ES2340645A1

ES2340645A1 - Celulas solares nanoestructuradas en tandem amorfocristalinas.

Info

Publication number: ES2340645A1
Application number: ES200702905A
Authority: ES
Inventors: Loucas Tsakalakos; Bastiaan Arie Korevaar
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2010-06-07
Anticipated expiration: 2027-11-05
Also published as: KR20080044183A; CN101183688A; US20080110486A1; AU2007234548B2; AU2007234548A1; DE102007051884A1; AU2007234548B8; ES2340645B2; JP2008135740A

Abstract

Células solares de nanohilos en tándem amorfocristalinas. Un dispositivo fotovoltaico que incluye una pluralidad de nanoestructuras alargadas dispuestas sobre la superficie de un substrato, y una película multicapa depositada de modo conforme sobre las nanoestructuras alargadas, formando una pluralidad de uniones fotoactivas. Un procedimiento para fabricar tales dispositivos fotovoltaicos incluye generar una pluralidad de nanoestructuras alargadas sobre la superficie de un substrato y depositar de modo conforme una película multicapa formando una pluralidad de uniones fotoactivas. La pluralidad de uniones fotoactivas se diseña para capturar diferentes longitudes de onda de la luz. Un panel solar incluye, al menos, un dispositivo fotovoltaico.

Description

Células solares nanoestructuradas en tándem amorfocristalinas.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere, generalmente, a células solares y más específicamente a células solares tales que incluyen conjuntos de multiunión apilados, montados de modo conforme sobre nanoestructuras alargadas.

Antecedentes de la invención

Actualmente, el silicio (Si) es el material utilizado más habitualmente en la fabricación de células solares, utilizándose tales células para convertir la luz solar en electricidad. Para este fin, se utilizan células solares de unión p-n sencilla y múltiple, pero ninguna de ellas es suficientemente eficiente para reducir significativamente los costes involucrados en la producción y utilización de esta tecnología. Consecuentemente, la competencia de las fuentes convencionales de electricidad obstaculiza el uso generalizado de tal tecnología de células solares.

La mayoría de los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos necesitan la formación de una unión. Por ejemplo, un material de un tipo de conductividad se pone en contacto con un material diferente, del tipo opuesto de conductividad, para formar una heterounión. Alternativamente, se pueden emparejar dos capas diferentemente dopadas, fabricadas en un único tipo de material, para generar una unión p-n (u homounión). El curvado abrupto de la banda en una heterounión debido a un cambio en el tipo de conductividad y/o a variaciones en el espacio libre de bandas puede conducir a una alta densidad de estados de la interfase que da como resultado la recombinación de los portadores de carga. Los defectos introducidos en la unión durante la fabricación pueden actuar, adicionalmente, como sitios para la recombinación de portadores de carga, lo que degrada el rendimiento del dispositivo.

Las células solares existentes pierden eficiencia debido al hecho de que un electrón fotoexcitado pierde rápidamente cualquier energía por encima del espacio libre de bandas como resultado de las interacciones con las vibraciones de la red, conocidas como fonones, lo que da como resultado un aumento de la recombinación. Esta pérdida por sí misma limita la eficiencia de conversión de una célula estándar a, aproximadamente, el 44%. Además, la recombinación de los electrones fotogenerados y de los huecos con los estados de trampa en el cristal semiconductor, asociados con defectos puntuales (impurezas intersticiales), agregados metálicos, defectos lineales (dislocaciones), defectos planos (defectos de apilamiento), y/o limites de grano reduce adicionalmente la eficiencia. Aunque esta última reducción en eficiencia se puede superar utilizando otros materiales con las propiedades adecuadas (longitudes de difusión de los portadores fotogenerados particularmente largas), esto todavía no conduce a una paridad en costes de esta tecnología con los de las fuentes de energía eléctrica más convencionales.

Se incurre en pérdidas adicionales debido al hecho de que los semiconductores generalmente no absorberán luz con una energía inferior a la del espacio libre de bandas del material utilizado. Con todas estas pérdidas fotovoltaicas tomadas en consideración, Shockley y Queisser fueron capaces de demostrar que el rendimiento de una célula de unión sencilla estaba limitado a poco más del 30% de la eficiencia para una célula óptima con el espacio libre de bandas de 1,45 electronvoltios (eV) (Shockely and Queisser, "Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells", J. Appl. Phys., 1961, 32(3), pp 510-519). Cálculos más recientes han mostrado que la "eficiencia límite" de una unión sencilla debe ser el 29% (Kerr et al. "Lifetime and efficiency of limits of crystalline silicon solar cells", Proc. 29^{th} IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002, pp. 438-441).

La capacidad de absorción de los materiales con los que se fabrica un dispositivo PV puede afectar, asimismo, a la eficiencia de la célula. Se ha descrito una célula solar de película delgada p-i-n que tiene una capa absorbente de semiconductor de tipo i constituida por un material de espacio libre de bandas variable, en el que dicha capa i se sitúa entre una capa de semiconductor tipo p y una capa de semiconductor tipo n. Véase la patente norteamericana nº 5.252.142. Una capa absorbente i de banda prohibida variable proporciona una eficiencia de conversión fotoeléctrica mejorada.

Las células solares de unión múltiple han demostrado, asimismo, tener eficiencias mejoradas. El rendimiento mejorado se puede alcanzar incorporando uniones apiladas con diferentes espacio libre de bandas para capturar un área más amplia del espectro luminoso. Tales dispositivos se construyen típicamente con uniones p-n apiladas o uniones p-i-n apiladas. Cada tanda de uniones de este conjunto se denomina a menudo como una célula. Una célula solar multiunión típica incluye dos o tres células apiladas entre sí. Los espacios libre de bandas óptimas y las eficiencias teóricas de las células solares multiunión en función del número de células en el apilamiento han sido analizadas teóricamente por Marti y Araujo (A. Marti y G. y Araujo, Sol. Ener. Mater. Sol. Cells, 1996, 43 (2), pp. 203-222).

Nanoestructuras

Se han descrito nanohilos de silicio en conjuntos de diodos de unión p-n (Peng et al., "Fabrication of large-area silicon nanowire p-n junction diode arrays", Adv. Mater., 2004, vol. 16, pp. 73-76). Tales conjuntos, sin embargo, no estaban configurados para su uso en dispositivos fotovoltaicos, ni se sugería de qué modo podrían ser utilizados tales conjuntos para incrementar la eficiencia de las células solares.

Se han descrito nanoestructuras de silicio en dispositivos de células solares (Ji et al., "Silicon nanostructures by metal induced growth (MIG) for solar cell emitters", Proc. IEEE, 2002, pp. 1314-1317). En tales dispositivos se pueden formar nanohilos de Si, embebidos en películas delgadas de Si microcristalino, por pulverización PBI de Si sobre una capa previa de níquel (Ni), cuyo espesor será el que determine si los nanohilos de Si crecen dentro de la película o no. Sin embargo, tales nanohilos no son elementos fotovoltaicos (PV) activos; tan sólo otorgan una capacidad anti-reflectante.

Células solares que comprenden nanoestructuras de silicio, en las cuales las nanoestructuras son elementos PV activos, han sido descritas en la solicitud de patente norteamericana nº 11/081967 comúnmente asignado a la patente, depositada el 16 de marzo de 2005. En esa solicitud particular, las uniones separadoras de carga están contenidas en su mayor parte dentro de las nanoestructuras propiamente dichas, lo que requiere generalmente cambios en el dopaje durante la síntesis de tales nanoestructuras.

Como resultado de lo anterior, la incorporación de células multiunión sobre un andamiaje de nanoestructuras puede conducir a células solares con eficiencias parejas a las de las fuentes de electricidad más tradicionales. Así pues, existe una necesidad continua de explorar nuevas configuraciones para dispositivos PV. Este es el caso, especialmente, de los dispositivos de nanoestructuras, los cuales se pueden beneficiar del atrapamiento mejorado de la luz y de distancias más cortas para el transporte de carga tras la absorción de luz.

Descripción de la invención

En algunas realizaciones, un dispositivo fotovoltaico incluye una pluralidad de nanoestructuras alargadas, dispuestas sobre la superficie de un sustrato, y una película multicapa, depositada de modo conforme sobre las nanoestructuras alargadas. La película multicapa comprende una pluralidad de uniones fotoactivas. El conjunto de uniones fotoactivas construidas sobre las nanoestructuras alargadas pueden proporcionar medios para la captura de un amplio espectro de luz. La nanoestructura alargada puede proporcionar medios para crear múltiples pasos de luz con el fin de optimizar la absorción de la misma.

En algunas realizaciones, un procedimiento para fabricar un dispositivo fotovoltaico incluye generar una pluralidad de nanoestructuras alargadas sobre la superficie de un sustrato y depositar una película multicapa de modo conforme. La película multicapa comprende una pluralidad de uniones fotoactivas.

En algunas realizaciones, un panel solar incluye, al menos, un dispositivo fotovoltaico, en el que el panel solar aísla cada uno de tales dispositivos de su entorno atmosférico circundante y permite la generación de energía eléctrica.

Con lo anterior han quedado esbozadas bastante ampliamente las características de la presente invención, con el fin de un mejor entendimiento de la descripción detallada de la invención que sigue a continuación. Seguidamente, se describirán características adicionales y ventajas de la invención, que constituirán el objeto de las reivindicaciones de la invención.

Breve descripción de los dibujos

Para una comprensión más completa de la presente invención y de sus ventajas se hará referencia, a continuación, a la siguiente descripción tomada conjuntamente con los dibujos de acompañamiento, en los cuales:

La figura 1 muestra una vista en sección transversal parcial del dispositivo fotovoltaico, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura 2 muestra una nanoestructura semiconductora en un dispositivo multiunión con dos uniones p-n, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura 3 muestra una nanoestructura semiconductora en un dispositivo multiunión con tres uniones p-n, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura 4 muestra una nanoestructura conductora en un dispositivo multiunión con dos uniones p-n, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura 5 muestra una nanoestructura conductora en un dispositivo multiunión con dos uniones p-i-n, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura 6 muestra los elementos del substrato sobre el cual se sintetizan las nanoestructuras, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura 7 muestra los pasos de un procedimiento para construir un dispositivo fotovoltaico, de acuerdo con una realización de la presente invención.

Las figuras 8a-c muestran nanoestructuras alargadas crecidas sobre la superficie de un sustrato, de acuerdo con una realización de la presente invención.

Las figuras 9a-b muestran una película multicapa depositada alrededor de nanoestructuras alargadas, de acuerdo con una realización de la presente invención.

Descripción detallada de la invención

En algunas realizaciones, la presente invención está dirigida a dispositivos fotovoltaicos (PV), los cuales pueden incluir nanoestructuras alargadas y una película multicapa dispuesta de modo conforme sobre las nanoestructuras alargadas. La película multicapa puede incluir una pluralidad de uniones fotoactivas, tales como uniones p-n y p-i-n. Estas uniones fotoactivas pueden estar apiladas, con uniones túnel separando cada célula en el conjunto multiunión. Cada célula en el conjunto multiunión puede estar dispuesta en tandas y puede incluir uniones p-n, uniones p-i-n, y combinaciones de éstas. En algunas realizaciones, las nanoestructuras alargadas pueden ser parte de una primera unión fotoactiva, y pueden estar adecuadamente dopadas como la capa p o la capa n. En realizaciones alternativas, las nanoestructuras alargadas pueden ser conductoras y, por lo tanto, no ser parte de una unión fotoactiva.

En la siguiente descripción, se establecen detalles específicos, tales como cantidades específicas, tamaños, etc., con el fin de proporcionar una comprensión integral de las realizaciones de la presente invención. Sin embargo, será obvio para aquellos expertos en la técnica que la presente invención se puede llevar a cabo sin tales detalles específicos. En muchos casos, los detalles relativos a tales consideraciones y similares se han omitido, en tanto en cuanto dichos detalles no son necesarios para obtener una comprensión completa de la presente invención y se encuentran dentro de las competencias de personas con un conocimiento ordinario del estado de la técnica correspondiente.

En referencia los dibujos en general, se entenderá que las ilustraciones tienen el propósito de describir una realización particular de la invención y no se pretende limitar la invención a éstas.

Aunque la mayoría de los términos utilizados a continuación serán reconocibles por aquellos expertos en la técnica, las siguientes definiciones se incluyen en cualquier caso para ayudar a la comprensión de la presente invención. Debe ser entendido, sin embargo, que cuando no se definen explícitamente los términos deben interpretarse en el sentido actualmente aceptado por aquellos expertos en la técnica.

Un "dispositivo fotovoltaico", como se define aquí, es un dispositivo que comprende, al menos, un fotodiodo y que utiliza el efecto fotovoltaico para producir una fuerza electromotriz (FEM). Véase el Penguin Dictionary of Electronics, Third Edition, V. Illingworth, Ed. Penguin Books, Londres, 1998. Un ejemplo de tal dispositivo es una "célula solar", en el que una célula solar es un fotodiodo cuya respuesta espectral ha sido optimizada para la radiación procedente del sol.

"Nanoescala", como se define aquí, se refiere generalmente a dimensiones por debajo de 1 \mum.

"Nanoestructuras", como se define aquí, se refiere generalmente a estructuras a nanoescala en al menos dos dimensiones.

"Nanoestructuras alargadas", como se define aquí, son nanoestructuras a nanoescala en al menos dos dimensiones. Como ejemplo, tales nanoestructuras alargadas incluyen, aunque no se limitan a, nanohilos, nonobarras, nanotubos y similares.

"Nanohilos", como se define aquí, son nanoestructuras generalmente alargadas, típicamente submicrónicas (< 1 \mum) en al menos dos dimensiones, y que tienen una forma en gran medida cilíndrica. Frecuentemente, se trata de cristales individuales.

"Conforme", como se define aquí, concierne a recubrimientos que, en gran medida, adoptan (esto es, se conforman a) la forma de las estructuras que recubren. Este término debe interpretarse de modo amplio, sin embargo, permitiendo el llenado sustancial del espacio vacío entre las estructuras recubiertas, al menos en algunas realizaciones. Una capa individual conforme puede variar en espesor a lo largo de de distintas secciones de la estructura que recubre.

Un "material semiconductor", como se define aquí, es un material que presenta una conductividad que es generalmente intermedia entre la de los metales y la de los aislantes, y en el que tal material tiene una energía de espacio libre de bandas, o "espacio libre de bandas", entre su banda de conducción y su banda de valencia. En su estado puro, sin dopar, tal material semiconductor se denomina típicamente como "intrínseco".

"Dopaje p", como se define aquí, se refiere al dopaje de materiales semiconductores con impurezas que introducen huecos efectivos para aumentar la conductividad de material semiconductor intrínseco y mover el nivel de Fermi hacia la banda de valencia, de tal modo que se pueda formar una unión. Un ejemplo de tal dopaje p es la adición de pequeñas cantidades de boro (B) en silicio (Si).

"Dopaje n", como se define aquí, se refiere al dopaje de materiales semiconductores con impurezas que introducen electrones efectivos para aumentar la conductividad del material semiconductor intrínseco y mover el nivel de Fermi hacia la banda de conducción, de tal modo que se pueda formar una unión. Un ejemplo de tal dopaje n es la adición de pequeñas cantidades de fósforo (P) en silicio (Si).

Una "unión separadora de carga", como se define aquí, comprende una frontera entre materiales de distinto tipo (por ejemplo, diferentes dopantes y/o composición del material de partida) que permite la separación de electrones y huecos debido a la presencia de una barrera de potencial y de un gradiente de campo eléctrico.

Una "heterounión", como se define aquí y concerniendo a dispositivos fotovoltaicos, es una unión separadora de carga establecida por el contacto de dos materiales semiconductores diferentes que tienen espacio libre de bandas diferentes.

"Elementos PV activos", como se define aquí, son aquellos elementos de un dispositivo PV responsables de establecer una unión separadora de carga.

Un "dispositivo fotovoltaico p-n", como se define aquí, es un dispositivo que comprende, al menos, un fotodiodo que comprende una unión separadora de carga establecida mediante el contacto de un semiconductor dopado p y de un semiconductor dopado n.

Un "dispositivo fotovoltaico p-i-n", como se define aquí, es un apilamiento de tres materiales, siendo una capa dopada tipo p (conducción primaria por huecos), una sin dopar (esto es, intrínseca) y la otra dopada tipo n (conducción primaria por electrones).

"Multiunión", como se define aquí, es un conjunto en tándem de uniones fotoactivas apiladas que puede incluir uniones p-n y/o p-i-n. Cada unión fotoactiva puede estar separada de su célula vecina por una unión túnel.

"Células solares", como se definen aquí, son esencialmente dispositivos fotovoltaicos para la conversión de energía a partir de radiación solar.

"Nanoplantillas", como se define aquí, son películas orgánicas o inorgánicas que comprenden un conjunto de poros o columnas que tienen dimensiones de nanoescala. Los poros atraviesan generalmente la película en una dirección substancialmente perpendicular en relación al plano de la película.

Dispositivos

En referencia la figura 1, en algunas realizaciones, la presente invención se dirige a un dispositivo fotovoltaico basado en nanoestructuras del tipo multiunión que puede incluir:

(a): una pluralidad de nanoestructuras alargadas 101, dispuestas sobre un substrato 102. Las nanoestructuras alargadas pueden incluir nanohilos de silicio cristalino, por ejemplo, y pueden ser semiconductores dopados p en una realización, y semiconductores dopados n en otra realización. Alternativamente, pueden ser silicio dopado degeneradamente y otros materiales metálicos que sirven como conductores; y

(b): una película multicapa 103, dispuesta de modo conforme alrededor de las nanoestructuras alargadas. Al menos una porción de la película multicapa 103 puede formar los elementos de una unión fotoactiva, en una realización. En algunas realizaciones, las uniones fotoactivas pueden ser uniones p-n, y en las otras realizaciones pueden ser uniones p-i-n. Todavía en otra realización, al menos una porción de la película multicapa 103 puede comprender una unión túnel.

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En algunas realizaciones, una capa de un material conductor transparente (MCT) 104 se deposita sobre la película multicapa 103. El MCT 104 puede rellenar de modo sustancial los espacios entre la pluralidad de nanoestructuras alargadas. Adicionalmente, el MCT 104 puede formar una superficie nominalmente plana sobre la parte superior de la pluralidad de nanoestructuras alargadas. Adicionalmente, los contactos superior 105 e inferior (no mostrado) se disponen típicamente operables para conectar el dispositivo a un circuito externo en el cual el electrodo inferior está integrado típicamente (aunque no siempre) con el substrato (véase más abajo).

Las nanoestructuras alargadas 101 tienen típicamente una longitud en el rango de, aproximadamente, 100 nm a, aproximadamente, 100 \mum, y una anchura en el rango de, aproximadamente, 5 nm a, aproximadamente, 1 \mum. En algunas realizaciones, las nanoestructuras se disponen sobre el substrato 102 en una orientación sustancialmente vertical, esto es, en relación al plano del substrato 102 una mayoría de dichas nanoestructuras 101 forman un ángulo superior a 45º. En otras realizaciones, las nanoestructuras 101 se disponen sobre substrato 102 de modo aleatorio en gran medida.

Las nanoestructuras alargadas 101 pueden ser de cualquier material que proporcione un dispositivo fotovoltaico adecuadamente, de acuerdo con diversas realizaciones. Materiales semiconductores adecuados puede incluir, aunque no están limitados a, silicio (Si), silicio germanio (SiGe), germanio (Ge), arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de indio (InP), GaInP, GaInAs, arseniuro de galio indio (InGaAs), nitruro de indio (InN), selenio (Se), teluro de cadmio (CdTe), Cd-O-Te, Cd-Mn-O-Te, ZnTe, Zn-O-Te, Zn-Mn-O-Te, MnTe, Mn-O-Te, óxidos de cobre, carbono, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Se, y combinaciones de éstos. Materiales conductores adecuados incluyen, aunque no están limitados a, los mismos silicio dopado degeneradamente, materiales metálicos tales como aluminio (Al), platino (Pt), paladio (Pd) y plata (Ag), nanotubos de carbono, y combinaciones de éstos.

En algunas realizaciones, una capa particular de la película multicapa 103 puede incluir composiciones que sean semiconductores dopados p y dopados n. Se pueden incorporar, asimismo, capas no dopadas y se puede incluir una capa intrínseca y una capa que actúa como unión túnel. En una realización, la película multicapa 103 puede constituir células de uniones p-n apiladas. En otra realización, la película multicapa 103 puede constituir células de uniones p-i-n apiladas. Todavía en otra realización, la película multicapa 103 puede constituir una combinación de uniones apiladas p-n y p-i-n. En algunas realizaciones, las células pueden estar separadas por una capa que actúa como unión túnel (véase más abajo).

La composición de porciones de la película multicapa 103 que constituyen las uniones fotoactivas puede ser silicio amorfo (a-Si), silicio-germanio amorfo (a-Si-Ge), silicio nanocristalino (nc-Si) y carburo de silicio amorfo (a-SiC), por ejemplo. En una realización, tales materiales se pueden ordenar alrededor de nanoestructuras alargadas 101 en capas de energía del espacio libre de bandas creciente.

Típicamente, la película multicapa 103 puede tener un espesor en el rango de 5 \ring{A} a 50.000 \ring{A}. El espesor de una capa individual dentro de la película multicapa 103 puede ser difícil de determinar, sin embargo, el espesor se puede ajustar para optimizar el ajuste de corrientes entre uniones de diferentes energías de espacio libre de bandas. Esto es, el espesor de una capa dada se puede elegir de tal manera que las fotocorrientes generadas en cada célula individual (esto es, cada unión fotoactivas) sea sustancialmente equivalentes.

En algunas realizaciones, una capa particular de la película multicapa 103 puede incluir una unión túnel. En tal caso, la composición del material puede ser un óxido metálico, por ejemplo óxido de zinc, o una capa de silicio amorfo altamente dopada.

En algunas realizaciones, las nanoestructuras alargadas pueden ser semiconductores dopados n, aunque podrían ser también dopados p. Sin embargo, para generar una unión fotoactiva dentro del dispositivo, el dopado de las nanoestructuras debería ser opuesto al de la capa contigua en la película multicapa. La figura 2 muestra un dispositivo 200 sencillo de unión p-n múltiple, dispuesto sobre un sustrato 202, de acuerdo con una realización de la invención. En referencia a la figura 2, la nanoestructura alargada 201 puede ser un semiconductor dopado n, por ejemplo, e integrado como el primer elemento de una primera unión p-n (una primera célula) que incluye una primera capa 210 dopada p. Una segunda unión p-n puede incluir una capa 220 dopada n, y una capa 230 dopada p, separadas por una unión túnel 240. Cada una de las capas de la película multicapa 203 puede depositarse secuencialmente y de modo conforme alrededor de la nanoestructura alargada 201. Un experto en la técnica reconocerá los beneficios de variar la espacio libre de bandas entre las dos uniones p-n para capturar luz de longitud de onda variada.

En referencia la figura 3, en otra realización se pueden añadir capas adicionales a la película multicapa 303 (cf. 203, figura 2), depositadas alrededor de la nanoestructura alargada 301 para crear una nueva película multicapa 308. Las capas adicionales pueden incluir otra unión túnel 340. Adicionalmente, puede haber una tercera unión p-n que incluya una capa 350 dopada p y una capa 360 dopada n. En principio, se puede añadir cualquier número de capas para crear cualquier número de uniones p-n con uniones túnel intermedias. El número de tales uniones fotoactivas apiladas puede depender del espesor que cada capa introduce en relación al espaciado entre cada una de las nanoestructuras alargadas 301 vecinas, depositadas sobre substrato 302, y por la capacidad para asegurar el ajuste de corrientes. Así pues, cada unión fotoactiva (esto es, cada célula) puede tener capas componentes con un espesor que depende de las energías de espacio libre de bandas de los materiales para asegurar fotocorrientes sustancialmente equivalentes entre cada célula.

Además, la figura 3 ilustra un dispositivo multiunión que tiene como célula base silicio cristalino dopado (c-Si), de acuerdo con una realización de la presente invención. La célula inferior puede incluir un nanohilos 301 semiconductor dopado y la primera capa depositada de modo conforme (cf. 210, figura 2) alrededor del cable con dopaje opuesto. Lo más exterior (célula superior), que incluye las capas 350 y 360 puede ser sustancialmente silicio amorfo. Finalmente, la célula intermedia (cf. Figura 2, 220/230) puede ser de un material con una energía de espacio libre de bandas intermedia, tal como silicio germanio amorfo (a-SiGe). En otra realización, las células apiladas desde la parte inferior hasta la parte superior pueden ser, respectivamente, c-Si, a-SiGe y carburo de silicio amorfo (a-SiC).

Como se muestra en la figura 4, la nanoestructura alargada 401 del dispositivo 400 puede ser un conductor y no formar parte de la estructura multiunión apilada. En esta realización, la nanoestructura alargada 401 puede actuar como un electrodo dispuesto sobre un sustrato 402. La película multicapa 403 puede incluir una primera unión p-n (con una primera capa 410 dopada p y una primera capa 420 dopada n), una segunda unión p-n (con una segunda capa 430 dopada p y una segunda capa 440 dopada n), y una unión túnel 450 entre la primera unión p-n y la segunda unión p-n. Aunque esta realización describe un dispositivo 400 que tiene dos uniones p-n, alguien con un conocimiento ordinario de la técnica reconocerá que tres uniones p-n (con las uniones túnel apropiadas interpuestas) se pueden apilar alrededor de la nanoestructura alargada 401. En realizaciones adicionales, se pueden apilar cualquier número de uniones p-n. De nuevo, limitaciones espaciales y el ajuste de corrientes pueden ser los factores limitantes a la hora de determinar el número exacto de uniones p-n que se pueden incorporar.

Para propósitos ilustrativos, se puede utilizar la siguiente configuración de materiales en un dispositivo de tres células (cada célula comprende una unión fotoactiva), de acuerdo con realizaciones en las cuales la nanoestructura alargada 401 es conductora. La célula inferior (cf. figura 4), que incluye 410 y 420, puede ser a-SiGe. La célula intermedia, que incluye 430 y 440, puede ser a-SiGe con una razón diferente de Si:Ge para obtener una energía de banda prohibida intermedia. Finalmente, una célula superior (no mostrada), dispuesta de modo conforme alrededor de la célula intermedia, puede ser a-Si. Otra configuración de tres materiales, expresada desde la célula inferior a la célula superior puede incluir, por ejemplo, silicio nanocristalino (nc-Si), una capa de a-Si (energía de espacio libre de bandas intermedia mediante la variación del contenido en hidrógeno), y a-Si. Todavía en otra configuración, la célula inferior puede ser nc-Si, la célula intermedia a-SiGe, y la célula superior a-Si. Alguien con un conocimiento ordinario de la técnica reconocerá que cualquier conjunto de tres materiales que conlleven en sí mismos el dopaje adecuado para generar uniones fotoactivas puede formar células apiladas. Por ejemplo, cualquiera de las células superiores descritas anteriormente pueden tener a-SiC en lugar de a-Si como material de partida.

Como se ilustró previamente, los dispositivos pueden tener uniones p-n apiladas. Como se muestra en la figura 5, los dispositivos pueden incluir, en su lugar, nanoestructuras alargadas 501 conductoras sobre un substrato 502 que actúa como andamiaje para depositar de modo conforme uniones p-i-n apiladas igualmente. La primera de tales uniones incluye una primera capa 510 dopada n, una primera capa 525 intrínseca, y una primera capa 520 dopada p. Igualmente, la segunda unión incluye una segunda capa 530 dopada n, una segunda capa 535 intrínseca, y una segunda capa 540 dopada p. La primera y la segunda uniones p-i-n están separadas mediante una unión túnel 550. Aunque el dispositivo 500 muestra un dispositivo con dos uniones p-i-n apiladas, alguien con un conocimiento ordinario de la técnica reconocerá que se puede apilar cualquier número de uniones p-i-n alrededor de la nanoestructura alargada 501, con las limitaciones expuestas anteriormente.

En algunas realizaciones, los dispositivos anteriores comprenden, adicionalmente, una plantilla nanoporosa que reside sobre, o es integral con el substrato, a partir del cual emanan nanoestructuras semiconductoras alargadas. Éste es frecuentemente el caso cuando tales nanoestructuras se crecen sobre la plantilla. En referencia la figura 6, en algunas realizaciones el substrato 102 en capas puede comprender una plantilla 102c nanoporosa y/o una capa 102b conductora que reside sobre un substrato de soporte 102a.

En algunas realizaciones, la nanoplantilla 112c porosa comprende un material seleccionado de entre un grupo que consiste en óxido de aluminio anodizado (OAA), dióxido de silicio (SiO_{2}), nitruro de boro (BN), nitruro de silicio (Si_{3}N_{4}), y similares. En algunas realizaciones, la nanoplantilla 112c porosa puede tener un espesor (o un espesor promedio) de entre, aproximadamente, 0,1 \mum y, aproximadamente, 100 \mum, en donde la nanoplantilla porosa puede tener un diámetro de poro (o un diámetro promedio) de entre, aproximadamente, 1 nm y, aproximadamente,1 \mum, y en donde la nanoplantilla porosa puede tener una densidad de poros de entre, aproximadamente, 10^{5} por cm^{2} y, aproximadamente,10^{12} por cm^{2}.

En realizaciones del dispositivo que emplean una capa de un material conductor transparente, el material conductor transparente puede ser un óxido conductor transparente (OCT). En algunas de estas realizaciones, el óxido conductor transparente es óxido de indio-zinc (ITO). En algunas otras de tales realizaciones, el óxido conductor transparente es ZnO dopado. Típicamente, el material conductor transparente posee un espesor de entre, aproximadamente, 0,05 \mum y, aproximadamente,1 \mum.

En algunas realizaciones, el substrato proporciona un contacto inferior. En algunas realizaciones, la capa de material conductor transparente proporciona un contacto superior. Dependiendo del uso al que se destine, el dispositivo se puede configurar tanto para iluminación superior como para iluminación inferior.

Fabricación del dispositivo

En algunas realizaciones, la presente invención se dirige a un procedimiento 700 de la figura 7 para fabricar dispositivos fotovoltaicos basados en las nanoestructuras de multiunión anteriormente descritas, de acuerdo con una realización de la presente invención. En referencia la figura 7, en conjunción con las figuras 2-5, en el paso 701 se disponen una pluralidad de nanoestructuras alargadas sobre un substrato. Las nanoestructuras alargadas son semiconductores (figuras 2-3) en algunas realizaciones, y conductores (figuras 4-5) en otras realizaciones; (paso 702) una película multicapa se deposita de modo conforme sobre las nanoestructuras alargadas, en las que el material de cada capa posee el dopaje adecuado en algunas realizaciones. También pueden ser, asimismo, intrínsecas o actuar como una unión túnel en otras realizaciones; (paso 703) un material transparente conductor se deposita como una capa sobre la película multicapa; y (paso 704) se establecen los contactos superior e inferior, que pueden ser operables para la conexión del dispositivo a un circuito externo. El contacto superior se puede disponer sobre el MCT y el contacto inferior se puede disponer en una superficie del substrato opuesta a las nanoestructuras alargadas o integrada dentro del substrato.

En algunas de las realizaciones de procedimiento descritas anteriormente, las nanoestructuras alargadas se dispone haciéndolas crecer mediante un procedimiento seleccionado de entre un grupo que consiste en deposición química en fase de vapor (CVD), deposición química en fase de vapor de compuestos organometálicos (MOCVD), deposición química en fase de vapor asistida por plasma (PECVD), deposición química en fase de vapor asistida por hilo caliente (HWCVD), deposición de capas atómicas, deposición electroquímica, deposición en disolución química, y combinaciones de las anteriores. En algunas de tales realizaciones, las nanoestructuras alargadas se proporcionan mediante crecimiento catalítico de las mismas a partir de nanopartículas metálicas, en las cuales las nanopartículas metálicas pueden residir en una plantilla nanoporosa, y en las cuales las nanopartículas metálicas pueden incluir un metal seleccionado de entre el grupo que consiste en oro (Au), indio (In), galio (Ga) y hierro (Fe).

En algunas realizaciones, se emplea una plantilla nanoporosa para crecer nanoestructuras alargadas tales como las descritas en la solicitud de patente norteamericana nº 11/141613 comúnmente asignado a la patente, depositada el 27 de mayo de 2005.

En algunas de las realizaciones de procedimiento anteriormente descritas, el paso de depositar de modo conforme la película multicapa se lleva a cabo utilizando una técnica seleccionada de entre un grupo que consiste en CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, pulverización y combinaciones de éstas.

Paneles solares

En algunas realizaciones, la presente invención está dirigida a un panel solar el cual puede incluir, al menos, un dispositivo fotovoltaico basado en una nanoestructura multiunión, como se divulga aquí. El panel solar aísla cada dispositivo de su ambiente atmosférico circundante y permite la generación de energía eléctrica.

Finalmente, realizaciones de la presente invención proporcionan dispositivos fotovoltaicos nanoestructurados de multiunión que pueden exhibir altas eficiencias y que pueden ser resistentes a la degradación inducida por luz. La célula PV, construida de acuerdo con las realizaciones divulgadas aquí, puede optimizar la absorción de la luz y puede minimizar la recombinación en las interfases de la heterounión. Otros beneficios pueden incluir un bajo coste y facilidad de fabricación, especialmente en realizaciones que incluyen una célula primaria basada en silicio. Realizaciones en las cuales las nanoestructuras alargadas son conductoras pueden proporcionar células en las que el ajuste de corrientes se realice más fácilmente.

Ejemplos

Los siguientes ejemplos se incluyen para demostrar realizaciones particulares la presente invención. Se debe apreciar por aquellos expertos en la técnica que los procedimientos divulgados en los ejemplos que siguen representan meramente realizaciones ejemplarizantes de la presente invención. Sin embargo, aquellos expertos en la técnica deberían apreciar, a la luz de la presente divulgación, que se pueden realizar muchos cambios en las realizaciones específicas descritas que todavía obtienen resultados iguales o similares sin alejarse del espíritu y el ámbito de la presente invención.

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Ejemplo 1

El siguiente ejemplo experimental se incluye para demostrar realizaciones para el crecimiento de nanohilos, como se divulga aquí. Están destinados a constituir ejemplos de la presente invención, y por lo tanto no la limitan. La figura 8a muestra el crecimiento de cables de silicio largos de alta densidad, que tiene un diámetro promedio de 57 nm. La figura 8b muestra nanohilos de silicio de baja densidad, más cortos, que tienen un diámetro promedio de 182 nm. Finalmente, la figura 8c muestra un conjunto aleatorio de nanohilos de silicio con un diámetro promedio de 70 nm.

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Ejemplo 2

El siguiente ejemplo experimental se incluye para demostrar realizaciones para la deposición conforme de capas alrededor de nanohilos, como se divulga aquí. Están destinados a constituir ejemplos de la presente invención, y por lo tanto no la limitan. La figura 9a muestra hilos de alta densidad sobre los que se deposita de modo conforme a-Si sobre nanocables de silicio largos de alta densidad. La figura 9b muestra una vista en sección transversal de a-Si depositado de modo conforme sobre un nanohilos 900 de c-Si. La capa de a-Si se introdujo por CVD. La primera capa 910 de a-Si es intrínseca y la segunda capa 920 es dopada n.

Se entenderá que ciertas estructuras, funciones, y operaciones anteriormente descritas de las realizaciones anteriormente descritas no son necesarias para la práctica de la presente invención y están incluidas la descripción simplemente para completar una realización o realizaciones ejemplificadoras. Adicionalmente, se deberá entender que las estructuras, funciones y operaciones específicas establecidas en las patentes y publicaciones referenciadas anteriormente descritas se pueden llevar a cabo conjuntamente con la presente invención, aunque no son esenciales para su práctica. Por lo tanto, debe entenderse que la invención puede practicarse de otro modo del descrito específicamente sin alejarse realmente del espíritu y del ámbito de la presente invención, definida por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Un dispositivo fotovoltaico que comprende:

: un substrato;

: una pluralidad de nanoestructuras alargadas dispuestas sobre una superficie del substrato del dispositivo fotovoltaico; y

: una película multicapa depositada de modo conforme sobre la pluralidad de nanoestructuras alargadas que forman una pluralidad de uniones fotoactivas.

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2. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la película multicapa comprende uno o más de los siguientes: un óxido metálico, silicio amorfo, germanio-silicio amorfo (SiGe), silicio nanocristalino, y carburo de silicio amorfo (SiC).

3. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de nanoestructuras alargadas comprende nanohilos de silicio.

4. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que una capa de la película multicapa comprende un espesor relativo en el rango de 5 \ring{A} a 50.000 \ring{A}.

5. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 4, en el que el espesor relativo se escoge para ajustar las corrientes.

6. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de uniones fotoactivas comprende, al menos, una unión p-n.

7. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de uniones fotoactivas comprende al menos una unión de p-i-n.

8. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la película multicapa comprende, adicionalmente, al menos una unión túnel.

9. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de nanoestructuras alargadas se integran en una primera unión fotoactiva.

10. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de nanoestructuras alargadas son conductores.

11. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente;

: un material conductor transparente (MCT), dispuesto de modo conforme sobre la película multicapa de modo tal que el MCT rellena los espacios entre cada una de la pluralidad de nanoestructuras alargadas, así como proporciona una superficie plana sobre la pluralidad de nanoestructuras alargadas.

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12. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente;

: unos contactos superior e inferior operables para conectar el dispositivo fotovoltaico a un circuito externo;

: en el que el contacto superior se dispone sobre el MCT, y el contacto inferior se dispone sobre una superficie del substrato opuesta a las nanoestructuras alargadas o integrado dentro del substrato.

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13. Un procedimiento para fabricar un dispositivo fotovoltaico, procedimiento que comprende los pasos de:

: generar una pluralidad de nanoestructuras alargadas sobre la superficie de un substrato; y

: depositar de modo conforme una película multicapa sobre la pluralidad de nanoestructuras alargadas formando, por ello, una pluralidad de uniones fotoactivas.

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14. El procedimiento de la reivindicación 13, en el que una o más de la pluralidad de uniones fotoactivas formadas comprende una o más de las siguientes: una unión p-n, una unión p-i-n, y una unión túnel.

15. El procedimiento de la reivindicación 13, que comprende adicionalmente el paso de:

: depositar un material transparente conductor de modo conforme sobre la película multicapa de modo tal que el MCT rellene los espacios entre cada una de la pluralidad de nanoestructuras alargadas, así como proporcione una superficie plana sobre la pluralidad de nanoestructuras alargadas.

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16. El procedimiento de la reivindicación 13, que comprende adicionalmente el paso de:

: establecer contactos superior e inferior operables para conectar el dispositivo fotovoltaico a un circuito externo.

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17. El procedimiento de la reivindicación 13, en el que las nanoestructuras alargadas se proporcionan haciéndolas crecer mediante un procedimiento seleccionado de entre un grupo que consiste en CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, deposición de capas atómicas, deposición electroquímica, deposición química en disolución, y combinaciones de éstas.

18. El procedimiento de la reivindicación 13, en el que las nanoestructuras alargadas se proporcionan mediante crecimiento catalítico a partir de nanopartículas metálicas.

19. El procedimiento de la reivindicación 18, en el que las nanopartículas metálicas residen en una plantilla nanoporosa.

20. El procedimiento de la reivindicación 18, en el que las nanopartículas metálicas comprenden un metal seleccionado de entre un grupo que consiste en oro, indio, galio, y hierro.

21. El procedimiento de la reivindicación 13, en el que el paso de depositar de modo conforme la película multicapa se realiza utilizando una técnica seleccionada de entre un grupo que consiste en CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, pulverización de partículas con bombardeo iónico y combinaciones de éstas.

22. Un panel solar que comprende, al menos, un dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que el panel solar aísla tales dispositivos de su ambiente atmosférico circundante y permite la generación de energía eléctrica.