ES2357596B1 - Dispositivo fotovoltaico y panel fotovoltaico. - Google Patents

Abstract

El dispositivo fotovoltaico tiene una pluralidad de capas (11, 12, 13) configuradas para convertir luz (L) en energía eléctrica. Cada capa comprende al menos una célula solar (11A; 12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) Cada capa está configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas. Al menos una de las capas (12, 13) comprende al menos dos células solares (12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie y que tienen bandas prohibidas con la misma anchura. Las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión (U) sobre cada capa (11, 12, 13) es la misma.#La invención también se refiere a un panel fotovoltaico.

Description

Dispositivo fotovoltaico y panel fotovoltaico.

Campo técnico de la invención

La invención se engloba en el campo de la energía solar fotovoltaica y, más específicamente, en el campo de los dispositivos fotovoltaicos tipo “tándem”, es decir, que comprenden una pluralidad de capas que presentan bandas de energía prohibidas con diferente anchura.

Antecedentes de la invención

Las células solares de silicio cristalino han dominado desde el comienzo el mercado del sector fotovoltaico y actualmente suponen entre el 80 y el 90% de éste. Las razones para el éxito de esta tecnología se basan en la abundancia y relativo bajo coste del silicio como material base para la fabricación de las células, una eficiencia razonable y una tecnología de fabricación muy estable y relativamente sencilla. Los módulos fotovoltaicos realizados con células de silicio son estables para largos periodos de tiempos, y tanto los materiales como los procesos empleados en su fabricación son muy respetuosos con el medio ambiente.

Las células solares fabricadas industrialmente para su inclusión en módulos solares fotovoltaicos de panel plano presentan típicamente eficiencias de conversión de luz a electricidad del orden del 15 al 18%, dependiendo de la calidad del material de partida empleado y de la complejidad del proceso de fabricación de la célula solar. En laboratorio, empleando los mejores sustratos y procesos de fabricación complejos y muy cuidados, se han obtenido células solares con eficiencias de hasta el 24,7% en la Universidad de Nueva Gales del Sur de Australia, UNSW, en 1999. El uso bajo luz concentrada de las células solares permite aumentar la eficiencia de las células solares, básicamente porque aunque la corriente de operación aumenta proporcionalmente al nivel de concentración, la tensión a la que opera la célula tiende también a aumentar ligeramente, lo que provoca que la potencia generada (IxV) aumenta más que el nivel de la luz incidente. Para luz concentrada, la compañía americana AMONIX, con una célula de contactos posteriores desarrollada por la Universidad de Stanford, en USA, ha conseguido una eficiencia del 27,6% bajo una concentración de 92x.

La eficiencia es un parámetro clave en la reducción del coste de la energía solar fotovoltaica. Obtener más energía para la misma superficie de colector fotovoltaico significa reducir los costes asociados al uso de materias primas, vidrios y encapsulados, soportes, cableado, terreno, instalación y mantenimiento, etc.

Las células o dispositivos denominados como tándem o multiunión son unos de los mejores candidatos para la realización de conjuntos fotovoltaicos de eficiencia muy elevada. En estos dispositivos se apilan diferentes capas o células solares realizadas por diferentes materiales semiconductores que presentan diferentes anchuras de su banda prohibida. La anchura de la banda prohibida de un semiconductor determina la energía mínima de los fotones que pueden ser absorbidos por ese material, que aparecerá como transparente para fotones menos energéticos. También la anchura de la banda prohibida está ligada con la tensión a la que puede operar la célula solar, de manera que suelen obtenerse mayores tensiones a medida que aumenta esta anchura de la banda prohibida. En las células o dispositivos tándem la célula de mayor anchura de banda prohibida se sitúa en la parte superior de la estructura, la expuesta directamente a los rayos del sol, mientras que la célula de menor anchura de banda prohibida se sitúa en la parte inferior. De esta manera la célula superior absorbe los fotones más energéticos, siendo transparente al resto, que inciden sobre la siguiente estructura. El proceso se va repitiendo hasta que sólo quedan aquellos fotones cuya energía es inferior a la mínima anchura de banda prohibida existente en el conjunto tándem. Cada célula va conectada con las inmediatas superior e inferior uniendo el terminal negativo de una con el positivo de la otra y viceversa. De esta manera, cada célula solar trabaja a una tensión diferente, siendo la tensión total de la célula tándem la suma de todas ellas, pero todas deben trabajar a la misma corriente, pues ésta atraviesa toda la estructura tándem. Esta situación hace que las células tándem sean muy sensibles al espectro de la luz incidente y también al propio proceso de fabricación, pues la célula que produzca menor fotocorriente limitará la corriente entregada por todo el conjunto.

Las células tándem se han fabricando en base a muy diferentes materiales, como las basadas en silicio amorfo y otras de materiales II-VI o I-III-VI, como por ejemplo CdSe sobre CIGS. Pero las más evolucionadas son las que se basan en semiconductores III-V. Con estos materiales se han realizado recientemente células con eficiencias superiores al 40%. Para estructuras con 4 niveles de semiconductor se esperan eficiencias de conversión del orden del 50%, estando el límite teórico por encima del 60% para estructuras con un número ilimitado de capas de células solares.

Un inconveniente de este tipo de dispositivos es su enorme complejidad. Por ejemplo, una célula de Fraunhofer-ISE con una eficiencia de 41,1% a 454 soles de concentración, contiene un total de 19 capas semiconductoras. Además, este tipo de dispositivos frecuentemente usan germanio como material soporte, algo que hace que sean muy caros y sólo puedan ser empleados de una manera económicamente rentable en aplicaciones espaciales o en aplicaciones terrestres con luz concentrada. En este sentido ya existen intentos por sustituir la capa inferior de germanio por otra de silicio, mucho más económica.

La evolución desde las actuales células de silicio hacia otras más eficientes basadas en la estructura tándem antes descrita no es sencilla. Las células de silicio son capaces de producir una corriente fotogenerada en la banda de 34 a 41 mA/cm2 de material. Por debajo de los 1,1 eV de energía, que el silicio es capaz de absorber, sólo quedan en el espectro solar del orden de 20 mA/cm2 que pudieran ser convertidos en electricidad a unos valores razonables de tensión. Esto quiere decir que el diseño de una célula tándem con silicio y germanio en sus dos últimos niveles requerirla el empleo de una o dos células más en la parte superior de la estructura tándem, capaces de detraer de la célula de silicio los 14 a 21 mA/cm2 de fotones que no pueden ser aprovechados en esta estructura y convertirlos en electricidad a otras tensiones mayores.

Por lo tanto, el empleo de la estructura de célula tándem convencional, con conexión en serie de todos los niveles, requiere de complejas estructuras para mejorar sensiblemente las características eléctricas de las actuales células de silicio.

La figura 1 refleja un ejemplo de un circuito equivalente de una estructura de célula fotovoltaica tándem según el estado de la técnica. Se puede considerar que lo que se llama célula tándem 100 en realidad es un dispositivo fotovoltaico compuesto por una pluralidad de células solares 101-103 (a veces llamadas “subcélulas”, para diferenciarlas de la célula “global” 100) conectadas en serie y configuradas para recibir luz solar L. Cada una de dichas células solares corresponde a una capa de la estructura del dispositivo, y las células/capas están superpuestas de manera que en un primer extremo (al que se suele denominar “extremo superior”, puesto que es el extremo que, cuando el dispositivo está en uso, está situado para recibir la luz solar primero) hay una primera 101 de dichas capas, y en un segundo extremo, al que se suele denominar el “extremo inferior”, hay una última 103 de dichas capas, pudiendo haber una o más capas intermedias 102. Por lo tanto, cada célula solar (101, 102, 103) corresponde a una de las capas de la estructura, y las células (capas) están conectadas en serie, tal y como se refleja en la figura 1.

Cada célula o capa es de un material (o combinación de materiales) determinado (en la figura 1, m1, m2, m3) y está configurada para presentar una banda prohibida determinada, que varía entre las diferentes capas. La capa superior 101 presenta la banda prohibida más ancha (por ejemplo, en un caso típico, del orden de 1,7 eV), la capa siguiente 102 presenta una banda prohibida menos ancha (por ejemplo, de 1,2 eV), etc., de manera que la banda prohibida menos ancha de todas (por ejemplo, de 0,7 eV) es la de la capa inferior 103. De esta manera, tal y como es conocido, cuando luz solar L incide sobre la estructura, los fotones atraviesan las diferentes bandas desde arriba hacia abajo, y son “absorbidos” por las bandas según la energía de los fotones. De esta manera, la célula solar superior 101 absorbe los fotones cuya energía supera el ancho de su banda prohibida (y produce una energía correspondiente a dicha banda, “perdiéndose” al menos la diferencia entre la energía del fotón y el ancho de la banda prohibida de la capa), mientras que el resto de los fotones pasan a la capa siguiente, etc. Para maximizar la eficiencia del dispositivo fotovoltaico, es por lo tanto necesario, por una parte, configurarlo de manera que presenta un número adecuado de capas y, por otra parte, que la distribución de los anchos de las bandas prohibidas de dichas capas sea adecuada, en función del espectro energético de la luz solar.

Un problema que se deriva de la conexión en serie de las células fotovoltaicas o solares es que, mientras que cada célula opera a una tensión (U1, U2, U3) que es una función de, entre otras cosas, el ancho de su banda prohibida y de la intensidad y espectro de la luz, la corriente (I) a través de todas las células es la misma, de manera que la célula que menos corriente produce limita la corriente total del dispositivo, de manera que si, por ejemplo, una de las células solares 101 y 102 es capaz de producir una corriente muy elevada por absorber mucha energía solar, su capacidad de convertirla en energía eléctrica puede verse limitada por la corriente que produce otra de las capas, por ejemplo, la capa inferior 103. Esto implica una dificultad adicional en el momento de diseñar y producir dispositivos fotovoltaicos de tipo “tándem”: no sólo es necesario conseguir una estructura cuya distribución de bandas prohibidas sea óptima (o al menos buena) en función del espectro energético solar, sino que además es importante diseñar el dispositivo para que ninguna de las capas o células fotovoltaicas limiten en exceso el rendimiento de otra de las capas. Esto no sólo dificulta el diseño, sino que también puede aumentar el coste del dispositivo, puesto que puede hacer necesario el uso de un gran número de capas y/o capas de materiales costosos.

Trupke et al., “Improved spectral robustness of triple tándem solar cells by combined series/parallel interconnection”, Journal of Applied Physics, Vol. 96, No. 4, 15/8/2004, describe una manera de intentar superar el problema que implica el hecho de que la corriente a través de cada capa o célula del dispositivo tándem tiene que ser la misma. Se describen los problemas que esta limitación en cuanto a la corriente implican en una estructura de tres capas (conocida como “triple tándem solar cell”), y se propone como solución conectar dos de las capas, las que tienen las banda prohibidas de menor anchura (a saber, las dos capas inferiores), en serie entre sí, y luego conectar estas dos capas en paralelo con una capa con una banda prohibida de anchura mayor (a saber, la capa superior). De esta manera, las capas inferiores no limitan la corriente que produce la capa superior, a la vez que se consigue una tensión aceptable (por ejemplo, la suma de la tensión de las dos capas inferiores) . Se indica que con esta disposición se prevé aumentar la eficiencia del dispositivo, aunque se comenta que también puede haber algunos problemas técnicos que deben solucionarse.

Es probable que la estructura propuesta por Trupke et al. efectivamente sirva para aumentar la eficiencia. Sin embargo, también parece ser que tiene ciertas limitaciones. Para empezar, requiere al menos tres capas (las dos que se deben conectar en serie, y la tercera, la superior) . Por otra parte, ya que es necesario conseguir que la tensión con la que opera el dispositivo sea la adecuada, también es necesario elegir bien los materiales para las diferentes capas, con el fin de optimizar no sólo las corrientes que se producen, sino también la tensión, algo que impone una limitación al diseñador de la estructura en cuanto a, por ejemplo, la elección de materiales. También puede ser que la interconexión entre capas pueda implicar ciertas dificultades, por la particular combinación de conexiones paralelas y serie.

Descripción de la invención

Por ello, se ha considerado que seria de gran interés disponer de una estructura alternativa que igualmente pueda servir para aumentar la eficiencia con respecto a los dispositivos tándem convencionales, pero que ofrezca nuevas posibilidades de diseño del dispositivo, por ejemplo, por no requerir tres capas, por no requerir conexión en serie entre capas, y/o por permitir nuevas combinaciones de materiales a la vez que se consigan corrientes y tensiones adecuadas.

Un primer aspecto de la invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico, que comprende una pluralidad de capas configuradas para convertir luz (L) en energía eléctrica, comprendiendo cada capa al menos una célula solar, estando cada capa configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas. De acuerdo con la invención, al menos una de dichas capas comprende al menos dos células solares conectadas en serie, teniendo dichas células solares conectadas en serie bandas prohibidas con la misma anchura. Además, las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión sobre cada capa es la misma.

Dado que las capas están conectadas en paralelo, la corriente que produce una capa no está limitada por la corriente que producen las otras capas, algo que facilita el diseño de un dispositivo eficiente, con, por ejemplo, comparativamente pocas capas y/o materiales menos costosos.

A modo de ejemplo se puede considerar el caso de un dispositivo tándem en el que una de las capas sea una célula de silicio cristalino (esta célula se podría realizar a partir de un sustrato de silicio, que sería el soporte mecánico de toda la estructura, lo que abarataría el coste del dispositivo total frente a otros que empleen, por ejemplo, germanio u otro material como soporte) . Una célula solar de silicio puede llegar a producir del orden de 40 miliamperios de corriente por cada centímetro cuadrado de superficie expuesta a la luz en condiciones de iluminación estándar (“un sol”). Si se añadiese en la parte inferior de la célula de silicio otra célula solar de un material de banda prohibida menos ancha, germanio por ejemplo, y se emplease una estructura tándem convencional, el dispositivo total podría llegar a producir una corriente eléctrica inferior a los 17 miliamperios por centímetro cuadrado. Esto es debido a que la fracción del espectro solar que es capaz de ser absorbida por una célula de germanio pero no por una de silicio, a través de la cual ya habría sido filtrado, está en este rango de valores. Por tanto, la corriente en exceso producida por la célula de silicio, los 23 miliamperios por centímetro cuadrado restantes, sería desaprovechada. Para una realización eficiente de esta estructura sería necesario incluir otro material en el extremo superior, capaz de convertir en electricidad al menos otros 17 miliamperios por centímetro cuadrado correspondientes a los fotones más energéticos, capaces de ser absorbidos por un material de mayor ancho de banda, originando un voltaje mayor que el de la célula de silicio. El conjunto podría comenzar por un material con ancho de la banda prohibida de 1,7-1,8 eV, seguido por silicio y por último germanio. Toda esta estructura se complicaría con todas las capas adicionales colocadas entre cada célula solar y que son necesarias para el correcto funcionamiento de la célula tándem según el estado de la técnica. Para que esta estructura sea eficiente se necesitarían un mínimo de tres capas si es que las dos inferiores son de silicio y germanio.

Este problema queda resuelto con la invención. Por ejemplo, de acuerdo con una realización de la invención se podría añadir la capa de germanio en la parte inferior de la célula de silicio, pero dividiendo la capa de germanio en dos células de áreas idénticas o parecidas (de forma que cada una de estas dos células produzca una corriente aproximadamente igual que la que produce la otra), conectadas en serie entre sí. Por cada centímetro cuadrado del nuevo dispositivo podrían llegar a obtenerse los 40 miliamperios correspondientes a la célula de silicio más otros 8,5 miliamperios de cada célula de germanio, obteniéndose una corriente total de 48,5 miliamperios, lo que supone una ganancia superior al 20% en valor relativo sobre la célula original de silicio.

Con la estructura según el estado de la técnica (es decir, según el concepto ilustrado en la figura 1) se mantiene constante la corriente que circula a través de cada capa o célula individual y se suman las tensiones que producen cada célula. La corriente, que es el parámetro común, viene limitada por aquella estructura que proporciona una corriente menor que el resto. Con la estructura según la invención, el parámetro común a todas las capas es la tensión, obtenida como la suma de las tensiones de todas las células solares que vayan unidas en serie en la capa que menor tensión produce. Sin embargo, la corriente total en el dispositivo se obtiene como suma de las corrientes de todas las capas. En el dispositivo según la invención, es la tensión de la capa peor la que limita el funcionamiento de todo el dispositivo. Respecto del nivel de iluminación, bien sea referido para todo el espectro comprendido por la luz solar o para cada uno de los subespectros capaces de ser absorbido por cada capa semiconductora, la corriente tiene un comportamiento lineal, siendo por tanto muy sensible a variaciones del nivel luminoso o a cambios de las componentes espectrales de la luz. Sin embargo, la tensión a la que operan las diferentes células varía logarítmicamente con el nivel de iluminación, lo que hace que este parámetro, la tensión, tenga una baja sensibilidad respecto de la iluminación. Esta cualidad convierte a la estructura de la invención en una estructura mucho más robusta que la convencional por su mayor independencia en cuanto a sus características de funcionamiento respecto de posibles variaciones en el nivel luminoso, fundamentalmente de aquellas que alteran la distribución espectral de la luz.

Una de las capas puede ser de silicio, más concretamente, de silicio cristalino. Es decir, en ese caso, el dispositivo comprende células solares de silicio, algo que sirve para reducir el coste.

Otra de las capas puede ser de un material que comprende germanio. Se ha comprobado que debido a sus características, incluyendo la anchura de sus bandas prohibidas, la combinación de una capa de silicio y una capa basada en germanio -por ejemplo, sustancialmente de germanio o de germanio-silicio-puede representar un equilibrio adecuado entre coste y eficiencia.

La capa de silicio puede comprende una célula solar con una cara superior y una cara inferior, y en dicha cara inferior pueden estar dispuestas dos (2) células solares del material que comprende germanio, conectadas en serie. Se ha comprobado que la relación de 1:2 entre las células de silicio y las células de germanio o germanio-silicio puede ser óptima: permite producir una corriente aceptable a una tensión aceptable; si se hubiera usado sólo una célula de germanio por célula de silicio, la célula de germanio produciría más corriente -por tener una mayor superficie-pero bajaría la tensión, algo que afectaría negativamente a la aportación de la célula de silicio a la potencia total producida por el dispositivo, dando lugar a una eficiencia peor que la que se consigue con la relación de 1:2.

De acuerdo con una posible realización de la invención, una segunda de las capas puede ser una capa de silicio que comprende una pluralidad de segundas células solares conectadas en serie, una tercera de las capas puede ser una capa de un material que comprende germanio, comprendiendo dicha tercera de las capas una pluralidad de terceras células solares conectadas en serie, de manera que en una cara inferior de cada una de las segundas células solares están dispuestas al menos dos de las terceras células solares, conectadas en serie. Además, una capa adicional, a saber, una primera de las capas, puede estar dispuesta sobre una cara superior de la segunda de las capas y comprender al menos una célula solar que presenta una banda prohibida más ancha que la banda prohibida de silicio.

El material que comprende germanio puede ser, por ejemplo, germanio o germanio-silicio.

Cuando el dispositivo de la invención comprende una capa de silicio, la capa de silicio puede ser una capa de soporte de la pluralidad de capas. Dado que la capa de soporte tiene que cumplir con la función de “soporte”, en general comprende más material que las otras capas, por lo que poder fabricarla a partir de silicio puede implicar una reducción de costes.

De acuerdo con algunas modalidades de la invención, al menos una de las capas comprende al menos una célula solar de silicio con contactos en la cara inferior, estando depositadas sobre dicha cara inferior al menos dos células solares de germanio o de germanio-silicio, conectadas en serie.

Otro aspecto de la invención se refiere a un panel fotovoltaico o panel solar, que comprende una pluralidad de los dispositivos fotovoltaicos según la invención.

Descripción de las figuras

Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de figuras en el que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1 muestra un ejemplo de un circuito equivalente de una estructura de dispositivo fotovoltaico tándem según el estado de la técnica.

La figura 2 muestra un ejemplo de un circuito equivalente de una estructura de dispositivo fotovoltaico tándem según una posible realización de la presente invención.

La figura 3 muestra los diferentes coeficientes de absorción del silicio y del germanio.

La figura 4 muestra las diferentes partes del espectro solar que se absorberían por cada una de las células solares.

La figura 5 muestra una vista esquemática en perspectiva de una célula fotovoltaica de silicio con contactos posteriores.

La figura 6 muestra una vista esquemática en perspectiva de la misma célula fotovoltaica de silicio con dos células de germanio superpuestas a su cara inferior.

La figura 7 muestra una sección transversal de una estructura similar a la de la figura 6.

Realizaciones preferentes de la invención

La figura 2 refleja cómo un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la invención puede comprender dos o más capas (11, 12, 13) configuradas para convertir luz L en energía eléctrica. Cada capa comprende al menos una célula solar, y cada capa está configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas. Al menos una de las capas (12, 13) comprende al menos dos células solares (12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie, y las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión U sobre cada capa (11, 12, 13) es la misma. Tal y como se puede ver, por cada capa fluye una corriente diferente (I11,I12,I13), de manera que el dispositivo produce una corriente total que es la suma (I11 +I12 +I13) de las corrientes producidas por cada capa.

En una realización típica, el dispositivo puede comprender dos capas, por ejemplo, una capa de silicio cristalino con una o más células solares en serie, y otra capa de germanio o silicio-germanio, dispuesta sobre la cara inferior de la capa anterior, de manera que en la superficie “inferior” de cada célula solar de silicio hay dos o más células de germanio, conectadas en serie. También existe la posibilidad de que sobre la capa de silicio esté depositada otra capa con una banda prohibida superior a la de silicio (por ejemplo, una banda prohibida superior a 2 eV) , en cuyo caso puede haber dos o más células solares de silicio dispuestas en cada célula solar de la capa superior. No obstante, se considera que puede ser especialmente ventajoso que el soporte de la estructura sea la capa de silicio -entre otras cosas, porque es un material relativamente barato, por lo que el hecho de que constituya una gran parte del material total del dispositivo puede servir para reducir el coste del mismo-, y especialmente preferido que haya una capa de germanio

o de silicio-germanio dispuesta sobre la superficie inferior de la capa de silicio, de acuerdo con la estructura descrita, es decir, con dos o más células fotovoltaicas de germanio o de germanio-silicio dispuestos sobre la cara inferior de cada célula fotovoltaica de silicio, algo que proporciona una eficiencia buena a un coste aceptable. Lógicamente, esta estructura puede completarse con capas adicionales, aumentando la eficiencia total del dispositivo pero también, como es lógico, aumentando su complejidad y, en muchos casos, su coste.

Tal y como se ha indicado, para las células de anchura de banda inferior a la de silicio se puede usar germanio o silicio-germanio, cuya anchura de banda prohibida puede modularse en el rango de las 0,65 a 1,1 eV dependiendo tanto de la relación de silicio a germanio como del estrés de la red cristalina. La figura 3 muestra los diferentes coeficientes de absorción del silicio y del germanio. Por encima de los 1000 nm casi toda la luz solar se absorbe en las células de germanio o silicio-germanio, siendo suficientes pequeños espesores de esta célula, inferiores a los 5 micrómetros, para la colección de la mayor parte del espectro infrarrojo. La figura 4 muestra las diferentes partes del espectro solar que se absorberían por cada una de las células solares.

En el caso de que la célula de silicio sea una célula de contactos posteriores, tanto la estructura de la célula como su fabricación resultan sencillas. La figura 5 muestra de forma esquemática una célula fotovoltaica 11A de silicio, en perspectiva y con su cara inferior (es decir, la que no recibe la luz solar L) hacia arriba. Se pueden ver el emisor positivo 21, el emisor negativo 22, el electrodo positivo 23 y el electrodo negativo 24. En la figura 6 se puede observar la estructura de dos capas, en la que a la capa de silicio, que puede formar el soporte de la estructura, se han superpuesto dos células fotovoltaicas 12A y 12B de germanio (o germanio-silicio), conectadas en serie a través del electrodo 25 y conectadas en paralelo con la célula fotovoltaica de silicio 11A a través de los contactos posteriores 23 y 24.

La figura 7 ilustra esquemáticamente una sección transversal de una estructura similar a la de la figura 6, donde elementos similares llevan las mismas referencias numéricas. La parte superior de la célula fotovoltaica tiene una configuración particular típica de las del tipo TWT que se contempla en WO-A-2006/051132, pero podría ser cualquier otra: no es una característica esencial para la invención. Se puede ver el emisor frontal 26 (tipo n o p) y el emisor positivo 21 y negativo 22, así como correspondientes emisores negativo 28 y positivo 29 de las células de germanio, que están conectadas en serie a través del electrodo 25.

Es decir, la capa de germanio está dividida en pequeñas porciones cubriendo cada una la región tipo n o la tipo p correspondientes a la estructura interdigitada de la cara posterior de la célula de silicio. Los emisores tipo n y p de las caras frontales de las células n+pyp+p,on+ nyp+n si el germanio está dopado tipo n, podrían formarse a partir de los existentes en la cara posterior de la célula de silicio, por difusión desde éstos. Un emisor 30 puede ser necesario en la cara posterior de una de las células de germanio a fin de completar la estructura p+ pn+ on+np+, dependiendo del tipo de germanio depositado. Una capa metálica 25 se deposita uniendo las caras posteriores de ambas células de germanio a fin de conectar en serie las estructuras n+ pyp+pn+,on+np+ yp+ n si el germanio está dopado tipo n. Por último un aislante 27 entre las células de silicio y germanio podría ser necesario a fin de separar los pseudoniveles de Fermi de ambas estructuras.

En el caso de una célula de tres niveles se podría depositar capas semiconductoras en la cara frontal de la célula de silicio. Estas capas podrían tener una anchura de la banda prohibida del orden de 2 eV o superior, por ejemplo, de 1,7 eV o superior, y su tensión de trabajo se podría, en un caso típico, situar entre 1 y 1,2 voltios. La célula de silicio, sustrato de la de germanio, se podría dividir en dos y cada mitad deberá conectarse en serie. La célula resultante deberá ser conectada en paralelo con la célula superior. Es decir, se correspondería con la estructura ilustrada en la figura 2, siendo las células de la capa 12 las de silicio y los de la capa 13 las de germanio o germanio-silicio. También se correspondería con la de la figura 6, siendo las células 12A y 12B las de silicio y la célula 11A la de la capa superior (y no viéndose las células de germanio, que se superpondrían a las de silicio).

Para una estructura con dos niveles, el primero de silicio y el segundo de germanio o de silicio-germanio, la célula de germanio podría llegar a colectar hasta 17 mA/cm2, no aprovechables por la célula de silicio. Como esta célula se encuentra dividida en dos mitades, luego conectadas en serie, la estructura de germanio podría llegar a colectar hasta 8,5 mA/cm2 y fácilmente por encima de 6 mA/cm2. Estas cifras suponen una mejora del 12 al 20% sobre la célula de silicio usada como soporte. Teniendo en cuenta que es posible fabricar células de silicio con eficiencias de hasta el 24,7% medidas a 1 sol, la nueva estructura de dos niveles podría representar una eficiencia tecnológicamente alcanzable situada en la banda del 27 al 30%. Para una estructura con tres niveles, podrían obtenerse unos 10 mA/cm2, de los antes colectados por la célula de silicio, a una tensión doble. La eficiencia alcanzable para esta estructura se situaría en la banda del 32 al 36%.

A continuación se considera, a modo de ejemplo, la estructura básica de dos niveles, a saber, un nivel superior que es una célula de silicio de contactos posteriores, y un nivel inferior que es un conjunto en serie de dos células de germanio, tal y como se puede ver en, por ejemplo, las figuras6y7.

La célula superior, de silicio, puede tender una estructura posterior interdigitada, que podrá ser del tipo IBC o PCSC o EWT o TWT (véase WO-A-2006/051132) o cualquier otra similar, cuyo proceso de fabricación se encuentra bien descrito en la literatura. Esta célula puede ir ya provista de los dedos metálicos 23 y 24, pues estos quedan al menos parcialmente enterrados debajo de la capa de germanio depositada. Sobre la parte posterior de la célula se puede depositar una capa de germanio de un espesor de entre 1 y 5 micrómetros. Esta capa puede ser depositada por deposición química en fase vapor, CVD, a partir de GeH4, u otros compuestos clorados, como GeH2Cl2, haciéndolos reaccionar con SiH4 o SiH2Cl2 en un ambiente de hidrógeno, por lo general en baja presión. Debido a la gran diferencia de constantes de red entre el silicio y el germanio, 4,2%, puede ser preciso emplear técnicas especiales a fin de evitar la aparición de dislocaciones cuando, para espesores suficientes, la red del germanio se relaje a su tamaño de equilibrio. Una técnica usual consiste en depositar un fina capa de Ge a temperaturas en el rango de 300 a 350º, seguida de otra capa, ya gruesa, depositada por encima de 600º, finalizando el proceso con un recocido de toda la estructura. La capa de germanio puede ser depositada sobre toda la superficie posterior de la oblea y posteriormente ser delineada mediante ataque químico o por ablación por láser, o también puede ser depositada selectivamente usando una fina capa de SiGe como semilla. En este caso podría evitarse el proceso de deposición en dos temperaturas descrito anteriormente.

Bien durante la deposición de la capa de germanio, bien al final de ésta, un proceso de oxidación en ambiente de oxígeno o de vapor de agua podrá crear la capa de óxido de silicio necesaria para el aislamiento de las células de silicio y de germanio, valiéndose para esto de la reacción química:

Ge+O2 → GeO2

Si + GeO2 → SiO2 +Ge

También puede encontrarse en la bibliografía tecnología para la deposición de Germanio epitaxial sobre finas capas de óxido de silicio. Actualmente hay un gran interés en tecnologías de deposición de germanio y de silicio-germanio para la fabricación de transistores bipolares de alta velocidad y para fotodetectores, por lo que hay mucha tecnología desarrollada para estos fines.

De las dos células de germanio resultantes al menos una de ellas puede necesitar de una difusión en su cara posterior, tipo p si el germanio depositado es tipo n o viceversa. Esta difusión puede realizarse bien mediante técnicas convencionales de enmascarado, aperturas de ventanas y difusión en horno o bien mediante un dopado selectivo usando deposición serigráfica del dopante. Una metalización, realizada bien en alto vacío o por serigrafía unirá eléctricamente ambas estructuras de germanio.

En este texto, la palabra “comprende” y sus variantes (como “comprendiendo”, etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc.

Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

   1. Dispositivo fotovoltaico, que comprende

   una pluralidad de capas (11, 12, 13) configuradas para convertir luz (L) en energía eléctrica, comprendiendo cada capa al menos una célula solar (11A; 12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D), estando cada capa configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas,

   caracterizado porque

   al menos una de dichas capas (12, 13) comprende al menos dos células solares (12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie, teniendo dichas células solares conectadas en serie bandas prohibidas con la misma anchura;

   y porque

   las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión (U) sobre cada capa (11, 12, 13) es la misma.
2. 2. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que una de las capas (11; 12) es de silicio.

3. 3.

   Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 2, en el que otra de las capas (12; 13) es de un material que comprende germanio.

4. 4.

   Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 3, en el que la capa de silicio comprende una célula solar (11A) con una cara superior y una cara inferior, y porque en dicha cara inferior están dispuestas 2 células solares (12A, 12B) de dicho material que comprende germanio, conectadas en serie.

5. 5. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que:

   -

   una segunda de las capas (12) es una capa de silicio que comprende una pluralidad de segundas células solares (12A, 12B) conectadas en serie;

   -

   una tercera de las capas (13) es una capa de un material que comprende germanio, comprendiendo dicha tercera de las capas una pluralidad de terceras células solares (13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie, de manera que en una cara inferior de cada una de las segundas células solares están dispuestas al menos dos de las terceras células solares, conectadas en serie;

   -

   una primera de las capas (11) está dispuesta sobre una cara superior de la segunda de las capas (12) y comprende al menos una célula solar (HA) que presenta una banda prohibida más ancha que la banda prohibida de silicio.

6. 6.

   Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que dicho material que comprende germanio es germanio.

7. 7.

   Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que dicho material que comprende germanio es germanio-silicio.

8. 8.

   Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 2-7, en el que dicha capa de silicio es una capa de soporte de la pluralidad de capas (11, 12, 13).

9. 9.

   Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que al menos una de dichas capas (11, 12) comprende al menos una célula solar de silicio con contactos en la cara inferior, estando depositadas sobre dicha cara inferior al menos dos células solares de germanio o de germanio-silicio, conectadas en serie.

10. 10.

    Panel fotovoltaico, que comprende una pluralidad de dispositivos fotovoltaicos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

    N.º solicitud: 200930844

    ESPAÑA

    Fecha de presentación de la solicitud: 14.10.2009

    Fecha de prioridad:

    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

    51 Int. Cl. : H01L31/05 (01.01.2006)

    DOCUMENTOS RELEVANTES

    Categoría

    Documentos citados Reivindicaciones afectadas

    X

    US 5261969 A (STANBERY, BILLY J) 16.11.1993, resumen; columna 1, línea 12 – columna 3, 1,2,10

    línea 40; columna 4, líneas 5-40; columna 5, líneas 1-25; columna 13, líneas 1-14; figura 1.

    Y

    3-9

    Y

    US 4617420 A (DILTS, DAVID A et al.) 14.10.1986, columna 3, líneas 4-49; figura 1. 3-9

    X

    US 2007137698 A1 (WANLASS, MARK W et al.) 21.06.2007, resumen; 1,2,10

    párrafos [5-16],[27-43],[77-86]; figuras 6-7.

    A

    8

    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:

    Fecha de realización del informe 27.01.2011

    Examinador A. Figuera González Página 1/5

    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

    Nº de solicitud: 200930844

    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H01L Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de

    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, TXTEN

    Informe del Estado de la Técnica Página 2/5

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 200930844

    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 27.01.2011

    Declaración

    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones 3 -9 ...................................................... SI 1, 2, 10.................................................. NO

    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones SI 1 -10..................................................... NO

    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

    Base de la Opinión.-

    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

    Informe del Estado de la Técnica Página 3/5

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 200930844

    1. Documentos considerados.-

    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

    Documento

    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

    D01

    US 5261969 A (STANBERY, BILLY J ) 16.11.1993

    D02

    US 4617420 A (DILTS, DAVID A et al.) 14.10.1986

    D03

    US 2007137698 A1 (WANLASS, MARK W et al.) 21.06.2007

11. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

    REIVINDICACIÓN 1

    En el documento D01 se describe una célula fotovoltaica monolítica de tipo tándem con el voltaje ajustado. La célula 20, adherida a un substrato de vidrio 22, incluye una célula superior 24 que forma el circuito de la sub-célula superior del tándem con una única célula. Un par de células inferiores 26 situadas debajo de la célula 24 están conectadas en serie y forman conjuntamente el circuito de la sub-célula inferior del tándem. Los circuitos de sub-células que forma la célula monolítica 20 funcionan conjuntamente como un circuito de suministro de energía con el voltaje ajustado. Las células inferiores 26 se conectan en serie. La célula superior 24 y las células inferiores 26 del tándem se conectan en paralelo. Véase documento D01, columna 4, líneas 6 a 40, columna 5, líneas 1 a 25, reivindicación 1 y figura 1.

    En un modo de realización, la energía de la banda prohibida de la célula superior 24 es del orden de 1,4 a 1,7 eV y la energía de la banda prohibida de las células inferiores 26 es aproximadamente 1,0 eV. Véase documento D01, columna 10, línea 56 a columna 11, línea 21.

    En definitiva, el documento D01 divulga todas las características técnicas de la invención objeto de la reivindicación 1, por lo que la reivindicación 1 no es nueva de acuerdo con la definición del artículo 6 de la Ley de Patentes.

    REIVIDICACIÓN 2

    En el documento D01 se considera la posibilidad de que las células que forman el tándem inferior estén hechas de un material tal como Si o Ge (véase columna 13, líneas 10 a 14)

    Así pues la reivindicación 2, que depende de la reivindicación 1 que no es nueva, no aporta ninguna característica técnica que no haya sido ya divulgada en el mismo documento D01, y por lo tanto tampoco es nueva.

    REIVIDICACIONES 3 a 7

    Se considera que el documento del estado de la técnica más próximo al objeto de las reivindicaciones 3 a 7 es el documento D01.

    La diferencia entre el objeto de las reivindicaciones 3 a 7 y lo divulgado en el documento D01 es que en el documento D01 no se menciona explícitamente la posibilidad de que las diferentes capas del dispositivo fotovoltaico estén realizadas en los materiales reivindicados.

    No obstante el uso de germanio y de silicio como materiales para células fotovoltaicas es conocido en el estado de la técnica tal y como se ilustra por ejemplo, en el documento D02 (véase columna 3, líneas 4 a 49 y figura 1). En el documento D02 se describe un dispositivo con dos células apiladas pero conectadas en serie. La primera, que ocupa la posición inferior, está formada por las capas 5, 7 y 9 y la segunda, que ocupa la posición superior, está formada por las capas 11, 13 y 15.

    En el documento D02 se describe el uso de una capa de material inferior que puede comprender germanio, (D02, col. 3, lín. 14 -18) para disminuir la banda prohibida de la célula con respecto a la banda prohibida del silicio amorfo y ajustar así la respuesta espectral de la célula, mientras que la segunda capa puede ser de silicio amorfo (D02, col. 3, lín. 24 -28). También se menciona la posibilidad de que haya más de dos capas (D02, col. 3, lín. 44 -46) y de que la capa que está por encima de una capa de silicio amorfo esté dopada con un compuesto que aumente la banda prohibida del Si para ajustar la respuesta espectral de la célula (D02, col. 3, lín. 24 -28).

    Por lo tanto para el experto en la materia, conociendo el documento D01, el utilizar los materiales del documento D02 hubiera sido un paso obvio de selección de materiales conocidos para realizar una determinada función y hubiera obtenido unos resultados que hubieran estado dentro del objeto de las reivindicaciones 3 a 7.

    En conclusión, las reivindicaciones 3 a 7, que dependen de las reivindicaciones 1 y 2 que carecen de novedad o de otras reivindicaciones anteriores a sí mismas que carecen de actividad inventiva, carecen a su vez de actividad inventiva de acuerdo con la definición del artículo 8 de la Ley de Patentes.

    Informe del Estado de la Técnica Página 4/5

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 200930844

    REIVINDICACIÓN 8

    La posibilidad de usar una capa silicio del dispositivo fotovoltaico a la vez como substrato y como célula fotovoltaica es conocida en el estado de la técnica tal y como se ilustra en el documento D03, párrafo [80].

    Se considera por lo tanto que se trata de una mera opción de diseño.

    En conclusión, la reivindicación 8, que depende de cualquier de las reivindicaciones 2-7 que carecen de novedad y/o de actividad inventiva, no aporta ninguna característica técnica que no hubiera sido obvia para el experto en la materia por lo que carece de actividad inventiva.

    REIVINDICACIÓN 9

    En la célula 20 del documento D01, existen unos contactos 37 que conectan la parte superior con la parte inferior en paralelo y que se encuentran aproximadamente debajo de la célula superior 24.

    Así pues, el que los contactos estén en la cara inferior es aparentemente de una mera opción de diseño, por lo que se considera que la reivindicación 9, dependiente de la reivindicación 1 que carece de novedad, no aporta ninguna característica técnica adicional que no hubiera resultado obvia para el experto en la materia.

    En conclusión la reivindicación 9 carece de actividad inventiva.

    REIVINDICACIÓN 10

    La reivindicación 10, que hace referencia a unos dispositivos objeto de reivindicaciones que carecen de novedad y/o de actividad inventiva, no aporta ninguna característica técnica adicional que pueda conferirles actividad inventiva por lo que carece a su vez de novedad y/o de actividad inventiva.

    Informe del Estado de la Técnica Página 5/5