. Por otra parte en 2001, en la patente JP2001127313, Shinichi localiza la red de difracción en el interior de la célula solar, aunque dicha red sigue operando en reflexión. El objetivo general de todas estas patentes es inclinar la trayectoria de los rayos de luz incidentes sobre una capa delgada o poco absorbente de fotones aumentando así su recorrido en ella y por consiguiente su absorción. En este sentido conviene tener en cuenta el estudio de los límites de confinamiento de energía electromagnética realizado en de 1991 de uno de los inventores (A. Luque, "The Confinement of Light in Solar-Cells", Solar Energy Materials, vol. 23, pp. 152-163, Dec 1991) para una variedad de estructuras compatibles con las células solares y en particular para las células solares con estructuras de difracción sean éstas cualesquiera.

No obstante, ninguna de las patentes mencionadas involucra una célula solar de banda intermedia. Más concretamente, la presente patente aplica el concepto de redes y estructuras de difracción a las células solares de banda intermedia para incrementar la absorción de los fotones de baja energía por los puntos cuánticos que producen de la zona de banda intermedia o por otros elementos que pudieran dar lugar a ella. El estudio de límites antes mencionado es tenido en cuenta en esta patente para proponer, por primera vez, estructuras difractantes optimizadas.

Descripción de la invención

Nuestro invento consiste en una célula solar de banda intermedia caracterizada por incluir una red de centros o de líneas de difracción en la cara anterior, en la posterior, o en una capa interior a la célula entre dos materiales de distinto índice de refracción que desvían la luz del sol lateralmente en el interior de la célula y aumentan la absorción de luz al aumentar el número de transiciones que en estas células tiene lugar entre la banda de valencia y la banda intermedia (19) o entre la banda intermedia y la banda de conducción (20) o ambas simultáneamente. Los centros difractantes pueden ser pirámides de base poligonal (triángulos, cuadrados...) o planos formando un diedro. La red de difracción se forma repitiendo estos centros según un patrón periódico prefijado. Los centros están separados de manera que para al menos una de las direcciones de iluminación y para una longitud de onda en el vacío determinada las direcciones de interferencia constructiva sean paralelas a la superficie de la lámina en la que se fabrica la célula
solar.

Empezaremos nuestra descripción revisando la estructura de una célula solar de banda intermedia. Típicamente ésta consiste (ver Figura 1) en un sustrato semiconductor monocristalino (1) sobre el que se deposita una capa buffer epitaxial (2) para separar y acoplar el substrato de la parte activa de la célula, una capa epitaxial de base (3) de conductividad tipo n (o alternativamente p), una capa de material de banda intermedia (4) y una capa emisor (5) tipo p (o alternativamente tipo n). Además contiene una rejilla de contactos metálicos (6) en la cara superior y otro contacto (7) en la inferior, que en parte está separado del semiconductor por una capa (8) de bajo índice de
refracción.

Además de las capas mencionadas puede haber capas adicionales con diferentes propósitos, como por ejemplo impedir la perforación de la capa intermedia por efecto túnel (A. Martí, E. Antolín, E. Cánovas, N. López, A. Luque, C. Stanley, C. Farmer, P. Díaz, C. Christofides, and M. Burhan, "Progress in quantum-dot intermediate band solar cell research", in Proc. of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Munich: WIP-Renewable Energies, 2006, pp. 99-102) o puede faltar alguna de las capas descritas (e.g. la capa buffer 2).

Por lo que sabemos, hasta la fecha el único material de banda intermedia con el que se han realizado células solares se ha obtenido mediante una matriz de puntos cuánticos, tratándose, más concretamente de puntos de arseniuro de indio en una matriz de arseniuro de galio. La densidad de estos puntos cuánticos, inferior a 10^{17} cm^{-3}, es baja debido al tamaño relativamente grande de los puntos, y esto es inherente a las células de puntos cuánticos. En consecuencia, es muy conveniente aumentar la absorción de luz por esta capa de puntos cuánticos y para ello es necesario aumentar la densidad de potencia luminosa sobre ellos. Esto se puede lograr con las estructuras difractantes descritas en esta patente colocadas en la cara anterior, en la posterior, o en una capa interior a la célula entre dos materiales de distinto índice de refracción.

El modelo físico que permite analizar la difracción de la luz en estas estructuras y, por lo tanto, optimizarlas, está basado en un método inédito de tratar la teoría de la difracción, desarrollado por los autores, y que trataremos sucintamente a continuación.

Supongamos que tenemos un centro de difracción iluminado por una onda plana electromagnética de vector de onda k_{0} y polarización según el eje x.

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donde c es la velocidad de la luz en el vacío y n el índice de refracción del medio por el que se propaga la onda. Usaremos negrita y cursiva para los vectores y cursiva para sus módulos; x,y,z describirán las coordenadas cartesianas de un punto del espacio ordinario y t el tiempo. Con u denotaremos vectores unitarios.

Dicho centro de difracción puede considerarse el origen de una onda esférica

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Si se desplaza el centro de difracción en un vector d, pequeño respecto a la posición r donde se desea conocer el campo difractado, se obtiene

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Esta fórmula es válida para valores lo bastante grandes de r para que el centro de difracción desplazado se vea en la misma dirección que el no desplazado. Sin embargo, d no es pequeño respecto a la longitud de onda \lambda_{0} =2\pi/k_{0}.

Si en lugar de un único centro de difracción tenemos una red tridimensional a = m_{1}a_{1} + m_{2}a_{2} + m_{3}a_{3} de centros idénticos (siendo m_{1}, m_{2} m_{3} enteros cualesquiera) la onda difractada a distancia suficientemente grande de estos centros será

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cuyo sumatorio se hará nulo, en general, al referirse a valores complejos de fase casi aleatoria. Se exceptúa el caso de que se cumpla la condición

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en cuyo caso será N, es decir, el número de centros de difracción. En las anteriores fórmulas, B = p_{1}B_{1} + p_{2}B_{2} + p_{3}B_{3} donde p_{1}, p_{2}, p_{3} son enteros cualesquiera y B_{1} = (a_{2} x a_{3})/a_{1} (a_{2} x a_{3}) es un vector de base de la red recíproca. B_{2} y B_{3} se obtienen por permutación circular de los índices.

Por consiguiente, las direcciones u_{r} en las que se producen interferencias constructivas están dadas por los vectores de la red recíproca, multiplicados por la longitud de onda y desplazados por un vector unitario en la dirección de la iluminación. Sin embargo, u_{r} ha de ser también un vector unitario y por lo tanto deberá tener su extremo en la esfera de radio unidad. Puede no ser fácil encontrar vectores u_{r} que cumplan esta condición lo que significa que puede ser difícil encontrar direcciones con interferencia constructiva.

Casos especiales en los que la aparición de interferencias constructivas es más fácil son los casos de redes planas de puntos de difracción y líneas difractantes produciendo redes de difracción.

En el primer caso, la red bidimensional formada por los puntos a = m_{1}a_{1} + m_{2}a_{2}, que supondremos enteramente contenida en el plano (x,y) puede considerarse una red tridimensional a = m_{1}a_{1} + m_{2}a_{2} + m_{3} u_{z}\Omega con \Omega\rightarrow\infty; es decir,
{}\hskip17cm a_{3} = u_{z}\Omega. Los vectores de base de la red recíproca son B_{1} = \frac{a_{2} \times u_{z}}{a_{1}(a_{2} \times u_{z})}, B_{2} = \frac{u_{z} \times a_{1}}{a_{2}(u_{z} \times a_{1})} y B_{3} = \frac{a_{1} \times a_{2}}{\Omega u_{z} (a_{2} \times a_{1})} = \varpiu_{z} con
{}\hskip17cm \varpi\rightarrow0. Como se representa en la Figura 4, en esta situación la red recíproca está formada por líneas (26) que salen de los elementos (27) de la red recíproca bidimensional de base B_{1} y B_{2} multiplicada por \lambda_{0} (es decir la base de la Figura 4 es B_{1}\lambda_{0} y B_{2}\lambda_{0}) trasladadas por el vector u_{0} en la dirección de la iluminación (28). Algunas de estas líneas, suelen tener intersección con la esfera de radio unidad (29) como por ejemplo la marcada con el número (30). Obviamente hay muchas líneas (26) (las más exteriores) que no tiene ninguna intersección y por lo tanto no dan lugar a direcciones constructivas de difracción.

Por otra parte, las que tienen intersección, tienen una segunda simétrica respecto al plano (x,y) que significa que, a las direcciones constructivas del hemisferio superior, corresponden otras en el hemisferio inferior. Sin embargo, como frecuentemente la superficie que contiene a los centros de difracción suele ser la frontera de dos medios con índices de refracción diferentes, en cada uno de los hemisferios hay que aplicar un valor diferente de k=n\omega/c y como consecuencia, un valor diferente de \lambda por lo que la simetría entre direcciones en ambos hemisferios cesa de
cumplirse.

En el caso de que los centros de difracción sean líneas, todas en un plano, formando de este modo redes de difracción, podemos considerar que los vectores de base de la red de centros está dado por los vectores a_{1}=\varepsilonu_{1} con \varepsilon\rightarrow0, a_{2}=au_{2} y a_{3}=\Omegau_{z} (de nuevo \Omega\rightarrow\infty); u_{1} y u_{2} son una pareja de vectores unitarios ortogonales posiblemente girados respecto a u_{x} (que suponemos en el sentido de la polarización) y u_{y}.

La red recíproca es: B_{1} = \frac{u_{2} \times u_{z}}{\varepsilon u_{1}(u_{2} \times u_{z})} = u_{1}/\varepsilon, B_{2} = \frac{u_{z} \times u_{1}}{au_{2}(u_{z} \times u_{1})} = u_{2}/a, B_{3} = \frac{\varepsilon au_{1} \times u_{2}}{\Omega \varepsilon au_{z}(u_{1} \times u_{2})} = u_{z}/\Omega. Las direcciones
{}\hskip17cm constructivas de difracción (30) se representan ahora en la Figura 5. Obsérvese que sólo una fila de vectores recíprocos (multiplicados por \lambda_{0} trasladados por u_{0}) atraviesa la esfera de radio unidad. Los puntos de la red así construida están separados por una distancia \lambda_{0}/a. Las demás filas están a distancias de al menos 1/\varepsilon, es decir en el infinito.

Ahora estamos en condiciones de explicar cómo se consigue el confinamiento de luz y cómo se optimiza éste. Refiriéndonos a la Figura 6, en ella se representa como un solo bloque (31) la zona donde se quiere confinar la luz, por ejemplo la célula de banda intermedia representada en la Figura 1 con su estructura de difracción en la cara superior. Supongamos una onda plana de iluminación (32) con vector de onda k_{i} (de dirección u_{i}) haciendo un ángulo \gamma_{i} con el eje vertical (normal a la superficie difractante) que se difracta en una dirección de interferencia constructiva (33) formando una onda plana de vector de onda k_{d} (de dirección u_{d}) con ángulo \gamma_{d} respecto al eje z. Llamemos P_{i}(P_{i} = u_{i} E^{2}_{0}/\eta_{i}), con \eta_{i} la impedancia característica del medio) al vector de Poynting que representa el flujo de energía de la onda incidente. La energía que alcanza la zona entre los puntos (34) y (35), separados una distancia L, por unidad de profundidad en el dibujo será W = P_{i}L cos \gamma_{i}. Si toda esta energía se orienta hacia la dirección u_{d} la relación entre esta energía y el vector de Poynting será W = P_{d}L cos \gamma_{d} Por lo tanto,

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pudiéndose extraer el campo eléctrico de la onda difractada a partir de este vector de Poynting así como el flujo de fotones. Es claro que cuanto más inclinada este la onda plana difractada mayor será su vector de Poynting, pudiendo llegar a infinito para inclinaciones de 90º.

Se puede duplicar el incremento de densidad de potencia logrado por la difracción, mediante reflexión total interna en la capa (8) de la figura 1 ya que esta capa refleja las ondas planas dando lugar a nuevas ondas planas con vectores de onda reflejados.

Consideremos ahora una serie de pirámides triangulares invertidas. Cada pirámide constituye un centro de difracción como los estudiados con anterioridad y su conjunto constituye una red bidimensional. Los vectores a_{1} y a_{2} de base de la red, ambos de longitud a son respectivamente los marcados con (36) y (37) en la Figura 7. Los vectores B_{1} y B_{2} de base de la red recíproca son los marcados con (38) y (39); ambos tiene longitud 2/a\sqrt{3}. La red de centros de difracción esta marcada con líneas continuas y la recíproca con líneas discontinuas. En la Figura 8 se muestra la misma red recíproca, aunque reducida por un factor \lambda_{0} con sus vectores de base (40) y (41) son ahora \lambda_{0}B_{1} y \lambda_{0}B_{2}. En ella el círculo (42) es la proyección de la esfera de radio unidad en el plano x,y.

Para iluminación según el eje z, es decir con \gamma_{i}=0, los puntos de la red recíproca se desplazan verticalmente pero su proyección en dicho plano queda invariable. Cada nodo de la red recíproca es el origen de una línea paralele al eje z y por consiguiente su corte con la esfera de radio unidad representa una dirección constructiva de difracción. Si se ajusta a de manera que

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dichas líneas serán tangentes a la esfera en los puntos (43) y esto nos dará direcciones de difracción constructiva completamente contenidas en el plano x,y es decir con \gamma_{d}=90º. Aplicando la ecuación (6) se observa que la densidad de potencia de la onda difractada es infinita (aún suponiendo que solo se difracte una fracción finita de la potencia incidente). Hemos optimizado la citada densidad de potencia.

Sin embargo, una célula solar no está iluminada por una onda plana procedente de una sola dirección. En el caso de exposición directa al sol, estará iluminada por un cono de luz de semiángulo aproximado de 0.26º. En general este cono es mayor (y puede no ser axisimétrico) cuando procede de un concentrador.

Admitiendo que el cono de iluminación tiene un semiángulo \phi, los vectores de onda de las múltiples ondas planas que constituyen la iluminación forman un cono del mismo semiángulo. En la Figura 9 se reproduce la red recíproca de la Figura 8 (es decir, reducida por un factor \lambda_{0}) y se incluye un círculo (44) centrado en el origen de esta red recíproca de radio \delta=sin\phi/n donde n es el índice de refracción del medio que incluye los puntos cuánticos de la célula solar y tiene en cuenta la refracción del cono de iluminación al pasar a este medio. Este círculo contiene la proyección sobre al plano xy de todos vectores de onda del citado cono de iluminación. Según lo explicado, la red recíproca debe moverse de manera que su origen se apoye en una de estas proyecciones. Al hacerlo, los restantes puntos de la red recíproca describen sendos círculos (45 y 46), todos ellos de igual radio.

Obviamente, cuando la iluminación es extensa, no es posible el diseño que hemos indicado anteriormente. Ahora hay que asegurar direcciones de difracción constructivas para cada onda del cono de iluminación. Para ello el círculo de radio unidad debe pasar por el punto (47) de manera que los ciertos diámetros de los círculos (45) y (46) sean cuerdas del círculo (12) de radio unidad.

Esta condición impone que la separación a entre nodos de la red directa debe ser tal que

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Si esto se hace, cualquier dirección de iluminación va a tener al menos tres direcciones de interferencia constructiva, aunque la dirección de iluminación vertical y algunas otras de proyección en el plano xy casi paralelas a las direcciones de la red de centros de difracción van a tener seis.

El vector \Lambda(\varphi,\theta) que aparece en la Ecuación (2) puede ser calculado aproximadamente mediante la óptica geométrica. Dejando aparte su carácter vectorial, las direcciones en las que \Lambda(\varphi,\theta) es grande son las de refracción de la onda de iluminación. Llamando \psi al ángulo de la normal a las caras de la pirámide de base triangular que forma el centro de difracción, la inclinación de la direcciones de difracción para iluminación vertical (según el eje z) según la óptica geométrica es \psi-arcsen(sen \psi/n). Este valor es tanto mayor cuanto mayor es \psi y mayor el índice de refracción. Aparte de la inclinación, la direcciones refractadas están en el plano vertical que contiene la normal de la cara de las pirámides, es decir en vector a_{1}. Otras direcciones refractadas se encuentran mediante dos giros sucesivos de 120º.

La solución basada en óptica geométrica es especialmente aproximada para valores de a mucho mayores que la longitud de onda. En cambio, cuando son mucho menores, la dirección en el semiconductor no sufre refracción cuando la iluminación es según z. En los casos intermedios se producen lóbulos más o menos marcados en las direcciones antedichas. Por otra parte, para direcciones no según z pero próximas, las deflexiones no cambian mucho y \Lambda(\varphi,\theta) tampoco.

La consecuencia de ello es que tras la difracción, los círculos (45) de interferencia constructiva llevan más energía que los círculos (46). Por otra parte el círculo (44) sin deflexión llevará mas energía o menos dependiendo del tamaño (más cuanto menor) y del ángulo \psi (menos cuanto mayor). Es conveniente que lleve poca para que casi toda la energía sea difractada.

Con un razonamiento semejante se puede diseñar una red de pirámides de base cuadrangular formando una red rectangular como lo dibujado en la Figura 10 llegando a resultados parecidos. En este caso la red de centros y la red recíproca, ambas cuadrangulares, se superponen. Los vectores a_{1} y a_{2} de base de la red, ambos de longitud a son respectivamente los marcados con (36) y (37) en la Figura 10. Los vectores B_{1} y B_{2} de base de la red recíproca son los marcados con (38) y (39); y ambos tiene longitud 1/a. De manera que con la elección de la escala adecuada ambas redes se superponen. En este caso, como se puede apreciar en la Figura 11, con razonamientos semejantes a los usados al describir la figura 9 la separación óptima de los centros de difracción viene dada por

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Igualmente se puede diseñar una red de difracción como la que se observa en la Figura 12 en la que la zona sombreada representa diedros como los de la (9) en la Figura 1. La separación óptima de líneas de difracción viene dada por la ecuación (9), tal y como puede deducirse de la Figura 13.

También se puede considerar, dependiendo de la longitud de onda de la luz, el uso de un segundo orden de difracción (o un orden superior). Esto permitirá hacer mayores los centros de difracción y en consecuencia seguirán mejor la óptica geométrica y tener una función \Lambda(\varphi,\theta) más directiva. En este caso la separación de líneas de difracción se puede deducir de lo dibujado en la Figura 14.

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Una variante de la célula de la Figura 1 es la descrita en la Figura 15. En ella se deposita un reflector de Bragg (48) dieléctrico (formado por capas sucesivas de semiconductor de bajo y alto índices de refracción) encima, debajo o en medio de la capa buffer (2) con objeto de reflejar hacia arriba las ondas planas casi horizontales difractadas. Esta capa sustituye a la capa (8) de la figura 1 y tiene la ventaja de restringir la zona de alto campo a las regiones activas de la célula donde se producen menos pérdidas indeseadas por absorción en mecanismos diferentes que los perseguidos en una célula de banda intermedia.

Como otra alternativa a la estructura de célula de banda intermedia la Figura 1 podemos contemplar la estructura de la Figura 16. El ella la diferencia fundamental es que el contacto metálico (7) de la cara inferior de la Figura 1 se sustituye por un contacto metálico lateral tomado en la capa buffer (2). En esta célula, la estructura de difracción (9) se graba en la cara posterior y trabaja por reflexión total interna. La capa (49) está constituida por un medio de bajo índice de refracción que hace la reflexión total interna de la luz procedente del semiconductor e incidente en la red. También ayuda a la disipación del calor producido por la radiación que incide en la célula. En este caso la capa antirreflectante (10) de la Figura 16 se diseña como de ordinario en células solares y puede ser multicapa.

Hasta aquí hemos considerado que el material de la banda intermedia está constituido por una región que incluye una matriz con puntos cuánticos. Es posible también fabricarla mediante aleaciones. Por ejemplo, de acuerdo con nuestra patente WO2007068775A1 las impurezas capaces de producir centros profundos (muchos metales de transición) pueden, con las concentraciones adecuadas, producir bandas intermedias. También pueden hacerlo ciertas impurezas isoelectrónicas con radios iónicos marcadamente distintos como en la patente WO2005055285A2.

Descripción de los dibujos

Figura 1: Esquema de célula solar de banda intermedia con acoplamiento óptimo de la luz al material de banda intermedia que consiste en un sustrato semiconductor monocristalino (1) sobre el que se deposita una capa buffer epitaxial (2) para separar y acoplar el substrato de la parte activa de la célula, una capa epitaxial de base (3) de conductividad tipo n (o alternativamente p), una capa de material de banda intermedia (4) y una capa emisor (5) tipo p (o alternativamente tipo n). Además contiene una rejilla de contactos metálicos (6) en la cara superior y otro contacto (7) en la inferior, que en parte está separado del semiconductor por una capa (8) de bajo índice de refracción. Además contiene una serie de surcos (9) en la cara frontal recubiertos de una o varias capas antirreflectantes (10) que forman también parte de la estructura difractante.

Figura 2: Diagrama de bandas de una célula solar de banda intermedia: banda intermedia (11), banda prohibida del semiconductor (12), material de banda intermedia (13), región n para contacto con la banda de conducción (14), banda de conducción (15), región p para contacto con la banda de valencia (16), banda de valencia (17), transición de un electrón de la banda de valencia a la de conducción bombeada por un fotón (18), transición de un electrón de la banda de valencia a la intermedia bombeada por un fotón (19), transición de un electrón de la banda intermedia a la de conducción bombeada por un fotón (20), quasi-nivel de Fermi de los electrones en la banda de valencia (21), quasi-nivel de Fermi de los electrones en la banda de conducción (22), quasi-nivel de Fermi de los electrones en la banda intermedia (23).

Figura 3: Diagrama de bandas de una célula solar de banda intermedia de puntos cuánticos: material de banda intermedia (13), región n para contacto con la banda de conducción (14), región p para contacto con la banda de valencia (16), energía potencial en los puntos cuánticos (24), niveles de energía de los estados electrónicos confinados en los puntos cuánticos (25) que en esta célula solar forman la banda intermedia.

Figura 4: Red recíproca tridimensional de una red bidimensional de centros de difracción. Está formada por líneas (26) que salen de los elementos (27) de la red recíproca bidimensional de base B_{1} y B_{2} multiplicada por \lambda_{0} (es decir la base de la Figura 4 es B_{1}\lambda_{0} y B_{2}\lambda_{0}) trasladadas por el vector u_{0} en la dirección de la iluminación (28). Algunas de estas líneas, suelen tener intersección con la esfera de radio unidad (29) como por ejemplo la marcada con el número (30). Obviamente hay muchas líneas (26) (las más exteriores) que no tiene ninguna intersección y por lo tanto no dan lugar a direcciones constructivas de difracción.

Figura 5: Red recíproca tridimensional de una red de difracción formada por líneas en un plano. La red recíproca está formada por líneas (26) que salen de los elementos (27) de la red recíproca bidimensional de base B_{2} multiplicada por \lambda_{0} (es decir la base de la Figura 4 es B_{2}\lambda_{0}) trasladadas por el vector u_{0} en la dirección de la iluminación (28). Algunas de estas líneas, suelen tener intersección con la esfera de radio unidad (29) como por ejemplo las marcadas con el número (30). Obviamente hay muchas líneas (26) (las más exteriores) que no tiene ninguna intersección y por lo tanto no dan lugar a direcciones constructivas de difracción.

Figura 6: Zona donde se quiere confinar la luz (31), por ejemplo la célula de banda intermedia representada en la Figura 1 con su estructura de difracción en la cara superior. Onda plana (32) de iluminación con vector de onda k_{i} (de dirección u_{i}) haciendo un ángulo \gamma_{i} con el eje vertical (normal a la superficie difractante) que se difracta en una dirección de interferencia constructiva (33) formando una onda plana de vector de onda k_{d} (de dirección u_{d}) con ángulo \gamma_{d} respecto al eje z.

Figura 7: Red de difracción bidimensional constituida por una serie de pirámides triangulares invertidas. Los vectores a_{1} y a_{2} de base de la red, ambos de longitud a son respectivamente los marcados con (36) y (37). Los vectores B_{1} y B_{2} de base de la red recíproca son los marcados con (38) y (39); ambos tienen longitud 2/a\sqrt{3}. La red de centros de difracción está marcada con líneas continuas y la recíproca con líneas discontinuas.

Figura 8: Red recíproca de la Figura 7 reducida por un factor \lambda_{0} con sus vectores de base (40) y (41), que son ahora \lambda_{0}B_{1} y \lambda_{0}B_{2}. En ella, el círculo (42) es la proyección de la esfera de radio unidad en el plano x,y. Los puntos (43) son nodos de la red recíproca para los que las líneas que salen de ellos perpendiculares al dibujo son tangentes a la esfera de radio unidad.

Figura 9: Red recíproca multiplicada por \lambda_{0} como en la Figura 8, en la que se ha añadido el círculo (44) de proyección en el plano xy de los vectores unitarios de iluminación. Para cada vector de iluminación dentro de este círculo los nodos de la red recíproca se desplazan paralelamente de manera que los nodos próximos a la circunferencia de radio unidad (42) se desplazan por puntos en los círculos (45) y (46). El punto (47) señala la intersección de uno de los círculos (46) con el círculo de radio unidad (42) y debe producirse en la intersección del diámetro horizontal del círculo (46) con su circunferencia. De esta manera el centro de los círculos (45) y (46) de encuentra ligeramente en el interior del círculo (42) de radio unidad. Con las pirámides de la Figura 7 los círculos (45) llevan más energía que los (46).

Figura 10: Red de pirámides de base cuadrangular formando una red rectangular. En este caso la red de centros y la red recíproca, ambas cuadrangulares, se superponen. Los vectores a_{1} y a_{2} de base de la red, ambos de longitud a, son respectivamente los marcados con (36) y (37). Los vectores B_{1} y B_{2} de base de la red recíproca son los marcados con (38) y (39) y ambos tiene longitud 1/a (con la escala adecuada ambas redes se superponen).

Figura 11: Red recíproca multiplicada por \lambda_{0} como en la Figura 10, en la que se ha añadido el círculo (44) de proyección en el plano xy de los vectores unitarios de iluminación. Para cada vector de iluminación dentro de este círculo los nodos de la red recíproca se desplazan paralelamente de manera que los nodos próximos a la circunferencia de radio unidad (42) se desplazan por puntos en los círculos (45). El punto (47) señala la intersección de uno de los círculos (45) con el círculo de radio unidad (42) y debe producirse en la intersección del diámetro horizontal del círculo (45) con su circunferencia. De esta manera el centro de los círculos (45) se encuentra ligeramente en el interior del círculo (42) de radio unidad.

Figura 12: Red de difracción en la que la zona sombreada representa diedros como los de la (9) en la Figura 1. (36) y (38) representan los vectores de la red de difracción y de su red recíproca respectivamente.

Figura 13: Red recíproca multiplicada por \lambda_{0} como en la Figura 12, en la que se ha añadido el círculo (44) de proyección en el plano xy de los vectores unitarios de iluminación. Para cada vector de iluminación dentro de este círculo los nodos de la red recíproca se desplazan paralelamente de manera que los nodos próximos a la circunferencia de radio unidad (42) se desplazan por puntos en los círculos (45). El punto (47) señala la intersección de uno de los círculos (45) con el círculo de radio unidad (42) y debe producirse en la intersección del diámetro vertical del círculo (45) con su circunferencia. De esta manera el centro de los círculos (45) se encuentra ligeramente en el interior del círculo (42) de radio unidad.

Figura 14: Red recíproca multiplicada por \lambda_{0} como en la Figura 12, en la que se ha añadido el círculo (44) de proyección en el piano xy de los vectores unitarios de iluminación. Para cada vector de iluminación dentro de este círculo los nodos de la red recíproca se desplazan paralelamente de manera que los nodos próximos a la circunferencia de radio unidad (42) se desplazan por puntos en los círculos (45) y (46). En este caso se ha ajustado la separación de las líneas para que sea el segundo orden de difracción el que esté cerca del círculo (42) de radio unidad. Por causa de la directividad de la función \Lambda, los círculos (46) del segundo orden de difracción, más inclinados, llevan más energía que los (45) del primer orden. El punto (47) señala la intersección de uno de los círculos (45) con el círculo de radio unidad (42) y debe producirse en la intersección del diámetro vertical del círculo (45) con su circunferencia. De esta manera el centro de los círculos (45) se encuentra ligeramente en el interior del círculo (42) de radio unidad.

Figura 15: Esquema de célula solar de banda intermedia con acoplamiento óptimo de la luz al material de banda intermedia que consiste en un sustrato semiconductor monocristalino (1) sobre el que se deposita una capa buffer epitaxial (2) para separar y acoplar el substrato de la parte activa de la célula, una capa epitaxial de base (3) de conductividad tipo n (o alternativamente p), una capa de material de banda intermedia (4) y una capa emisor (5) tipo p (o alternativamente tipo n). Además contiene una rejilla de contactos metálicos (6) en la cara superior y otro contacto (7) en la inferior. Además contiene una serie de surcos (9) en la cara frontal recubiertos de una o varias capas antirreflectantes (10) que forman también parte de la estructura difractante. La capa (48) es un reflector de Bragg constituido par varias capas de alto y bajo índice de refracción, alternadas, diseñada para reflejar la luz difractada que la alcanza aumentando así su intensidad en la parte activa de la célula solar.

Figura 16: Esquema de célula solar de banda intermedia con acoplamiento óptimo de la luz al material de banda intermedia que consiste en un sustrato semiconductor monocristalino (1) sobre el que se deposita una capa buffer epitaxial (2) para separar y acoplar el substrato de la parte activa de la célula, una capa epitaxial de base (3) de conductividad tipo n (o alternativamente p), una capa de material de banda intermedia (4) y una capa emisor (5) tipo p (o alternativamente tipo n). Además contiene una rejilla de contactos metálicos (6) en la cara superior y otro contacto (7) sobre la capa buffer (2). Además contiene una serie de surcos (9) en la cara posterior recubiertos de una capa protectora transparente (49) de bajo índice de refracción para producir reflexión total interna en la frontera entra dicha capa y el sustrato (1). En la cara frontal hay una capa antireflectante (10) que pude ser multicapa.

Figura 17: Fabricación de una capa de puntos cuánticos por el método Stransky Krastanov. Se deposita una capa (50) de semiconductor del material barrera y a continuación una capa (51) del material de los puntos con una constante de red diferente. Cuando se llevan depositadas algunas monocapas atómicas de este último, la capa colapsa en una serie de gotas piramidales sobre una delgada capa continua de humectación. A continuación se deposita una capa separadora (52) que incluye una capa (53) de material fuertemente dopado (dopaje \delta).

Figura 18: Perfil detallado de uno de los surcos (9) de la Figura 16. Los ángulos se calculan respecto al eje (57), (55) y (58) son las normales a las facetas. Un rayo vertical (54) se refleja según (56) y luego de nuevo según (59).

Figura 19: Cálculo del área común a los círculos (42) y (45). Para ello se usa el anillo circular elemental (60).

Modo de realización preferente

La realización específica que a continuación consideramos es una entre las muchas que este invento puede adoptar. La estructura básica es la que se muestra en la Figura 16 con un substrato (1) de arseniuro de galio (GaAs) de unas 200 \mum sobre la que se depositará una capa buffer (2) de 500 nm de Al_{0 . 2}Ga_{0 . 8}As (que actúa como reflector de huecos) dopada con silicio (tipo n) a concentración de 1\times10^{18} cm^{-3} para facilitar la extracción de corriente y sobre ella una capa base (3) de 3.2 \mum de GaAs dopada con silicio a concentración 1\times10^{18} cm^{-3}. A continuación se forma una capa (4) de puntos cuánticos y sobre ella una capa emisor (5) de 900 nm de GaAs dopada con berilio (tipo p) a concentración 2\times10^{18} cm^{-3}. En este caso, entre la capa antireflectante (10) constituida por una doble capa de ZnS y SiO_{2}, se coloca una capa ventana de 40 nm de Al_{0 . 85}Ga_{0 . 15}As dopada con berilio a concentración 2\times10^{18} cm^{-3} con objeto de reducir la recombinación de superficie. Además y justo debajo del metal hay una capa p de 300 nm de GaAs dopado con berilio a concentración 5\times10^{19} cm^{-3} para facilitar el contacto óhmico.

Por lo que se refiere a las capas de puntos cuánticos, tal y como se presenta en la Figura 17, cada una de ellas consta de una primera capa (50) de 35 nm de GaAs sobra la que se depositan alrededor de 3 monocapas (51) de átomos de InAs seguidas de unos 50 nm de GaAs (52) en cuyo centro de introduce un dopaje superficial (53) con silicio (dopaje \delta) de 4\times10^{10} átomos/cm^{2}. Debido a la diferencia de constantes de red, las monocapas de InAs se contraen en gotas de forma piramidal que constituyen los puntos cuánticos deseados, si bien junto con ellos se produce una "capa de humectación" (wetting layer) que resulta en una reducción efectiva de la banda del AsGa. El proceso se repite el número de veces deseado, en nuestro caso 50. El tamaño y número de los puntos cuánticos depende del espesor de las capas de InAs, y de las temperaturas de deposición y post deposición. Asociado al tamaño de los puntos cuánticos esta el posicionamiento de los niveles de energía. Con la estructura indicada, la separación entre la banda de valencia y la de conducción es de 1.3 eV incluyendo en ello las reducciones causadas por la capa de humectación y por el desajuste (offset) en la banda de valencia. La banda intermedia se sitúa alrededor del 0.4 eV debajo de la banda de conducción modificada. Las bandas de absorción aparecen por consiguiente por encima de 0.4 eV, de 0.9 eV y de 1.3 eV correspondientes a 3.01, 1.38 y 0.954 \mum respectivamente. La célula solar está iluminada por la radiación solar que es de banda ancha. Los fotones de energía superior a la banda prohibida se absorben bien sin necesidad de tratamiento alguno. Diseñaremos nuestra red de difracción para el aprovechamiento óptimo de los fotones de 1 eV correspondiente a 1.24 \mum.

Todos los depósitos descritos pueden ser realizados por epitaxia de haces moleculares usando en equipo comercial adecuado, aunque tanto el deposito de metales como el de capas antirreflectantes es preferible realizarlo en un equipo ad hoc, preferiblemente mediante cañón de electrones.

Una vez realizados todos los depósitos debe grabarse la cara posterior de la célula. Para ello, por ejemplo al utilizar substratos de InP, la superficie del sustrato deberá estar en la dirección cristalográfica (3,1,1) con lo que los planos compactos (1,1,1) forman un ángulo de 29.50º con ella (véase Kouichi Akahanea, Naoki Ohtania, Yoshitaka Okadab, Mitsuo Kawabeb, "Fabrication of ultra-high density InAs-stacked quantum dots by strain-controlledgrowth on InP(3 1 1)B substrate", Journal of Crystal Growth 245 (2002) 31-36), lo que como veremos es lo más conveniente. Si se recubre la cara posterior con una fotorresina y en ella se abren surcos en la dirección (0,-1,1) y se sigue con un ataque direccional se producirán surcos como los que aparecen en (9) de la Figura 16, cuya normal forma un ángulo con la vertical de \gamma_{F}=29.50º, si bien estos surcos serán asimétricos formándose frente al plano mencionado un plano casi vertical que convendrá (pero no será totalmente necesario) hacer simétrico mediante un ataque de plasma. A continuación la parte posterior de la célula se recubre con una aislante transparente con índice de refracción próximo a 1.5 con objeto de proteger la superficie de los surcos, y de extraer con facilidad del calor que se disipa en la célula cuando está bajo iluminación de alta intensidad.

Los procesos de depósito de contactos metálicos en forma de rejilla no se explican en cuanto que no difieren de los realizados comúnmente en células solares.

El ángulo límite entre el semiconductor, de índice de refracción próximo a n= \sqrt{13} y el medio protector inferior de índice 1.5 es arcsin(1.5/ \sqrt{13}) = 24.58º.

Con referencia a la Figura 18, para incidencia normal el rayo (54) incide en la faceta de la red de difracción con un ángulo \gamma_{F}=29.50º con su normal (55) superior (aunque no mucho) al ángulo límite, produciéndose pues reflexión total interna. Dicho rayo es reflejado en el rayo (56) que forma con el eje (58) representado en la figura un ángulo de 180º-2\gamma_{F}=121.0º, es decir, inclinado hacia arriba (más de 90º). Este rayo (56) forma con la normal (57) a la otra faceta un ángulo de 180º-3\gamma_{F}=91.5º, que siendo superior a 90º significa que no tendrá lugar la segunda reflexión que aparece en la Figura 18 (de haber existido el rayo reflectado (59) hubiera salido con un ángulo de 4\gamma_{F}).

Es conveniente que la célula solar se diseñe para trabajar a alta concentración para así pagar los costes de estas células solares, que son caras por unidad de área, pero también para reducir la reducción de voltaje asociada a la existencia de una banda intermedia.

Para concentradores ideales se verifica que C = n^{2}_{óptica}sin^{2}\phi_{salida}/sin^{2} \phi_{sol} siendo n_{óptica} el índice de refracción del secundario de la óptica de concentración en íntimo contacto con la célula y \phi_{sol} y \phi_{salida} son los ángulos del cono de rayos procedente del sol y de los que iluminan la célula procedentes del concentrador. Suponiendo que 1/sin^{2} \phi_{sol} = 46050, para un concentrador ideal sin óptica secundaria y con concentración C de 500, el ángulo de salida sería \phi_{salida}=6.42º. Si se construyera un concentrador ideal con el mismo ángulo de salida y un secundario con n_{óptica}=1.5 la concentración seria C=1125. Descontando las pérdidas ópticas y suponiendo un buen seguimiento este concentrador podría estar trabajando a 1000 soles que es una concentración ampliamente usada (ver por ejemplo, C. Algora, E. Ortiz, et al. (2001). "A GaAs solar cell with an efficiency of 26.2% at 1000 suns and 25.0% at 2000 suns". IEEE Transactions on Electron Devices 48(5): 840-844).

\newpage

Este cono de entrada se reduce debido a la refracción en el semiconductor a un ángulo de \phi_{refactado}=arcsen(sin(6.42º)/\sqrt{13})=1.78º. Para un rayo inclinado un ángulo \phi en el sentido de las agujas del reloj, los ángulos calculados con anterioridad se trasforman en 180º-2\gamma_{F} +\phi_{refractado}, 180º-3\gamma_{F}+ \phi_{refractado} y 4\gamma_{F}-\phi_{refractado}. El rayo incidente de este cono, en el caso más desfavorable forma un ángulo con la faceta de 29.49º-1.78º= 27.71º, es decir, superior todavía al ángulo límite de 24.58º, por lo que la reflexión total interna queda asegurada. Algunos rayos reflejados pueden llegar a sufrir una reflexión muy rasante en la segunda faceta pero ello no cambia apenas la dirección de los mismos.

Obviamente, los resultados anteriores son sólo válidos en el ámbito de la óptica geométrica y no tienen por qué cumplirse bien en el ámbito de la difracción, no obstante dan una primera aproximación que establece que la función \Lambda(\varphi, \theta) tiene un lóbulo que es importante para el ángulo \varphi=121.0º (a partir de la vertical hacia abajo, es decir dirigido hacia arriba) y poco importante en la dirección de entrada de la luz.

La separación de las líneas de difracción debe satisfacer la Ecuación (9). Como la longitud de onda de interés corresponde a los fotones de 1.24 \mum en el vacío o 1.24/\sqrt{13}=0.344 en el semiconductor obtenemos que para \phi=6.42º, a=0.344 \mum.

La concentración para iluminación de una sola onda plana viene dada por la Ecuación (6). Las direcciones de difracción constructiva se encuentran en el área interior común a los círculos (42) y (45) de la Figura 19 (otro círculo (45) simétrico a la izquierda del dibujo no se considera por ahora). Para calcular esta área puede usarse una anillo circular elemental (60) de espesor d\rho. En ese gráfico cos \gamma_{d} = \sqrt{1 - \rho^{2}}. Por otra parte, consideraremos cos \gamma_{i} = 1 para todos las ondas planas de iluminación. En consecuencia,

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donde \delta = sin \phi/n y \theta es el semiángulo de intersección del círculo (45) y del anillo elemental (60) dado por

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El cálculo de la ecuación (11) para el valor de \phi usado anteriormente es de P_{d}/P_{i}=8.858.

Este resultado se debe interpretar como sigue: para la mayor parte de las ondas planas del cono de iluminación tras atravesar la célula de arriba a abajo la difracción se produce ya hacia la derecha ya hacia la izquierda (la difracción de salida es despreciable) con ángulos apropiados para producir la concentración arriba indicada. Estas ondas difractadas sufren reflexión total interna en la cara superior e iluminan los puntos cuánticos con ondas planas simétricas que de este modo duplican la concentración alcanzada. Ante esta nueva iluminación la red de difracción (por micro- reversibilidad del tiempo) vuelve a difractar la luz hacia arriba con lo que la luz no absorbida sale fuera y se pierde. En resumen la concentración de iluminación de los puntos cuánticos es 8.858+8.858+1+1=19.716 (los "1" corresponden a los tránsitos casi verticales de las ondas entrantes y salientes). Algunas, muy pocas, direcciones de iluminación sufren inicialmente difracción de valor casi igual en ambas direcciones (derecha e izquierda). En este caso la reflexión de la cara superior da lugar a una situación global idéntica a la ya descrita.

Lo anteriormente dicho es válido para la luz de 1.24 \mum (en el vacío). Para longitudes de onda inferiores la concentración es progresivamente menor.

En resumen, con esta red de difracción podemos aumentar la absorción e la capa de puntos cuánticos en cantidades de casi 20 veces la correspondiente a su espesor.

Aplicación industrial

La aplicación industrial más directa del dispositivo objeto de la invención es el aumento de la absorción de luz por la banda intermedia de las células de banda intermedia. Estas células se han hecho hasta ahora con puntos cuánticos que por su inherente baja densidad absorben poco la luz. A ello se añade que no es posible hacer capas muy gruesas de puntos cuánticos ya que su formación puede causar defectos en material semiconductor debido al desequilibrio de tensiones acumuladas. Por otra parte, pueden llegar a ser demasiado caros de fabricar.

Gracias a este invento es posible aumentar de forma importante la intensidad luminosa para los fotones adecuados en la zona de los puntos cuánticos. De este modo, la célula de banda intermedia de puntos cuánticos puede presentar una elevada absorción de la luz por debajo de la banda prohibida y de este modo desarrollar el potencial de rendimiento que este tipo de células prometen pero que hasta ahora no han podido alcanzar.

En el modo de realización de la invención que hemos presentado a título de ejemplo hemos realizado un diseño optimizado para una célula trabajando a alta concentración. Esto es de interés porque demuestra la viabilidad del invento en esos casos, a pesar de que la concentración es muy elevada. El uso de esta elevada concentración es de interés no sólo porque abarata el uso de este tipo de células que son inherentemente caras por unidad de área (pero que pueden ser baratas por kWh producido usadas en concentradores) sino porque elimina efectos indeseables que reducen el voltaje alcanzable.

Por otra parte, en esta patente se describe un método inédito optimizado para el diseño de redes y estructuras de difracción que puede ser de interés para otros tipos de células solares en los que una baja absorción de la luz sea un problema, y en particular para muchas células de capas delgadas.

Claims

1. Célula solar de banda intermedia caracterizada por incluir una red de centros o de líneas de difracción en la cara anterior, en la posterior, o en una capa interior a la célula entre dos materiales de distinto índice de refracción que desvían la luz del sol lateralmente en el interior de la célula y aumentan la absorción de luz al aumentar el número de transiciones que en estas células tiene lugar entre la banda de valencia y la banda intermedia o entre la banda intermedia y la banda de conducción o ambas simultáneamente.

2. Una célula de banda intermedia según reivindicación 1 caracterizada porque los centros o líneas de difracción, que separan dos medios de distinto índice de refracción, están constituidas por:

-: pirámides con base poligonal ó

-: planos formando un diedro ó

-: cualquiera de las anteriores repetidos según un patrón periódico fijado.

3. Una célula solar de banda intermedia, según las reivindicaciones 1 a 2 en la que los centros o líneas de difracción están separados de manera que, para al menos una de las direcciones de iluminación y para fotones de una longitud de onda en el vacío determinada, las direcciones de interferencia constructiva sean paralelas a la superficie de la lámina en la que se fabrica la célula solar.

4. Célula solar de banda intermedia, según reivindicaciones 1 a 3 caracterizada porque incluye un reflector de Bragg (48) dieléctrico (formado por capas sucesivas de semiconductor de bajo y alto índices de refracción) situado encima, debajo o en medio de la capa buffer (2) con objeto de reflejar hacia arriba las ondas planas casi horizontales difractadas.

5. Célula solar de banda intermedia, según reivindicaciones 1 a 3 ó 4 caracterizada porque incluye un contacto metálico lateral tomado en la capa buffer (2), que sustituye el contacto metálico inferior (7), con el fin de dejar la parte posterior de la célula accesible para grabar en ella la estructura de difracción (9) y que trabaja por reflexión interna total.

6. Célula solar de banda intermedia, según la reivindicación 1 a 3 ó 4 ó 5 caracterizado porque el material de banda intermedia está formado por una matriz de puntos cuánticos ó mediante aleaciones que incorporan impurezas que introducen centros profundos en el gap del semiconductor.