ES2332303T3 - Aparato fotovoltaico con particulas semiconductoras esfericas. - Google Patents

Aparato fotovoltaico con particulas semiconductoras esfericas. Download PDF

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Mikio Murozono
Hideyuki Takakura
Yukio Yamaguchi
Jun Yamagata
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Abstract

Un aparato fotovoltaico (1) que comprende: (a) una pluralidad de elementos de conversión fotoeléctrica (2), cada uno de los cuales es de una forma aproximadamente esférica e incluye una primera capa semiconductora (7) y una segunda capa semiconductora (8), que está situada por fuera de la primera capa semiconductora (7), a fin de generar una fuerza electromotriz entre las primera y segunda capas semiconductoras (7, 8), de tal modo que la segunda capa semiconductora (8) tiene una abertura (9) a través de la cual queda expuesta o al descubierto una porción (10) de la primera capa semiconductora (7); y (b) un soporte (3), que incluye un primer conductor (13), un segundo conductor (14) y un aislante (15), dispuesto entre el primer y el segundo conductores (13, 14), a fin de aislar eléctricamente los primer y segundo conductores (13, 14) uno de otro, de tal manera que el primer conductor (13) está conectado eléctricamente a las segundas capas semiconductoras (8) de los elementos de conversión fotoeléctrica (2), y el segundo conductor (14) está conectado eléctricamente a las porciones expuestas de las primeras capas semiconductoras (7), caracterizado por que el soporte (3) tiene una pluralidad de rebajes (17) que están dispuestos adyacentes unos a otros y cuyas superficies internas están constituidas por el primer conductor (13) o un revestimiento formado sobre él, estando dispuestos los elementos de conversión fotoeléctrica (2) en los respectivos rebajes (17), de tal modo que los elementos de conversión fotoeléctrica (2) son iluminados con luz reflejada por parte del primer conductor (13) o por el revestimiento formado sobre él, que constituye el rebaje (17).

Description

Aparato fotovoltaico con partículas semiconductoras esféricas.
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a un aparato fotovoltaico y a un aparato de producción a gran escala para la producción a gran escala de partículas semiconductoras esféricas, adecuadas para la fabricación de aparatos fotovoltaicos y similares.
En la divulgación que aquí se describe, el término "unión pin" debe ser interpretada de manera que incluye una estructura tal, que se forman capas semiconductoras de tipo n, I [intrínseco] y p en un elemento de conversión fotoeléctrica aproximadamente esférico, de tal modo que se disponen en este orden, en sentido hacia fuera desde el interior del elemento de conversión fotoeléctrica aproximadamente esférico, o hacia dentro desde el exterior.
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2. Descripción de la técnica relacionada
Una práctica típica de la técnica relacionada proporciona un aparato fotovoltaico que comprende un elemento de conversión fotoeléctrica, compuesto de una oblea semiconductora de silicio cristalino. El aparato fotovoltaico de la técnica relacionada es de un coste oneroso debido a que la etapa de producir un cristal es compleja. Además, la etapa de fabricar una oblea semiconductora no sólo es compleja como consecuencia de que incluye el corte de un único cristal de una pieza, su troceado o rebanado y su pulido, sino que también la etapa es desperdiciadora debido a que los residuos de cristal producidos por el corte, el rebanado, el pulido, etc. ascienden a aproximadamente el 50% en volumen, o más, del cristal individual inicial de una pieza.
Otra práctica de la técnica relacionada proporciona un aparato fotovoltaico que comprende un elemento de conversión fotoeléctrica compuesto de una delgada película de silicio amorfo (abreviadamente, "a-Si"), que resuelve los problemas anteriormente mencionados. Puesto que se forma una capa de conversión fotoeléctrica de película delgada mediante el método CVD (deposición química de vapor -"chemical vapor deposition") de plasma, este aparato fotovoltaico de la técnica relacionada presenta ventajas por cuanto que las etapas que se requieren de manera convencional, tales como el corte de un cristal individual de una pieza, su rebanado y su pulido, no son necesarias y es posible utilizar una película depositada, en su totalidad, como capas activas del dispositivo. El aparato fotovoltaico de silicio amorfo, sin embargo, presenta una desventaja por cuanto que el semiconductor tiene un cierto número de defectos cristalinos (esto es, estados de separación o salto) en el seno del semiconductor, debido a la estructura amorfa, y la batería solar de silicio amorfo tiene el problema de que la eficiencia de la conversión fotoeléctrica se reduce como consecuencia de un fenómeno de deterioro inducido fotónicamente. Con el fin de resolver este problema, se ha desarrollado, convencionalmente, una técnica de desactivación de los defectos cristalinos por medio de la aplicación de un tratamiento de hidrogenación, mediante la cual se ha llevado a cabo la fabricación de dispositivos electrónicos tales como baterías solares de silicio amorfo.
Sin embargo, ni siquiera dicho tratamiento es capaz de eliminar completamente los efectos adversos de los defectos cristalinos, y, por ejemplo, la batería solar de silicio amorfo sigue teniendo un punto débil por cuanto que la eficiencia de la conversión fotoeléctrica se reduce entre el 15% y el 25%.
Una técnica recientemente desarrollada para suprimir el deterioro inducido fotónicamente ha producido una batería solar del tipo de apilamiento o pila en la que una capa de tipo i [semiconductor intrínseco] fotoeléctricamente activa se ha hecho extremadamente delgada y se emplean células solares de 2 uniones o de 3 uniones, y ha tenido éxito por lo que respecta a la supresión del deterioro inducido fotónicamente hasta aproximadamente el 10%. Se ha puesto de manifiesto que el grado de deterioro inducido fotónicamente se reduce cuando la temperatura de funcionamiento de las células solares es alta. Si bien se está desarrollando en este momento una técnica modular en la que las células solares se hacen funcionar en tal estado, ésta no satisface todos los requisitos y se requieren mejoras
adicionales.
Aún otra práctica de la técnica relacionada en la que se elimina el problema anterior, se divulga la Publicación de Patente Japonesa Examinada Nº JP-B2 7-54855 (1995). De acuerdo con esta práctica de la técnica relacionada, se forma una matriz solar de la siguiente manera. Se incluyen o embuten partículas esféricas, cada una de las cuales tiene una esfera de silicio de tipo p y una cubierta o cáscara de silicio de tipo n, en el seno de una lámina plana de hoja de aluminio, provista de orificios. Las esferas internas de silicio de tipo p se dejan expuestas o al descubierto mediante eliminación por ataque químico superficial de las cáscaras de silicio de tipo n de la cara o lado trasero de la hoja de aluminio. Las esferas de silicio de tipo expuesto se unen a otra lámina de hoja de aluminio.
En esta práctica de la técnica relacionada, con el fin de reducir los costes disminuyendo la cantidad de silicio de alta pureza utilizado, es necesario reducir el espesor medio del dispositivo en su conjunto mediante la reducción del diámetro exterior de las partículas. Para aumentar la eficiencia de la conversión, es necesario agrandar la superficie de recepción de luz, y, con este fin, se requiere disponer las partículas unas más cerca de las otras. En suma, se necesita disponer densamente un cierto número de partículas que tienen un diámetro exterior pequeño, y unirlas a las láminas de hoja de aluminio. Esto hace compleja la etapa de unir las partículas a las láminas de hoja de aluminio, con el resultado de que no se consigue una reducción suficiente del coste.
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Tales partículas semiconductoras esféricas son necesarias para fabricar una matriz o conjunto ordenado solar tal como el que se describe en el documento JP-B2 7-54855. En dicho conjunto ordenado solar, puede obtenerse fuerza foto-electromotriz generada por la aplicación de luz a partículas semiconductoras esféricas de silicio, conectando eléctricamente las partículas semiconductoras esféricas de silicio al conjunto ordenado de hoja metálica.
Según se describe, por ejemplo, en la Patente norteamericana Nº 5.012.619, dichas partículas esféricas se fabrican de una manera tal, que un material de estado sólido se tritura hasta obtener partículas que tienen formas externas irregulares, y las partículas resultantes se colocan en un cilindro que está provisto de un revestimiento interior para el amolado, de manera que se establece un flujo espurio o parásito de gas dentro del cilindro, a fin de hacer chocar con ello las partículas con el revestimiento interior o unas con otras.
Esta práctica de la técnica relacionada requiere mucho tiempo y trabajo para fabricar partículas semiconductoras esféricas y, en consecuencia, es inferior en el aspecto de reducción de costes.
Aún otra práctica de la técnica relacionada se divulga en la Publicación de Patente Japonesa No Examinada Nº JP-A 8-239298 (1996). En esta práctica de la técnica relacionada, se fabrica una delgada barra de silicio de la siguiente manera. Una porción de punta de una barra de silicio, perteneciente a una barra de silicio que se sujeta verticalmente, se funde por calentamiento a alta frecuencia. Una vez que un cristal de silicio nuclear o de semilla se une por fusión a la barra de silicio fundida, el cristal de silicio de semilla y la barra de silicio son desplazados en alejamiento uno de otro en dirección vertical, con lo que se obtiene una delgada barra de silicio que tiene menos de 1 mm de espesor. Con arreglo a esta práctica de la técnica anterior, se fabrica una delgada barra de silicio a una velocidad de, por ejemplo, entre 5 mm/minuto y 10 mm/minuto. Es deseable que se fabrique un gran número de partículas semiconductoras esféricas a una velocidad mucho mayor.
Se aprecia que las publicaciones de Patentes norteamericanas Nos. US 4.521.640 y US 5.466.301 describen un aparato fotovoltaico que comprende una pluralidad de esferas semiconductoras dispuestas en un soporte que tiene una capa semiconductora generalmente plana, que está conectada eléctricamente a la capa exterior de las esferas semiconductoras.
Sumario de la invención
Es un propósito de la presente invención proporcionar un aparato fotovoltaico altamente fiable y altamente eficiente que pueda ser producido a gran escala con facilidad, al tiempo que la cantidad de material semiconductor que se utiliza, tal como silicio de alta pureza, se reduce; esto es, un material fotovoltaico altamente fiable y altamente eficiente que pueda ser fabricado a bajo coste, con menores magnitudes de consumo de recursos y energía.
Otro propósito de la invención es proporcionar un aparato capaz de fabricar a gran escala partículas semiconductoras esféricas con facilidad, mediante manipulaciones sencillas.
Un primer aspecto de la invención proporciona un aparato fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1.
De acuerdo con la invención, los elementos de conversión fotoeléctrica aproximadamente esféricos se disponen en los rebajes respectivos del soporte, y las superficies internas de los respectivos rebajes están constituidas por el primer conductor del revestimiento formado sobre el primer conductor. Por lo tanto, la luz externa tal como la luz del sol, se hace incidir directamente en cada uno de los elementos de conversión fotoeléctrica, así como tras haber sido reflejada por la parte del primer conductor o revestimiento formado sobre el primer conductor, que es la superficie interna del rebaje.
Puesto que los elementos de conversión fotoeléctrica están dispuestos en los rebajes respectivos, se forman unos intervalos o intersticios entre medias, es decir, su disposición no es densa. Sin embargo, el número de elementos de conversión fotoeléctrica que se utilizan se ha reducido, con el resultado de que la cantidad empleada de material de alta pureza (por ejemplo, silicio) de los elementos de conversión fotoeléctrica puede ser reducida, y la etapa de unir los elementos de conversión fotoeléctrica a los conductores del soporte puede llevarse a cabo con mayor facilidad.
Por otra parte, los rebajes están dispuestos adyacentes unos a otros, por lo que la luz externa es reflejada por las superficies internas de los rebajes y aplicada, a continuación, a los elementos de conversión fotoeléctrica. En consecuencia, la luz externa puede utilizarse de manera eficiente para la generación de fuerza foto-electromotriz por parte de los elementos de conversión fotoeléctrica. De acuerdo con ello, se consigue maximizar la cantidad de potencia eléctrica generada por unidad de área opuesta a una fuente de luz de los elementos de conversión fotoeléctrica.
Los elementos de conversión fotoeléctrica pueden estar hechos de un único cristal, ser policristalinos o de un material amorfo, y pueden estar hechos de un material de silicio, un material semiconductor compuesto o materiales similares. Los elementos de conversión fotoeléctrica pueden tener una estructura pn, una estructura pin, una estructura de barrera Schottky, una estructura de MIS (metal-aislante-semiconductor -"metal-insulator-semiconductor"), una estruc-
tura de unión homogénea u homo-unión, una estructura de unión heterogénea o hetero-unión, o una estructura similar.
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La primera capa semiconductora interior está parcialmente expuesta o al descubierto a través de la abertura de la segunda capa semiconductora exterior, lo que hace posible extraer la fuerza foto-electromotriz que se genera entre las primera y segunda capas semiconductoras durante la aplicación de la luz. Las segundas capas semiconductoras de los respectivos elementos de conversión fotoeléctrica dispuestos en los respectivos rebajes del soporte, están conectadas eléctricamente al primer conductor del soporte. Las porciones expuestas de las primeras capas semiconductoras interiores de los respectivos elementos de conversión fotoeléctrica están conectadas eléctricamente al segundo conductor, el cual está formado sobre el primer conductor, con el aislante interpuesto entre medias. En una estructura en la que el primer conductor y el segundo conductor se extienden formando un plano, los elementos de conversión fotoeléctrica están conectados entre sí en paralelo con los primer y segundo conductores, y pueden producir una gran corriente.
El elemento de conversión fotoeléctrica puede, bien consistir en una esfera completa o bien tener una superficie externa que es aproximadamente una superficie esférica completa. La primera capa semiconductora puede ser maciza y tener una forma aproximadamente esférica. Alternativamente, la primera capa semiconductora puede estar hecha sobre la superficie externa de un núcleo que se ha preparado con antelación. Como alternativa adicional, la primera capa semiconductora aproximadamente esférica puede tener una parte central hueca.
En la invención, es preferible que los elementos de conversión fotoeléctrica tengan un diámetro exterior de entre 0,5 mm y 2,0 mm.
De acuerdo con la invención, los elementos de conversión fotoeléctrica pueden tener un diámetro exterior de entre 0,5 mm y 2,0 mm, preferiblemente de entre 0,8 mm y 1,2 m, y, más preferiblemente, de aproximadamente 1,0 mm. Esto hace posible reducir suficientemente la cantidad de material utilizada, tal como silicio de alta pureza, así como maximizar la cantidad de potencia eléctrica generada. Por otra parte, los elementos de conversión fotoeléctrica esféricos pueden ser manejados con facilidad durante la fabricación, y es posible aumentar la productividad.
En la invención, es preferible que la abertura de la segunda capa semiconductora tenga un ángulo central \theta1 de entre 45º y 90º.
Ajustando el ángulo central \theta1 en entre 45º y 90º, preferiblemente en entre 60º y 90º, pueden reducirse las cantidades de las partes de las primera y segunda capas semiconductoras que se desechan para formar la abertura, es decir, es posible reducir la pérdida de material. Por otra parte, si se establece el ángulo central \theta1 dentro de tal intervalo, ello permite que la abertura tenga un área suficiente para la conexión eléctrica entre la primera capa semiconductora y el segundo conductor del soporte.
En la invención, es preferible que los rebajes del soporte tengan respectivas aberturas de un polígono (por ejemplo, un polígono en panal de abeja), de las cuales las que son adyacentes entre sí son continuas, de tal modo que cada uno de los rebajes se estrecha en dirección al fondo del mismo, y la primera capa semiconductora y la segunda capa semiconductora de cada uno de los elementos de conversión fotoeléctrica están conectadas eléctricamente al primer conductor y al segundo conductor, respectivamente, en el fondo del rebaje o en las proximidades del mismo.
En la invención, es preferible que el primer conductor esté dotado de un primer orificio de conexión, circular, formado en el fondo del rebaje o en las proximidades del mismo, y el aislante esté provisto de un segundo orificio de conexión, circular, que tiene una línea axial común con el primer orificio de conexión, de tal manera que una porción del elemento de conversión fotoeléctrica situada en las proximidades de la abertura de la segunda capa semiconductora, se ajusta en el primer orificio de conexión y una porción de superficie externa situada por encima de la abertura de la segunda capa semiconductora, se conecta eléctricamente a una capa de extremo del primer orificio de conexión del primer conductor o a una porción del mismo en las inmediaciones de la cara de extremo, y de tal modo que la porción expuesta de la primera capa semiconductora del elemento de conversión fotoeléctrica, se conecta eléctricamente al segundo conductor a través del segundo orificio de conexión.
En la invención, es preferible que un diámetro exterior D1 de los elementos de conversión fotoeléctrica, un diámetro interior D2 de las aberturas de las segundas capas semiconductoras, y un diámetro interior D3 de los primeros orificios de conexión, así como un diámetro interior D4 de los segundos orificios de conexión, satisfagan la relación
D1 > D3 > D2 > D4.
De acuerdo con la invención, una porción del elemento de conversión fotoeléctrica situada en las proximidades de la abertura, se ajusta en el primer orificio de conexión del primer conductor, y la porción expuesta de la primera capa semiconductora del elemento de conversión fotoeléctrica se conecta eléctricamente al segundo conductor a través del segundo orificio de conexión del aislante del soporte, de tal modo que el primer conductor y el segundo conductor del soporte pueden ser fácilmente conectados eléctricamente a la segunda capa semiconductora y a la primera capa conductora, respectivamente, del elemento de conversión fotoeléctrica.
Por lo que respecta a la conexión eléctrica entre la segunda capa semiconductora y el primer conductor, una porción, por encima de la abertura, de la superficie externa de la segunda capa semiconductora está conectada eléctricamente a la cara de extremo del primer orificio de conexión y/o a una porción del primer conductor situada en las proximidades de la cara de extremo, esto es, la cara circunferencial interna del primer orificio de conexión y/o una porción del primer conductor situada en las proximidades del primer orificio de conexión y rodeándolo (véase la Figura 1).
Por ejemplo, cada saliente del segundo conductor, formado por deformación elástica, puede ser insertado a través del segundo orificio de conexión y conectado eléctricamente a la porción de la primera capa semiconductora que queda expuesta o al descubierto a través de la abertura. Alternativamente, la porción de la primera capa semiconductora que queda expuesta a través de la abertura puede ser conectada al segundo conductor con una pasta conductora proporcionada dentro del segundo orificio de conexión, o bien a través de un tope conductor tal como un tope de metal.
El ajuste del diámetro exterior D1 y de los diámetros interiores D2-D4 de tal modo que satisfagan la desigualdad anterior, permite una conexión eléctrica fiable sin causar cortocircuitos indeseados.
En la invención, es preferible que se seleccione una relación x de captación de luz que es igual a S1/S2, de manera que se encuentre entre un intervalo entre 2 y 8, donde S1 es un área de abertura de cada uno de los rebajes del soporte y S2 es un área de una sección transversal de los elementos de conversión fotoeléctrica, que incluye un centro de los mismos.
Un segundo aspecto de la invención proporciona un aparato fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 8.
Un tercer aspecto de la invención proporciona un aparato fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 9.
Por ejemplo, las aberturas de los respectivos rebajes del soporte adopta la forma de polígonos en panal de abeja, tal como el hexágono. Cada rebaje se estrecha en dirección a su fondo, y existe un elemento de conversión fotoeléctrica dispuesto en el fondo de cada rebaje. Cada elemento de conversión fotoeléctrica está conectado eléctricamente a los conductores del soporte situados en el fondo o a sus inmediaciones del rebaje. Puesto que las aberturas de los rebajes respectivos adoptan la forma de polígonos y son continuas unas con otras, puede aplicarse a los elementos de conversión fotoeléctrica toda la luz recibida por la totalidad de la superficie del soporte opuesto a la fuente de luz (por ejemplo, la luz del sol), excluidas las áreas de los elementos de conversión fotoeléctrica. Puede realizarse, por tanto, lo que se denomina un elemento de conversión fotoeléctrica del tipo de captación de luz, en el que la relación de captación de luz x = S1/S2 se establece, por ejemplo, en entre 2 y 8 (preferiblemente, entre 4 y 6). Esto hace posible aumentar los intervalos o intersticios entre los elementos de conversión fotoeléctrica, reducir el número de elementos de conversión fotoeléctrica y simplificar la etapa de conectar eléctricamente los elementos de conversión fotoeléctrica al soporte. En consecuencia, la cantidad de semiconductor de alta pureza que se utiliza como material de los elementos de conversión fotoeléctrica, puede reducirse y la invención puede ponerse en práctica de manera poco costosa. Al tener una estructura relativamente simple, el soporte es superior en productividad y puede fabricarse fácilmente.
Un experimento llevado a cabo por la presente invención muestra que, cuando un aparato fotovoltaico de acuerdo con la invención, en el que los elementos de conversión fotoeléctrica de silicio aproximadamente esféricos tienen un diámetro exterior de entre 800 \mum y 1.000 \mum, y la relación x de captación de luz se ha ajustado en entre 4 y 6, se convierte en una placa plana imaginaria que utiliza el mismo peso de silicio que el del silicio que constituye la totalidad de los elementos de conversión fotoeléctrica del aparato fotovoltaico, y que tiene la misma área que el área de una proyección del aparato fotovoltaico sobre un plano perpendicular a la luz que llega desde una fuente de luz, la placa plana imaginaria tiene un espesor de entre aproximadamente 90 \mum y 120 \mum. Esto significa que la cantidad de silicio que se emplea para generar una potencia eléctrica de 1 W es tan pequeña como 2 g, lo que es una conclusión que marca un antes y un después. En la primera práctica de la técnica anterior previamente descrita, que utiliza elementos de conversión fotoeléctrica formados en una única oblea semiconductora de silicio de un solo cristal, el cristal único de silicio es tan grueso como entre 350 \mum y 500 \mum, y el espesor asciende hasta aproximadamente 1 mm cuando se incluye la pérdida por rebanado. En consecuencia, en la primera práctica de la técnica anterior, la cantidad de silicio que se utiliza para generar una potencia eléctrica de 1 W es entre aproximadamente 15 g y 20 g. Se comprende que la invención puede hacer que la cantidad de silicio utilizada sea mucho más pequeña que en la primera práctica de la técnica anterior.
Cuando la relación x de captación de luz se ajusta de manera que sea mayor que 8, el número de elementos de conversión fotoeléctrica necesarios puede ser reducido y la cantidad de silicio utilizada para generar una potencia eléctrica de 1 W puede reducirse adicionalmente. Sin embargo, en la práctica, a medida que se incrementa la relación x de captación de luz, la eficiencia de la captación de luz, que es la relación entre la energía óptica absorbida por los elementos de conversión fotoeléctrica y la que incide en los rebajes, se hace más pequeña y el rendimiento del aparato fotovoltaico se reduce en correspondencia.
Al ajustar, según se ha descrito anteriormente, el diámetro exterior de cada elemento de conversión fotoeléctrica en entre 0,5 mm y 2,0 mm (preferiblemente, entre 0,8 mm y 1,2 mm), y al ajustar la relación x de captación de luz en entre 2 y 8 (preferiblemente, entre 4 y 6), el número de elementos de conversión fotoeléctrica puede ser reducido, la cantidad de silicio utilizada para generar una potencia eléctrica de 1 W puede ser reducida, y la etapa de conectar eléctricamente los elementos de conexión fotoeléctrica al soporte puede ser simplificada adicionalmente. Así, pues, la combinación de los valores del diámetro exterior de cada elemento de conversión fotoeléctrica y la relación x de captación de luz, es importante a la hora de reducir el número de elementos de conversión fotoeléctrica y de reducir la cantidad de silicio que se utiliza para generar una potencia eléctrica de 1 W.
Cuando el diámetro exterior de cada elemento de conversión fotoeléctrica es menor que 0,5 mm, el número de elementos de conversión fotoeléctrica que se necesitan se hace demasiado grande, aunque la cantidad de silicio utilizada disminuye. Cuando el diámetro exterior de cada elemento de conversión fotoeléctrica es mayor que 2 mm, la cantidad de silicio utilizada se hace excesivamente grande, aunque el número de elementos de conversión fotoeléctrica que se necesitan disminuye.
Cuando la relación de captación de luz es menos que 2, la cantidad de silicio utilizada no puede ser suficientemente reducida. Cuando la relación de captación de luz es mayor que 8, la eficiencia en la captación de luz se hace más pequeña que, por ejemplo, el 80%, y el comportamiento disminuye en correspondencia. Si se ajusta la relación x de captación de luz en el intervalo adecuado, la invención permite la posibilidad de hacer que la eficiencia de la captación de luz sea mayor que el 80%, e incluso que el 90%.
De acuerdo con la invención, al ajustar los valores del diámetro exterior de cada elemento de conversión fotoeléctrica y de la relación x de captación de luz en los intervalos anteriormente mencionados, se consigue una ventaja considerable por cuanto que tanto el número de elementos de conversión fotoeléctrica necesarios como la cantidad de silicio que se ha de emplear para generar una potencia eléctrica de 1 W, puede reducirse en gran medida, hasta entre 1/5 y 1/10 de los de la tercera práctica de la técnica anterior.
En un aparato fotovoltaico en el que se utilizan elementos de conversión fotoeléctrica de silicio amorfo y la luz de capta con una relación de captación de luz dentro del intervalo anteriormente mencionado, la temperatura de los elementos de conversión fotoeléctrica puede aumentarse hasta entre 40ºC y 80ºC, que es más alta que en el caso de utilizar un elemento de conversión fotoeléctrica de placa delgada de silicio amorfo. Esto hace posible suprimir el deterioro del elemento de conversión fotoeléctrica de silicio amorfo y prologar, con ello, la vida útil del aparato fotovoltaico.
En la invención, es preferible que los elementos de conversión fotoeléctrica tengan una unión pn de una manera tal, que la segunda capa semiconductora, de uno de los tipos de conductividad, que tiene un salto entre bandas óptico más ancho que el que presenta la primera capa semiconductora, que tiene el otro tipo de conductividad, se forme fuera de la primera capa semiconductora {véase la Figura 14}.
En la invención, es preferible que los elementos de conversión fotoeléctrica tengan una unión pin de una manera tal, que la primera capa semiconductora, que tiene uno de los tipos de conductividad, una capa semiconductora intrínseca amorfa, y una segunda capa semiconductora amorfa que tiene el otro tipo de conductividad, que presenta un salto entre bandas óptico más ancho que el que tiene la primera capa semiconductora, no están dispuestas fuera de este orden (véanse las Figuras 15 y 16).
En la invención, es preferible que la primera capa semiconductora y la segunda capa semiconductora estén hechas, respectivamente, de silicio de tipo n y de SiC [carburo de silicio] amorfo de tipo p.
En la invención, se prefiere que el silicio de tipo n del que está hecha la primera capa semiconductora sea silicio de tipo n de un único cristal o mono-cristalino, o silicio de tipo n micro-cristalino (\muc).
En la invención, es preferible que la primera capa semiconductora sea una capa semiconductora de salto directo.
En la invención, se prefiere que la capa semiconductora de salto directo esté hecha de un semiconductor seleccionado de entre el grupo consistente en InAs, GaSb, CuInSe_{2}, Cu(InGa)Se_{2}, CuInS, GaAs, InGaP y CdTe.
De acuerdo con la invención, emplear como primera capa semiconductora interior un semiconductor de salto directo que absorbe fácilmente la luz, permite la posibilidad de obtener probabilidades de transición de electrones y huecos suficientemente elevadas, lo que también contribuye al incremento de la eficiencia de la conversión fotoeléctrica.
En la invención, se prefiere que una pluralidad de los soportes, cada uno de los cuales tiene porciones periféricas que se extienden hacia fuera, estén dispuestos adyacentes unos con otros, y que parte del primer conductor situada en la porción periférica de uno de los soportes de cada par de soportes adyacentes entre sí, y parte del segundo conductor situada en la porción periférica del otro, se dispongan extendiéndose una sobre otra y conectadas eléctricamente entre sí.
En la invención, es preferible que la porción periférica tenga salientes hacia arriba o salientes hacia abajo, y que el saliente hacia arriba o el saliente hacia abajo de uno de los soportes de cada par de soportes adyacentes entre sí, y el saliente hacia arriba o el saliente hacia abajo del otro se pongan en contacto uno con otro y se conecten eléctricamente entre sí.
De acuerdo con la invención, en el caso de que parte del primer conductor situada en una porción periférica de uno de los soportes de cada par de soportes adyacentes entre sí, de entre una pluralidad de soportes montados con elementos de conversión fotoeléctrica, y parte del segundo conductor situada en una porción periférica del otro, se dispongan extendiéndose una sobre otra y conectadas eléctricamente entre sí, de tal modo que las fuerzas electromotrices generadas por los elementos de conversión fotoeléctrica de los respectivos soportes están conectadas entre sí en serie. Esto hace posible suministrar como salida una tensión alta conforme a lo deseado.
De acuerdo con la invención, en el caso de que una saliente hacia arriba y un saliente hacia abajo, salientes hacia arriba o salientes hacia abajo de las porciones periféricas de cada par de soportes adyacentes entre sí, estén conectados eléctricamente unos con otros (véanse las Figuras 12 y 13), los rebajes de cada soporte pueden hacerse más cercanos entre sí y es posible disponer tantos rebajes y elementos de conversión fotoeléctrica como sea posible en un área limitada.
La invención hace posible reducir en gran medida la cantidad utilizada de material de elemento de conversión fotoeléctrica (en particular, el costoso silicio) y simplificar la etapa de conexión de los elementos de conexión fotoeléctrica al soporte, al reducir el número de elementos de conversión fotoeléctrica, a fin de aumentar con ello la productividad y reducir el coste. En particular, el uso de los elementos de conversión fotoeléctrica de acuerdo con la invención permite la posibilidad de poner en práctica un método de fabricación capaz de ahorrar recursos y energía. La luz solar o luz similar es reflejada por la superficie del primer conductor o por un revestimiento formado sobre ésta, que constituye la superficie interna de cada rebaje del soporte, y la luz de reflexión resultante brilla sobre el elemento de conversión fotoeléctrica. De esta manera, la luz incidente puede ser utilizada de manera eficaz. El primer conductor o un revestimiento formado sobre él, sirve no sólo para reflejar la luz incidente, sino también para guiar corrientes (el primer conductor está conectado a las segundas capas semiconductoras de los respectivos elementos de conversión fotoeléctrica). A la vez que tiene una estructura más simple, el soporte es superior en productividad.
En particular, al ajustar el diámetro exterior de cada elemento de conversión fotoeléctrica en entre 0,5 mm y 2,0 mm (preferiblemente, entre 0,8 mm y 1,2 mm), y la relación x de captación de luz en entre 2 y 8 (preferiblemente, entre 4 y 6), la invención proporciona la considerable ventaja de que tanto la cantidad de silicio que se ha de emplear para generar una potencia eléctrica de 1 W, como el número de elementos de conversión fotoeléctrica necesarios, puede reducirse en gran medida, hasta entre 1/5 y 1/10 de los de la tercera práctica de la técnica anterior. El hecho de reducir la cantidad de silicio utilizada hace posible realizar un aparato fotovoltaico con un coste bajo. La reducción del número de elementos de conversión fotoeléctrica y la simplificación, con ello, de la etapa de conectar eléctricamente los elementos de conversión fotoeléctrica al soporte, aumentan la productividad, lo que también contribuye a la realización de un aparato fotovoltaico de bajo coste.
En consecuencia, la invención hace posible proporcionar un aparato fotovoltaico altamente fiable y altamente eficiente.
Una unión pn o pin se forma ajustando el salto entre bandas óptico de la segunda capa semiconductora externa, amorfa, de manera que sea más ancho que el de la primera capa semiconductora del lado central. Con esta disposición, la luz no es absorbida en gran cantidad por la segunda capa semiconductora por el lado de incidencia de la luz, hecha de un material de ventana, por lo que la velocidad de recombinación de la capa superficial se ve reducida y se alcanza una acción de ventana de salto amplio. La eficiencia de la conversión energética puede ser aumentada como resultado de estos efectos.
La inserción de una capa semiconductora micro-cristalina (\muc) que tiene una elevada conductividad, entre la primera capa semiconductora del lado central y la capa de unión pin externa, hace posible aumentar la eficiencia de la conversión energética.
La invención hace también posible aumentar la eficiencia de la conversión energética mediante el uso de una primera capa semiconductora de salto directo.
Por otra parte, la invención facilita la fabricación de elementos de conversión fotoeléctrica.
La invención permite la posibilidad de producir a gran escala partículas semiconductoras esféricas que tienen diámetros de partícula uniformes, mediante la sencilla operación de dejar caer desde la boquilla un semiconductor que ha sido fundido en el crisol y hacer vibrar el semiconductor fundido. Las partículas así producidas pueden ser convertidas fácilmente en partículas de un único cristal o policristalinas, en una fase de vapor. Y cada partícula semiconductora cristalina puede conformarse fácilmente con una capa superficial mediante la adulteración o dopaje con impurezas.
Breve descripción de los dibujos
Otros objetos, características y ventajas adicionales de la invención se pondrán de manifiesto de forma más explícita por la siguiente descripción detallada, tomada con referencia a los dibujos, en los cuales:
la Figura 1 es una vista en corte y aumentada de parte de un aparato fotovoltaico 1 de acuerdo con una realización de la presente invención;
la Figura 2 es una vista en corte que muestra la estructura del aparato fotovoltaico 1;
la Figura 3 es una vista en perspectiva y en despiece del aparato fotovoltaico 1 de la Figura 2;
la Figura 4 es una vista en planta de parte de un soporte 3;
la Figura 5 es una vista en corte de un elemento de conversión fotoeléctrica 31 que es una versión de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2, antes de ser montado en el soporte 3;
la Figura 6 es una vista en corte que muestra un método para producir un conjunto 4 de los elementos de conversión fotoeléctrica 2 y el soporte 3;
la Figura 7 es una vista en corte que muestra un procedimiento para formar una abertura 32 mediante el corte de cada elemento de conversión fotoeléctrica esférico 31;
la Figura 8 es una vista en perspectiva y simplificada que muestra un procedimiento para colocar los elementos de conversión fotoeléctrica 2 dentro de respectivos rebajes 17 del soporte 3;
la Figura 9 es una vista en perspectiva que muestra el modo como los conjuntos 4 y 4b de los elementos de conversión fotoeléctrica 2 y el soporte 3 están unidos entre sí;
la Figura 10 es una vista en corte y en despiece de unas porciones periféricas 61 y 61b y de sus inmediaciones, pertenecientes a los conjuntos 4 y 4b que se muestran en la Figura 9;
la Figura 11 es una vista lateral simplificada que muestra el modo como los conjuntos 4, 4b y 4c están conectados eléctricamente entre sí;
la Figura 12 es una vista en corte que muestra una estructura de conexión eléctrica de los conjuntos 4 y 4b que son adyacentes entre sí, de acuerdo con otra realización de la invención;
la Figura 13 es una vista en corte que muestra una estructura de conexión eléctrica de los conjuntos 4 y 4b que son adyacentes entre sí, de acuerdo con aún otra realización de la invención;
la Figura 14 es una vista en corte de parte de un elemento de conexión fotoeléctrica 2 de acuerdo con otra realización de la invención;
la Figura 15 es una vista en corte de parte de un elemento de conversión fotoeléctrica 2 de acuerdo con aún otra realización de la invención; y
la Figura 16 es una vista en corte de parte de un elemento de conversión fotoeléctrica 2 de acuerdo con aún otra realización de la invención.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Haciendo referencia, a continuación, a los dibujos, se describen en lo que sigue realizaciones preferidas de la invención.
La Figura 1 es una vista en corte y ampliada de parte de un aparato fotovoltaico 1 de acuerdo con una realización de la presente invención. La Figura 2 es una vista en corte que muestra la estructura del aparato fotovoltaico 1, y la Figura 3 es una vista en perspectiva y en despiece del aparato fotovoltaico 1 de la Figura 2. El aparato fotovoltaico 1 tiene la siguiente estructura básica. Un conjunto 4 de una pluralidad de elementos de conversión fotoeléctrica generalmente esféricos 2 y un soporte 3 que está montado con los elementos de conversión fotoeléctrica, está incluido o embutido dentro de una capa de relleno 5 hecha de un material de resina sintética transparente, tal como PVB (poli(vinil butiral)) o EVA (acetato de vinil etileno). Una lámina protectora transparente 6, hecha de policarbonato o de un material similar, se ha proporcionado sobre el lado de la fuente de luz (por ejemplo, la luz del sol) de la capa de relleno 5, y se ha fijado a ésta. Una lámina trasera 12 estanca al agua se ha fijado a la superficie de la capa de relleno 5, sobre el lado o cara opuesta a la de la capa protectora 6 (cara inferior o de fondo en la Figura 2). Así, pues, el aparato fotovoltaico 1 adopta, en su conjunto, una forma de placa plana.
Cada elemento de conversión fotoeléctrica 2 tiene una primera capa semiconductora 7 y una segunda capa semiconductora 8, situada por el exterior de la primera capa semiconductora 7. Existe una abertura 9 formada en la segunda capa semiconductora 8. Una porción 10 (una porción de fondo en la Figura 1) de la primera capa semiconductora 7 queda expuesta o al descubierto a través de la abertura 9. Cuando se aplica luz 11 desde arriba en la Figura 1, se genera una fuerza foto-electromotriz entre la primera capa semiconductora 7 y la segunda capa semiconductora 8 del elemento de conversión fotoeléctrica 2.
El soporte 3 está configurado de tal manera que un aislante 15 queda intercalado o emparedado entre un primer conductor 13 y un segundo conductor 14. Es decir, el primer conductor 13 y el segundo conductor 14 se encuentran aislados eléctricamente uno de otro por el aislante 15. Cada uno del primer conductor 13 y el segundo conductor 14 puede consistir en una lámina de hoja de aluminio o en una lámina de otro metal. El aislante 15 puede estar hecho de un material de resina sintética tal como la poliimida o algún otro material aislante. Se ha dispuesto una pluralidad de rebajes 17 adyacentes entre sí. Las superficies internas de los rebajes 17 constituyen la superficie del primer conductor 13. Los elementos de conversión fotoeléctrica 2 se han proporcionado en los fondos de los respectivos rebajes 17.
La Figura 4 es una vista en planta de parte del soporte 3. En la invención, las aberturas 18 de los rebajes 17 adoptan formas de polígono. En esta realización, adoptan una forma de panal de abejas, es decir, hexágonos regulares. De acuerdo con otra realización de la invención, la abertura 18 de ada rebaje 17 adopta la forma de otro tipo de polígono que tiene tres o más vértices. La longitud W1 (véase la Figura 4) de cada abertura 18 es, por ejemplo, 2 mm. Las aberturas 18 que son adyacentes entre sí son continuas; es decir, los rebajes 17 están unidos unos con otros por unas porciones dobladas 19 con forma de U invertida (véase la Figura 1). Esta estructura hace posible dar cabida a tantos rebajes 17 como sea posible en el área que es opuesta a la luz 11, asó como causar que las superficies internas de los rebajes 17 (es decir, la superficie del primer conductor 13) reflejen la luz incidente y guíen la luz de reflexión resultante hacia los respectivos elementos de conversión fotoeléctrica 2. En consecuencia, esta estructura proporciona una gran relación de captación de luz.
Cada rebaje 17 se estrecha hacia el fondo y adopta, por ejemplo, una sección transversal parabólica. En el fondo de cada rebaje 17, la primera capa semiconductora 7 del elemento de conversión fotoeléctrica 2 está conectada eléctricamente al segundo conductor 14 del soporte 3 a través de una porción de conexión 21. En el fondo o en las inmediaciones de éste de cada rebaje 17, la segunda capa semiconductora 8 del elemento de conversión fotoeléctrica 2 está conectada eléctricamente al primer conductor 13 del soporte 3.
La Figura 5 es una vista en corte de un elemento de conversión fotoeléctrica 31 que es una versión de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2, antes de ser montado en el soporte 3. La estructura en corte del elemento de conversión fotoeléctrica 31 de la Figura 5 es similar a la de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2 mostrado en la Figura 1. Una primera capa semiconductora 7 está hecha de silicio de tipo n, que puede ser silicio amorfo, de un único cristal o policristalino. Una segunda capa semiconductora 8, situada por el exterior de la primera capa semiconductora 7, está hecha de silicio de tipo p, que puede ser también silicio amorfo, de un único cristal o policristalino. Cuando el salto entre bandas óptico de la segunda capa semiconductora 8 se ajusta de modo que es más ancho que el de la primera capa semiconductora 7 (por ejemplo, la segunda capa semiconductora 8 está hecha de a-SiC de tipo p), puede conseguirse una acción de ventana de salto ancho.
De acuerdo con otra realización de la invención, la primera capa semiconductora 7 mostrada en la Figura 5, está hecha de un semiconductor de salto directo que es un semiconductor seleccionado de entre el grupo consistente en InAs, CuInSe_{2}, Cu(InGa)Se_{2}, CuInS, GaAs, InGaP y CdTe, que exhibe conductividad de tipo n. La segunda capa semiconductora 8 está formada sobre la primera capa semiconductora 7, hecha de dicho semiconductor de salto directo. La segunda capa semiconductora 8 está hecha de un semiconductor seleccionado de entre el grupo consistente en AlGaAs, CuInSe_{2}, Cu(InGa)Se_{2}, GaAs, AlGaP y CdTe, que exhibe una conductividad de tipo p, y de compuestos semiconductores similares a éstos. Se forma de esta manera una estructura de unión pn.
Cuando se utilizan semiconductores amorfos como primera capa semiconductora 7 y segunda capa semiconductora 8, puede formarse una estructura de unión pin formando una capa semiconductora de tipo i 69 entre una primera capa semiconductora 68 y la segunda capa semiconductora 70 (que se describe más adelante; véase la Figura 15).
A continuación, se describirá un método para producir el conjunto 4 de los elementos de conversión fotoeléctrica 31 (véase la Figura 5) y el soporte 3 (véase la Figura 1).
La Figura 6 es una vista en corte que muestra un método para producir el conjunto 4 de los elementos de conversión fotoeléctrica 2 y el soporte 3. Después de producir los elementos de conversión fotoeléctrica esféricos 31 que se muestran en la Figura 5, los elementos de conversión fotoeléctricos 2 se cortan según se muestra en la Figura 6. En cada uno de los elementos de conversión fotoeléctrica 2 resultantes, tal como se muestra en la Figura 6, una porción 10 de la primera capa semiconductora 7 queda expuesta o al descubierto a través de una abertura 9 de la segunda capa semiconductora 8. La abertura 9 tiene una forma conforme a la que se obtendría cortando los elementos de conversión fotoeléctrica 31 por un plano, y tiene un ángulo central \theta1 que es menor que 180º. El ángulo central \theta1 puede estar comprendido, por ejemplo, en el intervalo entre 45º y 90º. Es preferible que el ángulo central \theta1 se encuentre en un intervalo de 60º a 90º. El diámetro exterior D1 de cada elemento de conversión fotoeléctrica 31 puede estar dentro de un intervalo entre 0,5 mm y 2,0 mm, por ejemplo. Es preferible que el diámetro exterior D1 se encuentre en un intervalo entre 0,8 mm y 1,2 mm. En la Figura 6, el símbolo D2 representa el diámetro interior de la abertura 9. La relación de captación de luz x = S1/S2 se encuentra dentro de un intervalo entre 2 y 8, donde S1 es el área de abertura de cada rebaje 17 del soporte 3, y S2 es el área de una sección transversal, que incluye su centro, de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2. Es preferible que la relación x de captación de luz se encuentre en el intervalo entre 4 y 6.
La Figura 7 es una vista en corte que muestra un procedimiento para formar la abertura 9 cortando cada elemento de conversión fotoeléctrica esférico 31. Aunque la porción superior de cada uno de los elementos de conversión fotoeléctrica esféricos 31 es atraída por vacío por una cubeta o ventosa de atracción 34, los elementos de conversión fotoeléctrica esféricos 31 son amolados por un elemento abrasivo 35 en forma de cinta sin fin. El elemento abrasivo 35 está enrollado en unos rodillos 36 y 37 y es accionado por ellos a rotación.
Volviendo a la Figura 6, el soporte 3 se produce de la siguiente manera. Se prepara un primer conductor 13, hecho de hoja de aluminio, y se forman en él unos orificios de conexión 39. El diámetro interior D3 de cada orificio de conexión 39 se establece de manera que sea más pequeño que el diámetro exterior D1 de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2 y mayor que el diámetro interior D2 de la abertura 9 de la segunda capa semiconductora 8
(D1 > D3 > D2). Se prepara un aislante 15 con forma de placa delgada, y se forman en él unos orificios de conexión 40. El diámetro interior D4 de cada orificio de conexión 40 se establece de manera que sea más pequeño que el diámetro interior D2 de la abertura 9 de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2 (D2 > D4). El primer conductor 13 que tiene los orificios de conexión 39 se dispone extendiéndose sobre el aislante 15 que tiene los orificios de conexión 40, y se une a él, por lo que el primer conductor 13 y el aislante 15 quedan integrados uno con otro. Cada par de orificios de conexión 39 y 40 comparte una línea axial común. La estructura resultante se dispone extendiéndose sobre un segundo semiconductor 14 y se une a él, por lo que quedan integrados entre sí para producir un soporte plano 3a. De acuerdo con otra realización de la invención, el primer conductor 13 que tiene los orificios de conexión 39, el aislante 15 que tiene los orificios de conexión 40, y el segundo conductor 14 se disponen extendiéndose unos sobre otros y se unen entre sí de una vez, por lo que quedan integrados unos con otros. Cada uno del primer conductor 13, el segundo conductor 14 y el aislante 15 pueden tener un espesor de, por ejemplo, 60 \mum. La porción en torno a la abertura 9 de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2 se ajusta dentro del orificio de conexión 39 y es opuesta al orificio de conexión 40 del aislante 15. Alternativamente, la porción en torno a la abertura 9 puede ser colocada sobre el primer conductor 13 de tal manera que quede opuesta al orificio de conexión 39.
Se hace también referencia a la Figura 1. La porción de la superficie externa de la segunda capa semiconductora 8 de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2 que está situada por encima de la abertura 9 en la Figura 1 y rodea la abertura 9, está conectada eléctricamente a la porción del primer conductor 13 del soporte 3a (ó 3) que se encuentra en las proximidades del orificio de conexión 39, es decir, la cara circunferencial interna del orificio de conexión 39 ó la porción del primer conductor 13 que se encuentra en las proximidades del orificio de conexión 39 y lo rodea. Una porción de conexión 44 (véase la Figura 1), en la que la superficie externa de la segunda capa semiconductora 8 se conecta o une al primer conductor 13, está situada en el lado opuesto (por encima en la Figura 1), con respecto al segundo conductor 14, de una periferia 45 de la superficie de fondo del elemento de conversión fotoeléctrica 2 que contiene la abertura 9, por lo que se impide forma fiable que el primer conductor 13 se conecte eléctricamente a la primera capa semiconductora 7. La porción de conexión 44 es paralela a la superficie de fondo del elemento de conversión fotoeléctrica 2 que contiene la abertura 9 y está más cerca de la abertura 9 (esto es, más abajo en la Figura 1) que un plano imaginario 47 que pasa por el centro 46 del elemento de conversión fotoeléctrica 2.
A continuación, el soporte plano 3a se somete a una deformación plástica, por lo que una pluralidad de rebajes 17 quedan dispuestos adyacentes entre sí. El segundo conductor 14 se deforma de tal manera que sobresale hacia arriba (en la Figura 6) a través del orificio de conexión 40 del aislante 15, es decir, penetra a través del orificio de conexión 40 y sobresale de éste, para convertirse en las porciones de conexión 21. Un soporte resultante 3 puede tener una altura H1 de aproximadamente 1 mm, por ejemplo.
La etapa de conectar eléctricamente las primeras capas semiconductoras 7 al segundo conductor 14 y la etapa de conectar eléctricamente las segundas capas semiconductoras 8 al primer conductor 13 pueden llevarse a cabo, bien secuencialmente (cualquiera de las dos etapas puede llevarse a cabo primero) o simultáneamente.
Los elementos de conversión fotoeléctrica 2, cada uno de los cuales tiene la abertura 9, se acomodan en los respectivos rebajes 17 así formados.
De acuerdo con otra realización de la invención, el soporte 3 se produce de la siguiente manera. Después de haber deformado plásticamente la estructura de 3 capas del primer conductor 13, el aislante 15 y el segundo conductor con el fin de formar los rebajes 17, se forman los orificios de conexión 39 y 40, respectivamente, en el primer conductor 13 y en el aislante 15, con el uso de dos tipos de luz de láser.
La Figura 8 es una vista en perspectiva y simplificada que muestra un procedimiento para colocar los elementos de conversión fotoeléctrica 2 en los respectivos rebajes 17 del soporte 3. Un juego de elementos de conversión fotoeléctrica 2 producidos por el corte de los elementos de conversión fotoeléctrica 31 en un estado en que son atraídos por vacío por las cubetas o ventosas de atracción 34, es transportado manteniendo las aberturas 9 bocabajo y colocado en los respectivos rebajes 17 del soporte 3. Por ejemplo, se disponen en línea 100 cubetas de atracción 34. Una vez que el juego de elementos de conversión fotoeléctrica 2 se ha colocado en los respectivos rebajes 17 por medio de las cubetas de atracción 34, el soporte 3 es desplazado en una dirección 42 una distancia que es igual a un paso de los rebajes 17, y se coloca en nuevos rebajes 17 otro juego de elementos de conversión fotoeléctrica 2 mediante el uso de las cubetas de atracción 34, de la misma manera que se ha descrito en lo anterior. Se colocan elementos de conversión fotoeléctrica 2 en todos los rebajes 17 repitiendo la operación anterior. A continuación, la operación de conectar eléctricamente cada elemento de conversión fotoeléctrica 2 al soporte 3 se lleva a cabo en el fondo de cada rebaje 17.
La primera capa semiconductora 7 de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2 queda expuesta a través de la abertura 9 y se conecta eléctricamente a la porción de conexión 21 a través del orificio de conexión 40 del segundo conductor 14. La porción, situada por encima de la abertura 9, de la superficie externa de la segunda capa semiconductora 8 de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2, se conecta eléctricamente a la porción del primer conductor 13 que se encuentra en las proximidades del orificio de conexión 39. La primera capa semiconductora 7 y la segunda capa semiconductora 8 de cada elemento de conversión fotoeléctrica 2 pueden ser conectadas eléctricamente al segundo conductor 14 y al primer conductor 13, respectivamente, mediante el uso de luz de láser (formación de un eutéctico), pasta conductora, un tope ornamental. De esta manera, la conexión eléctrica se realiza sin utilizar un material de soldadura intermedio con contenido de plomo, lo que es preferible en términos de la protección del medioambiente.
La Figura 9 es una vista en perspectiva que muestra el modo como los conjuntos 4 y 4b de los elementos de conversión fotoeléctrica 2 y el soporte 3 se conectan entre sí. Los conjuntos 4 y 4b se conectan eléctricamente uno con otro por sus porciones periféricas planas 61 y 61b, que se extienden hacia fuera.
La Figura 10 es una vista en corte y en despiece de las porciones periféricas 61 y 61b y sus inmediaciones, de los conjuntos 4 y 4b que se muestran en la Figura 9. El segundo conductor 14 del soporte 3b del conjunto 4b se dispone extendiéndose sobre, eléctricamente conectado a, y fijado a, el primer conductor 13 del soporte 3 del otro conjunto 4. De esta manera, las fuerzas foto-electromotrices generadas por los elementos de conversión fotoeléctrica 2 de los conjuntos 4, 4b,... se conectan entre sí en serie, por lo que puede obtenerse como salida un potencial elevado según se desee.
La Figura 11 es una vista lateral simplificada que muestra el modo como los conjuntos 4, 4b y 4c se conectan eléctricamente entre sí. La porción periférica 61b del conjunto 4b se dispone extendiéndose sobre la porción periférica 61 del conjunto 4 y eléctricamente conectada a ella, de la manera anteriormente descrita. Por otra parte, la porción periférica 61c del conjunto 4c se dispone extendiéndose sobre la porción periférica 61b1 (situada en el lado opuesto a la porción periférica 61b) del conjunto 4b, y conectada eléctricamente a ella. En la estructura de la Figura 11, una de las porciones periféricas, la 61b, del conjunto 4b está situada por encima de la porción periférica 61 del conjunto 4, y la otra porción periférica 61b1 del conjunto 4b se encuentra situada por debajo de la porción periférica 61c del conjunto 4c. De esta manera, los conjuntos se conectan o unen entre sí de un modo tal, que las dos porciones periféricas de cada conjunto están situadas por encima y por debajo, respectivamente, de los dos conjuntos adyacentes, a fin de formar, con ello, una estructuras en dos escalones. La longitud L61 de solapamiento, en el sentido de derecha a izquierda en la Figura 11, entre las porciones periféricas 61 y 61b y entre las porciones periféricas 61b1 y 61c, puede ajustarse, por ejemplo, en 1 mm.
La Figura 12 es una vista en corte que muestra una estructura de conexión eléctrica de los conjuntos 4 y 4b que son adyacentes entre sí, de acuerdo con otra realización de la invención. La porción periférica 61 de uno de los conjuntos, el 4, sobresale hacia arriba, y la porción periférica 61b del otro conjunto, el 4b, sobresale hacia abajo. El segundo conductor 14 de la porción periférica 61 está conectado eléctricamente al primer conductor 13 de la porción periférica 61b.
La Figura 13 es una vista en corte que muestra una estructura de conexión eléctrica de los conjuntos 4 y 4b que son adyacentes entre sí, de acuerdo con aún otra realización de la invención. Esta realización es similar a la realización de la Figura 12 y se diferencia de ésta última en que el primer conductor 13 de la porción periférica 61 (que sobresale hacia arriba) del conjunto 4, está conectada eléctricamente al segundo conductor 14 de la porción periférica 61b (que sobresale hacia abajo) del conjunto 4b. Las estructuras de conexión de las Figuras 12 y 13 hacen posible realizar los rebajes 17 de los soportes 3 y 3b más cerca uno de otro y disponer, con ello, tantos rebajes 17 y elementos de conversión fotoeléctrica 2 como sea posible en un área limitada.
La Figura 14 es una vista en corte de parte de un elemento de conversión fotoeléctrica 2 de acuerdo con otra realización de la invención. Si bien en las Figuras 14-16, cada capa semiconductora se ha dibujado de tal modo que tiene una forma plana (desarrollada en la dirección circunferencial), en realidad, las capas semiconductoras se han dispuesto extendiéndose unas sobre otras hacia fuera (hacia arriba en las Figuras 14-16) según la dirección radial, de tal modo que presentan superficies esféricas.
En el elemento de conversión fotoeléctrica 2 de la Figura 14, se han dispuesto, extendiéndose unas sobre otras hacia fuera según la dirección radial, una capa de silicio micro-cristalino (\muc) de tipo n 63, una capa de poli-silicio de tipo n 64, una capa de a-SiC de tipo p 65, y una capa de SiC micro-cristalino de tipo p 66 (las capas 64-66 forman una capa de hetero-unión doble). Las estructuras de los elementos de conversión fotoeléctrica 2 de las Figuras 14-16, cada una de las cuales tiene una unión pn, se sumarían en la Tabla 1.
TABLA 1
1
La Figura 15 es una vista en corte del elemento de conversión fotoeléctrica 2 de acuerdo con aún otra realización de la invención. Los detalles de las capas semiconductoras 68-70 son como se ha mostrado en la Tabla 1. Alternativamente, en el elemento de conversión fotoeléctrica 2 de la Figura 15, la capa semiconductora 68 puede estar hecha de un cristal único de tipo n de silicio policristalino.
La Figura 16 es una vista en corte del elemento de conversión fotoeléctrica 2 de acuerdo con aún otra realización de la invención. Los detalles de las capas semiconductoras 73-77 son como se muestra en la Tabla 1. Alternativamente, las capas semiconductoras 73 y 74 de la Figura 16 están hechas de silicio de un único cristal de tipo n. La capa semiconductora 74 puede estar hecha de silicio micro-cristalino de tipo i.
En la invención, el elemento de conversión fotoeléctrica 2 puede tener estructuras diferentes de las anteriormente descritas.
De acuerdo con otra realización de la invención, el soporte 3 puede ser reemplazado por otro tipo de soporte que se ha fabricado formando una estructura que tiene rebajes por medio del moldeo (por ejemplo, moldeo por inyección) de, por ejemplo, un material de resina sintética aislante (por ejemplo, policarbonato), y el revestimiento electroquímico con un material conductor, tal como el Ni, sobre sus superficies, a fin de formar los primer y segundo conductores. Los primer y segundo conductores pueden estar hechos, por ejemplo, de hoja de aluminio. Alternativamente, pueden haberse formado por recubrimiento electroquímico con Cr o por recubrimiento electrolítico con Ag. Como alternativa adicional, pueden haberse formado mediante la evaporación o pulverización catódica de un metal de Ni, Cr, Al, Ag o similar. Puede haberse formado un revestimiento sobre el primer conductor, y el revestimiento puede estar hecho de un metal (formado por recubrimiento electrolítico o similar) o una resina sintética.
En esta memoria, la expresión "unión pin" incluye una estructura en la que se han formado capas semiconductoras de los tipos n, i y p en un elemento de conversión fotoeléctrica aproximadamente esférico 2, de tal modo que están dispuestas en este orden, hacia dentro o hacia fuera.
Las partículas semiconductoras esféricas fabricadas de acuerdo con la invención constituyen elementos de conversión fotoeléctrica.
El aparato fotovoltaico 1 anteriormente descrito puede haberse construido con el uso de elementos de conversión fotoeléctrica 2 así fabricados.
La invención puede ser materializada o realizada en otras formas específicas sin apartarse de las características esenciales de la misma. Las presentes realizaciones se han de considerar, por lo tanto, a todos los respectos, como ilustrativas, y no limitativas, del ámbito de la invención, que se indica por las reivindicaciones que se acompañan, en lugar de por la anterior descripción, y es la intención, por lo tanto, que todos los cambios que entran dentro del significado y del alcance de equivalencia de las reivindicaciones estén abarcados por él.

Claims (17)

1. Un aparato fotovoltaico (1) que comprende:
(a) una pluralidad de elementos de conversión fotoeléctrica (2), cada uno de los cuales es de una forma aproximadamente esférica e incluye una primera capa semiconductora (7) y una segunda capa semiconductora (8), que está situada por fuera de la primera capa semiconductora (7), a fin de generar una fuerza electromotriz entre las primera y segunda capas semiconductoras (7, 8), de tal modo que la segunda capa semiconductora (8) tiene una abertura (9) a través de la cual queda expuesta o al descubierto una porción (10) de la primera capa semiconductora (7); y
(b) un soporte (3), que incluye un primer conductor (13), un segundo conductor (14) y un aislante (15), dispuesto entre el primer y el segundo conductores (13, 14), a fin de aislar eléctricamente los primer y segundo conductores (13, 14) uno de otro, de tal manera que el primer conductor (13) está conectado eléctricamente a las segundas capas semiconductoras (8) de los elementos de conversión fotoeléctrica (2), y el segundo conductor (14) está conectado eléctricamente a las porciones expuestas de las primeras capas semiconductoras (7), caracterizado por que el soporte (3) tiene una pluralidad de rebajes (17) que están dispuestos adyacentes unos a otros y cuyas superficies internas están constituidas por el primer conductor (13) o un revestimiento formado sobre él, estando dispuestos los elementos de conversión fotoeléctrica (2) en los respectivos rebajes (17), de tal modo que los elementos de conversión fotoeléctrica (2) son iluminados con luz reflejada por parte del primer conductor (13) o por el revestimiento formado sobre él, que constituye el rebaje (17).
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2. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los elementos de conversión fotoeléctrica (31) tienen un diámetro exterior de entre 0,5 mm y 2,0 mm.
3. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la abertura (9) de la segunda capa semiconductora (8) tiene un ángulo central \theta1 de entre 45º y 90º.
4. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los rebajes (17) del soporte (3) tienen respectivas aberturas (18) de un polígono, del cual las que son adyacentes entre sí son continuas, de tal manera que cada uno de los rebajes (17) se estrecha hacia un fondo del mismo, y la primera capa semiconductora (7) y la segunda capa semiconductora (8) de cada uno de los elementos de conversión fotoeléctrica (2) están conectadas eléctricamente al segundo conductor (14) y al primer conductor (13), respectivamente, en el fondo del rebaje (17) o en las proximidades del mismo.
5. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual el primer conductor (13) está dotado de un primer orificio de conexión circular (39) formado en el fondo del rebaje (17) o en las proximidades del mismo, y el aislante (15) está provisto de un segundo orificio de conexión circular (40) que tiene una línea axial común con el primer orificio de conexión (39), una porción del elemento de conversión fotoeléctrica (2), situada en las proximidades de la abertura (9) de la segunda capa semiconductora (8), se ajusta en el primer orificio de conexión (39), y una porción de superficie exterior, situada por encima de la abertura (9) de la segunda capa semiconductora (8), está conectada eléctricamente a una cara de extremo del primer orificio de conexión (39) del primer conductor (13) o a una porción del mismo situada en las proximidades de la cara de extremo, y la porción expuesta o al descubierto de la primera capa semiconductora (7) del elemento de conversión fotoeléctrica (2) está conectada eléctricamente al segundo conductor (14) a través del segundo orificio de conexión (40).
6. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 5, en el cual
un diámetro exterior D1 de los elementos de conversión fotoeléctrica (2),
un diámetro interior D2 de las aberturas (9) de las segundas capas semiconductoras (8), y
un diámetro interior D3 de los primeros orificios de conexión (39), y
un diámetro interior D4 de los segundos orificios de conexión (40) satisfacen la relación D1 > D3 > D2 > D4.
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7. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual una relación x de captación de luz, que es igual a S1/S2, se seleccionada de modo que está comprendida en el intervalo entre 2 y 8,
donde S1 es un área de abertura (18) de cada uno de los rebajes (17) del soporte (3) y S2 es un área de una sección transversal de los elementos de conversión fotoeléctrica (2) que incluye un centro de los mismos.
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8. Un aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual cada uno de los elementos de conversión fotoeléctrica (31) tiene un diámetro exterior de entre 0,5 mm y 2 mm, y una relación x de captación de luz, que es igual a S1/S2, se selecciona de manera que se encuentra dentro de un intervalo entre 2 y 8, donde S1 es un área de abertura (18) de cada uno de los rebajes (17) del soporte (3) y S2 es un área de una sección transversal de los elementos de conversión fotoeléctrica (2) que incluye un centro de los mismos.
9. Un aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual cada uno de los elementos de conversión fotovoltaica (31) tiene un diámetro exterior de entre 0,8 mm y 1,2 mm, y una relación x de captación de luz, que es igual a S1/S2, se selecciona de manera que se encuentra en el intervalo entre 4 y 6, donde S1 es un área de abertura (18) de cada uno de los rebajes (17) del soporte (3) y S2 es un área de una sección transversal de los elementos de conversión fotoeléctrica (2) que incluye un centro de los mismos.
10. Un aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los elementos de conversión fotovoltaica (2) tienen una unión pn de tal manera que la segunda capa semiconductora (65) de uno de los tipos de conductividad, que tiene un salto entre bandas óptico más ancho que el de la primera capa semiconductora (64), que tiene el otro tipo de conductividad, está formada por fuera de la primera capa semiconductora (64).
11. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los elementos de conversión fotovoltaica (2) tienen un unión pin de tal manera que la primera capa semiconductora (68, 73), que tiene uno de los tipos de conductividad, una capa semiconductora intrínseca amorfa (69, 74), y una segunda capa semiconductora amorfa (70, 76) del otro tipo de conductividad, que tiene un salto entre bandas óptico más ancho que el de la primera capa semiconductora (68, 73), están dispuestas hacia fuera en este orden.
12. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 10, en el cual la primera capa semiconductora (68, 73) y la segunda capa semiconductora (70, 76) están hechas, respectivamente, de silicio de tipo n y de silicio amorfo de tipo p.
13. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 12, en el cual el silicio de tipo n del que está hecha la primera capa semiconductora (68, 73), es silicio de un único cristal o mono-cristal de tipo n o silicio microcristalino (\muc) de tipo n.
14. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la primera capa semiconductora (7) es una capa semiconductora de salto directo.
15. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 14, en el cual la capa semiconductora de salto directo está hecha de un semiconductor seleccionado de entre el grupo consistente en InAs, GaSb, CuInSe_{2}, Cu(InGa)Se_{2}, CuInS, GaAs, InGaP y CdTe.
16. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual se disponen adyacentes entre sí una pluralidad de los soportes (3, 3b), cada uno de los cuales tiene porciones periféricas que se extienden hacia fuera, y se disponen extendiéndose una sobre otra, y eléctricamente conectadas entre sí, una parte del primer conductor (13) situada en la porción periférica de uno de los soportes (3) de cada par de soportes (3, 3b) adyacentes entre sí, y una parte del segundo conductor (14) situada en la porción periférica del otro (3b).
17. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 16, en el cual la porción periférica tiene salientes hacia arriba o salientes hacia abajo, y el saliente hacia arriba o el saliente hacia abajo de uno de los soportes de cada par de soportes adyacentes entre sí, y el saliente hacia arriba o el saliente hacia abajo del otro están puestos en contacto uno con otro y conectados eléctricamente entre sí.
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