ES2466515A1 - Dispositivo fotovoltaico de capa fina con estructura de cristal fotónico y comportamiento como sistema de confinamiento cuántico, y su procedimiento de fabricación - Google Patents

Dispositivo fotovoltaico de capa fina con estructura de cristal fotónico y comportamiento como sistema de confinamiento cuántico, y su procedimiento de fabricación Download PDF

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Abstract

Una célula solar de capa fina con cavidades nanométricas y periódicas, realizadas sobre la capa correspondiente al electrodo anterior compuesto por un material conductor transparente, o sobre el sustrato no fotoactivo plano a escala nanométrica, y rellenas el por electrodo anterior compuesto por un material conductor transparente o por material semiconductor fotoactivo respectivamente, de manera que se consigue un sistema de confinamiento cuántico a la vez que esa misma estructura funciona de cristal fotónico. Un procedimiento de fabricación de la célula solar de capa fina basado en tecnologías de litografía por interterometría láser o ablación por interferometría láser para la realización de las nanoestructuras.

Description

Dispositivo fotovoltaico de capa fina con estructura de cristal fotónico y comportamiento como sistema de confinamiento cuántico, y su procedimiento de fabricación.
Campo técnico de la Invención
La presente invención se encuadra dentro del sector de la nanotecnología. Concretamente, se refiere a su aplicación para la configuración de dispositivos fotovoltaicos combinando las
10 características de los sistemas de confinamiento cuántico y estructuras de cristal fotónico para así mejorar el atrapamiento de la luz y su eficiencia cuántica, y a su procedimiento fabricación.
En particular, la presente invención se refiere a una célula solar de capa fina sobre la cual,
15 mediante la aplicación de nanoestructuras simétricas, se consigue efectos propios de cristales fotónicos y de sistemas de confinamiento cuántico. La nueva configuración presentada mejora la eficiencia de la célula sin incrementar mucho los costes de fabricación.
Estado de la técnica
20 La obtención de energía eléctrica mediante la exposición de un semiconductor, o un conjunto de semiconductores, a la luz solar, se conoce como energía fotovoltaica. La generación de energía fotovoltaica está considerada desde sus orígenes como una fuente de energía limpia, duradera, de bajo impacto y que requiere poco mantenimiento.
25 Los dispositivos que transforman energía solar en electricidad son comúnmente conocidos como células solares o fotovoltaicas y su funcionamiento está basado en las propiedades intrínsecas de los semiconductores que actúan como material fotoactivo. Los fotones incidentes con energía igual o mayor a la energía de activación, determinada por la banda
30 de energía prohibida del material semiconductor, transfieren su energía a los electrones de la capa de valencia, pudiendo estos promocionar a la banda de conducción, de forma que es posible la obtención de electricidad.
El Silicio es uno de los materiales semiconductores más empleados a la hora de fabricar
35 células solares, usándose monocristales, formas policristalinas y silicio amorfo. En las llamadas células de Primera Generación, a medida que la tecnología iba madurando, los
2
costes de material se volvían más dominantes. Tal y como se menciona en la patente US2007/0012355, estudios realizados en 1997 mostraban que los costes de material podían llegar a representar el 70% de los costes de fabricación. Esta situación alentó el desarrollo de una segunda generación de células fotovoltaicas, las células solares de lámina delgada.
Las células solares de lámina delgada tienen un coste menor que las de silicio monocristalino, debido a que el proceso de crecido de silicio monocristalino en volumen es, aunque perfectamente conocido, costoso. Estas células de lámina delgada, están típicamente compuestas por un sustrato de vidrio, un electrodo transparente, una capa de material fotoactivo y un segundo electrodo. La considerable reducción de las capas de Silicio conlleva significativas ventajas más allá de los beneficios económicos. Entre dichas ventajas, cabe destacar la mejora de la eficiencia en la generación de pares electrón-hueco y la reducción de los efectos de degradación producidos por la radiación solar, propios de células anteriores como las de silicio amorfo. En contraposición, aparecen inconvenientes como consecuencia de la disminución del grosor de la célula, como la reducción de la absorción de la luz y, consecuentemente, la reducción de corriente generada. Es por eso que numerosas investigaciones en los últimos años se han centrado en la búsqueda de mecanismos de mejora de la absorción de este tipo de células, lo que ha impulsado el desarrollo de las células de tercera generación.
Las células de tercera generación pretenden sobrepasar el límite Shockley–Queisser, el cual limita la conversión que puede alcanzarse al transformar energía solar a eléctrica en una célula fotovoltaica de Si al 31% (1 sol, masa del aire 1,5 distribución espectral) ( Shockley, W.; Queisser, H. J. J. Appl. Phys. 1961, 32, 510). Este límite teórico se calcula desde la asunción de ciertos supuestos y, por tanto, la obtención de eficiencias mayores a este límite pasa por quebrantar uno o varios de dichos supuestos.
Uno de los supuestos que se admite en el cálculo del límite Shockley–Queisser es que el exceso de energía de los fotones incidentes, respecto a la energía de banda prohibida, no es útil para el mecanismo de promoción electrónica. Sin embargo, se ha demostrado que un solo fotón puede crear varios pares electrón hueco en nanopartículas semiconductoras. Este hallazgo se traduce en un aumento de la eficiencia, ya que permite modificar el mecanismo de absorción de tal forma que un fotón cree más de un excitón. Este efecto se ha corroborado experimentalmente en Sulfuro de Plomo (PbS) coloidal y en puntos cuánticos de Seleniuro de Plomo (PbSe), obteniéndose eficiencias del 48% (R.J.Ellingson, et al “Highly Efficient Multiple Exciton Generation in Colloidal PbSe and PbS Quantum Dots” Nano
Letters, 5, 5 p. 865-871 (2005)). Desde entonces, varios fueron los investigadores que empezaron a aplicar este efecto a las células solares y esto se ve reflejado en algunas patentes (US20110139233 A1).
Con objeto de conocer la eficiencia máxima teórica de las nanoestructuras de Si, se han realizado cálculos teóricos, obteniendo unos máximos de 48% para luz concentrada y 37% para luz sin concentrar. Las eficiencias obtenidas varían en función del tamaño de los nanohilos (ver Figura 7). Además, en el estado actual de la técnica también se encuentran nanoestructuras alargadas que consiguen mejorar el rendimiento de las células de capa fina convencionales mediante el aumento de la recogida de carga debido a la proximidad, en escala nanométrica, de la película de separación de carga (US7893348 B2). Aunque son varios los inventos que usan nanohilos en las células solares dispuestos substancialmente verticales sobre el sustrato (US7893348 B2 o ES 2 340 645) no se encuentran ejemplos de nanohilos de materiale fotoactivo rigurosamente coaxiales y distribuidos de manera homogénea sobre la superficie del sustrato.
En lo que a la capa delantera se refiere, en contacto físico con el material fotoactivo, el uso de óxidos conductores transparentes TCO, (del inglés, Transparent Conducting Oxides), como el óxido de indio o el óxido de zinc, son comúnmente usados por presentar un buen ratio entre conductividad eléctrica y transparencia óptica en el visible. Dicho equilibrio no es sencillo de conseguir debido a que un aumento en la concentración de portadores para la mejora de la conductividad eléctrica, supone una reducción de la transparencia óptica en el visible. Se ha reportado la posibilidad de mejorar estas propiedades mediante el uso de nanopartículas y nanohilos (estos últimos con su eje dispuesto en la dirección de la intercara TCO-semiconductor) magnéticos, de manera que su densidad sea suficientemente baja para proporcionar una buena transparencia óptica a la vez que se optimiza la conductividad eléctrica (WO2011133435 A3).
Para aumentar la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos también es necesario incrementar la cantidad de luz que llega al interior del semiconductor fotoactivo, así como aumentar el tiempo de vida medio que los fotones permanecen en él. Una estrategia clásica, basada en la óptica geométrica, consiste en añadir una capa de material antirreflectante sobre el material fotoactivo en la superficie de incidencia fotónica y una capa reflectante a la salida del mismo. Otra posibilidad consiste en el uso de superficies texturizadas con nanoestructuras. Si el tamaño característico de las nanoestructuras es comparable a la longitud de onda incidente se mejora el atrapamiento de la luz.
La propagación de los fotones a través del medio se ve afectada por la estructura del mismo, de forma que un mismo material puede interaccionar de forma diferente con la radiación solar según se encuentre en forma de medio homogéneo, periódicamente dispuesto o de forma desorganizada. Esta característica hace que materiales dieléctricos con una estructura periódica cuya distancia característica sea del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiación con la que se desean interactuar permitan fabricar materiales capaces de reflejar, confinar o guiar la luz.
Uno de los problemas de las soluciones basadas en la óptica geométrica (capa antirreflectante delantera y una capa reflectante trasera) es que parte de la radiación puede ser reflejada por la capa reflectante trasera retornando a través del material fotoactivo, pero saliendo sin generar electricidad. Por eso uno de los objetivos clave en los últimos años ha sido intentar aumentar el camino recorrido por la luz dentro del material fotoactivo. Algunos investigadores han intentado solventar esto mediante el uso de cristales fotónicos.
Un cristal fotónico es un material estructurado de forma que sus propiedades dieléctricas varían periódicamente en el espacio. Son nanoestructuras periódicas diseñadas para afectar el movimiento de los fotones de un modo similar al que la periodicidad de un cristal semiconductor afecta al movimiento de los electrones. En la patente US7482532 B2, un cristal fotónico es acoplado sobre la región fotoactiva. Dicho cristal fotónico consta de un reflector de Bragg distribuido (DBR, del inglés Distributed Bragg Reflector) para atrapar mejor la luz. Este es un ejemplo de uso de cristales fotónicos unidimensionles para mejorar el atrapamiento de la luz.
En la patente US20070235072 A1, ya se da a conocer el uso de cristales fotónicos para la mejora de la eficiencia en células solares. En este caso, una estructura de cristal fotónico es posicionada por debajo de la región del material fotovoltaico. Esta estructura puede estar compuesta por huecos de aire o de un material dieléctrico. La estructura de material fotónico proporciona un medio en el cual se producen una pluralidad de orientaciones espaciales de la luz incidente recibida en la célula solar permitiendo atrapar la luz de un rango selectivo de frecuencias.
En el actual estado de la técnica se encuentran ejemplos de nanoestructuras en la superficie de células solares que obtienen mejores resultados de rendimiento que mediante el uso de capas antirreflectantes. Ejemplo de ello es la patente WO2009133225 A1, que modificando
la topografía de una célula solar mediante la fabricación de una red ordenada de cavidades rellenas de aire, se observa que se genera una mayor cantidad de corriente eléctrica, a partir de una determinada luz incidente, que en una célula de iguales características pero sin dicha modificación superficial. Esta rugosidad creada permite tanto reducir la cantidad de luz reflejada por la superficie como incrementar el camino óptico total que recorre la luz dentro del material.
En la patente US20110155215 A1 aplican este tipo de materiales para mejorar la eficiencia en células solares. Un cristal fotónico bidimensional es colocado sobre la superficie del sustrato y de manera adyacente al material fotoactivo. Sin embargo, en la patente US20110247676 A1 dan un paso más allá y describen una estructura de cristal fotónico bidimensional en la cual se disponen de manera periódica hilos de material fotovoltaico (silicio dopado tipo p o n). Como se puede ver con los ejemplos anteriormente citados, otros autores han propuesto distintas geometrías basadas en la combinación de cristales fotónicos 1D (reflectores de Bragg) y 2D. Mediante nanoestructuras periódicas han aprovechado los efectos beneficiosos de los cristales fotónicos para el aumento de eficiencias en las células solares. Lo que no se aborda en todos estos inventos y en algunos artículos sobre la materia, es el hecho de que configurando debidamente estas nanoestructuras no sólo nos podemos beneficiar de las propiedades de los cristales fotónicos sino que también se puede incrementar la eficiencia de la célula consiguiendo que esta misma nanoestructura se comporte como un sistema de confinamiento cuántico.
El presente invento aborda la problemática previamente explicada aplicando ingeniería de banda de energía prohibida mediante el empleo de nanoestructuras y fomentando el trapamiento de luz empleando cristales fotónicos. La innovación introducida en la presente invención radica en la combinación de ambos sistemas en una misma nanoestructura para la mejora de la eficiencia de transformación energética en dispositivos fotovoltaicos de lámina delgada.
La realización preferida del presente invento es una célula solar de capa fina con la cual, mediante la creación de cavidades nanométricas y periódicas, se consigue mejorar la eficiencia de la célula creando una estructura de cristal fotónico y consiguiendo un sistema de confinamiento cuántico. También se describe en la presente invención un procedimiento para fabricar las nanoestructuras de tamaño nanométrico y periódicamente distribuidas en dicha célula.
Breve descripción de los dibujos
Para una mayor comprensión de la invención presentada, se tomarán, junto con las explicaciones aquí recogidas, los dibujos incluidos al final del documento.
Los dibujos, que no están necesariamente a escala, tienen el propósito de representar una realización particular de la invención y debe entenderse que su propósito no es el de limitar la invención a las realizaciones y ejemplos concretos descritos. Otras de las figuras aquí recogidas no son resultado de la presente invención, sino un reflejo del estado del arte que nos ayudará a entender la mejora descrita en este documento.
Fig. 1: Esquema en perspectiva de un corte de uno de los posibles dispositivos fotovoltaicos basados en la presente invención, en el que las nanoestructuras están realizadas en la superficie de material conductor transparente (03) situada en la interfaz con el material semiconductor fotoactivo (02). La incidencia de la luz tiene lugar desde la parte inferior de la figura. Este dispositivo comprende: un sustrato transparente (04), un electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), una o varias capas de material semiconductor fotoactivo (02) y un electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01).
Fig. 2: Esquema explosionado de las distintas capas que forman uno de los posibles dispositivos fotovoltaicos basados en la presente invención, en el cual se puede apreciar la periodicidad de las cavidades realizadas en la interfaz situada entre la superficie de material conductor transparente (03) y el material semiconductor fotoactivo (02).
Fig. 3: Esquema en perspectiva de un corte de uno de los posibles dispositivos fotovoltaicos basados en la presente invención, en el que las nanoestructuras están realizadas en dos superficies: en la superficie de material conductor transparente (03) situada en la interfaz con el material semiconductor fotoactivo (02), y en la superficie de material semiconductor fotoactivo (02) situada en la interfaz con el electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01). La incidencia de la luz tiene lugar desde la parte inferior de la figura. Este dispositivo comprende: un sustrato transparente (04), un electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), una o varias capas de material semiconductor fotoactivo (02) y un electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01).
Fig. 4: Esquema explosionado de las distintas capas que forman uno de los posibles dispositivos fotovoltaicos basados en la presente invención, en el cual se puede apreciar la periodicidad de las cavidades realizadas tanto en la interfaz situada entre la superficie de material conductor transparente (03) y el material semiconductor fotoactivo (02), como en la
5 interfaz situada entre la superficie de material semiconductor fotoactivo (02) y el electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01).
Descripción detallada de la invención
10 La presente invención se encuadra dentro del sector de la nanotecnología. Concretamente, se refiere a la aplicación y definición de nanoestructuras que consigan mejorar el atrapamiento de la luz y la eficiencia cuántica en dispositivos fotovoltaicos de capa fina, y a su procedimiento de fabricación.
15 La presente invención se basa en el conocimiento vigente en el estado de la técnica, de que tanto el uso de cristales fotónicos como el de sistemas de confinamiento cuántico en dispositivos fotovoltaicos pueden mejorar el rendimiento de células solares de lámina delgada. La actividad inventiva de los autores de la presente patente reside en la novedad de aunar ambos sistemas en una misma estructura mediante el uso de nanoestructuras
20 periódicas. Del mismo modo, se describirá el proceso de fabricación de dichos dispositivos.
A continuación se describirán algunos ejemplos de realizaciones de la presente invención. Se entenderá que esta descripción tiene el propósito de detallar una o varias realizaciones en particular de la invención y no el de limitar la invención a estas específicas
25 configuraciones.
En general, el presente invento comprende un dispositivo fotovoltaico que convierte la luz incidente en electricidad. Dicho dispositivo comprende una región fotoactiva, formada por uno o varios materiales semiconductores, en la que la radiación incidente facilita la
30 promoción de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción, los cuales son extraídos en forma de corriente fotoeléctrica.
Por ser la realización preferida de esta invención una célula solar de capa fina, dicho material semiconductor fotoactivo puede estar compuesto por uniones p-n, o p-i-n, en caso
35 de tratarse de Si amorfo, semiconductores CIGS, (Cu(InGa)Se2, Cobre, Indio, Galio y
Selenio), Teluro de Cadmio, u otro semiconductor que por sus características pudiera ser susceptible de ser usado como material fotoactivo en células fotovoltaicas de capa fina.
En las figuras de la presente invención se pretende representar una célula solar de capa fina formada por cuatro capas, siendo estas un sustrato transparente (04), de vidrio, por ejemplo, u otro material no conductor transparente, un electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), pudiendo este ser un óxido conductor transparente o TCO, como por ejemplo óxido de indio u óxido de zinc, una o varias capas de material semiconductor fotoactivo (02), pudiendo tratarse, por ejemplo, de capas de silicio amorfo p-n
o p-i-n, de teluro de cadmio o de CIGS, y un electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01).
En una realización preferida, se tiene un dispositivo fotovoltaico de capa fina que comprende un sustrato transparente (04), sobre el que se deposita una capa de material conductor transparente (03) (también del orden de micras, como se ha descrito previamente), a continuación una o varias capas de material semiconductor fotoactivo (02), pudiendo tratarse igualmente, de capas de silicio amorfo p-n o p-i-n, de teluro de cadmio o de CIGS, por ejemplo, y por último un electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01). En esta realización, previamente a la deposición de las capas de material semiconductor fotoactivo (02), se realizan nanoestructuras en forma de cavidades de tamaño nanométrico periódicamente distribuidas, sobre el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), y posteriormente se depositan las capas de material semiconductor fotoactivo (02) rellenando sus cavidades.
En otra realización preferida, además de realizar las nanoestructuras sobre el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03) y rellenarlas con la capa de material semiconductor fotoactivo (02), se realizan otras nanoestructuras sobre la capa de material semiconductor fotoactivo (02) situada en la interfaz entre éste último y la capa contigua de material conductor (01), en forma de cavidades de tamaño nanométrico periódicamente distribuidas. Tras realizar las nanoestructuras sobre la capa de material semiconductor fotoactivo (02), se depositan una o varias capas de material conductor (01) rellenando las cavidades realizadas. El actual estado de la técnica hace que la capa de material conductor transparente (03) tenga que ser del orden de micras, mientras que el resto de capas (exceptuando el sustrato transparente (04)), tienen un espesor nanométrico.
Como ya se ha citado anteriormente, el electrodo anterior de la célula solar descrita estará compuesto por material conductor transparente (03), (cátodo o ánodo en función de la configuración de las capas de material fotoactivo). En el lado opuesto de la célula se encuentra el electrodo posterior, compuesto por una o varias capas de material conductor (01). Está parte del dispositivo fotovoltaico estará formada por una o varias capas de material conductor (bien sea un metal o un óxido conductor).
Las configuraciones descritas en párrafos anteriores, dan lugar a un dispositivo fotovoltaico de capa fina con estructura de cristal fotónico, que a su vez se comporta como un sistema de confinamiento cuántico. La combinación de este tipo de estructura y el comportamiento como un sistema de confinamiento cuántico, se traduce en una mejora considerable del conjunto, pues supone un mejor atrapamiento de la luz al quedar esta confinada y producirse resonancias en el interior del cristal, y además se mejora la eficiencia cuántica del dispositivo.
Uno de los desafíos a la hora de poder fabricar estos dispositivos es conseguir que las nanoestructuras se distribuyan de manera periódica para conseguir así una estructura de cristal fotónico. La manera de conseguir esta disposición tan específica, no se consigue haciendo crecer las nanoestructuras, sino realizando las cavidades y rellenando éstas posteriormente, consiguiendo de esta manera que un conjunto de nanopilares, por ejemplo de material semiconductor fotoactivo (02), queden embebidos en la capa correspondiente al electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), como puede verse en las figuras 1, 2, 3 y 4, o que un conjunto de nanopilares pertenecientes al electrodo posterior compuesto por material conductor (01), queden embebidos en el material semiconductor fotoactivo (02), como puede verse en las figuras 3 y 4. Dichas cavidades de tamaño nanométrico y periódicamente distribuidas se realizan mediante tecnologías de litografía por interferometría láser o ablación por interferometría láser.
Por tanto, el proceso de fabricación de algunas realizaciones de la presente invención comienza por realizar las cavidades nanométricas y periódicamente distribuidas sobre el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), o sobre el material semiconductor fotoactivo (02).
Como se ha citado, las tecnologías empleadas para realizar las nanoestructuras serán técnicas de procesado láser, bien litografía por interferometría láser, bien ablación por interferometría láser.
En el caso de emplear el proceso de litografía por interferometría láser, primeramente se suministra la superficie sobre la cual quieren realizarse las nanoestructuras, en este caso el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), o el material semiconductor fotoactivo (02), según la superficie que queramos nanoestructurar. A continuación, se procede a la deposición de una capa de fotorresina, pudiendo emplearse tanto fotorresinas orgánicas como inorgánicas. El proceso de desposición de ésta, puede realizarse mediante distintas técnicas, como por ejemplo una técnica de centrifugado (del inglés, spin coating), o similar. Tras la deposición se procede al horneado del conjunto para eliminar el exceso de solvente. Esta etapa juega un importante papel en el proceso, ya que tras este paso la fotorresina se vuelve fotosensible, siendo capaz de formar imágenes. Una sobre cocción reducirá la solubilidad de la fotorresina destruyendo las regiones sensibles, y una cocción excesivamente suave evitará que la luz llegue a las regiones sensibles, pues quedará solvente en exceso, causando una baja resistencia al grabado.
A continuación, se procede a la fase de exposición de la fotorresina mediante una fuente láser, pudiendo rotar el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente
(03) o el material semiconductor fotoactivo (02) para lograr exponer la mayor área posible. Como resultado, se forma un patrón latente sobre la superficie que sigue la trayectoria del haz de láser.
La técnica de litografía por interferometría láser aprovecha la gran coherencia de la fuente empleada para generar los patrones de interferencia. Estas figuras se obtienen por la superposición de dos o más haces láser, utilizando un interferómetro. En su forma más simple, dos haces coherentes entre sí de longitud de onda A, incidentes en la superficie con un ángulo de incidencia e, (ángulo mitad entre ambos haces), producen una distribución de intensidad sinusoidal creando una figura de intensidad modulada con un periodo A, que viene definido por la siguiente expresión:
A
A=
-
s i-8
Este patrón de interferencia, define una modulación periódica en la topografía del sustrato empleado, en este caso, la superficie del electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), o el material semiconductor fotoactivo (02).
A continuación, se procede al revelado del dispositivo. Este procedimiento consiste en la aplicación de solventes sobre la fotorresina previamente irradiada. Dependiendo del sistema, es posible eliminar selectivamente las regiones expuestas o las no expuestas. En el caso de tratarse de una fotorresina positiva, las zonas irradiadas tenderán a aumentar su solubilidad al aplicarles la solución reveladora, mientras que si se trata de fotorresinas negativas, las zonas expuestas disminuirán su solubilidad al revelarlas. El revelado puede llevarse a cabo bien por inmersión, bien mediante una técnica de spray o por otras técnicas similares. Independientemente del método utilizado, siempre debe ir acompañada de un enjuague a fondo y secado para asegurar que no continúa la acción de revelado una vez que se retira el revelador de la superficie.
Finalmente se aplica un tratamiento químico mediante el cual un reactivo elimina la fotorresina restante, quedando definitivamente grabado un patrón en el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), o en el material semiconductor fotoactivo (02), según la superficie que se esté nanoestructurando.
En el caso de emplear el método de ablación por interferometría láser para realizar las nanoestructuras, las condiciones deberán adaptarse al material sobre el que estas se realicen, bien el material del que esté compuesto el electrodo anterior (material conductor transparente) (03), o bien el material semiconductor fotoactivo (02). En principio bastaría con emplear láseres con una longitud de onda aproximadamente comprendida entre los 180 y los 350nm (10-9m), y con una pulsación preferiblemente de femtosegundos.
En esta realización, primeramente se suministra la superficie sobre la cual quieren realizarse las nanoestructuras, en este caso el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), o el material semiconductor fotoactivo (02), según la superficie que queramos nanoestructurar. A continuación, se irradia mediante un láser monocromático y coherente que genera en la superficie una alta densidad de corriente, transmitiéndose la energía de los fotones a energía electrónica, mecánica o térmica, lo que provoca una eliminación de material superficial. Por tanto, el proceso es iniciado por la interacción entre la radiación del haz láser y la superficie del electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), o el material semiconductor fotoactivo (02), produciéndose la absorción de energía, la localización de calor en un punto de la superficie y la consecuente evaporación de material.
La relación lineal entre el cuadrado del diámetro del cráter y el logaritmo de la fluencia del láser es de la forma:
D� =��o� I-�Fo�Fth
5 Donde D es el diámetro del área en que se ha realizado la ablación, w0 es el radio del punto focal, Fo es el pico de fluencia de ablación y Fth
l =1 es el umbral de ablación para un único pulso.
En función de los parámetros de ablación se conseguirá una velocidad de grabado
10 (profundidad de grabado por pulso) d(F). Los parámetros de ablación son: el coeficiente de absorción efectivo, aeff, el umbral de fluencia Fth, y la fluencia de ablación F, de manera que la velocidad a la que se realizará el grabado, (10-9m/pulso), viene definida por:
d(F) = I-(F)
_
eff Fth
15 En función del material del que esté compuesto el electrodo anterior (material conductor transparente) (03), o el material semiconductor fotoactivo (02), habrá que superar distintos umbrales de fluencia, desde los 0.04 hasta los 1.7 J/cm2 aproximadamente. Las pulsaciones vendrán determinadas por el tipo de láser empleado. Preferiblemente se utilizará un femtoláser para realizar el proceso de ablación, de manera que se disminuya la zona
20 afectada por el calor (del inglés, heat afected zone), pero podrán emplearse otros tipos, como picoláseres o nanoláseres.
Por último, decir que en caso de realizar una configuración como la que se muestra en las figuras 1 y 2, primeramente se dispondrá el sustrato transparente (04), a continuación se 25 colocará sobre el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), sobre el cual se realizarán las nanoestructuras mediante una de las dos metodologías explicadas en los párrafos anteriores, a saber, litografía por interferometría láser, o ablación por interferometría láser. Por último se depositarán la capa de material semiconductor fotoactivo (02) rellenando las cavidades realizadas en la superficie del electrodo anterior
30 compuesto por material conductor transparente (03), y posteriormente el electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01).
En caso de realizar una configuración como la que se muestra en las figuras 3 y 4, primeramente se dispondrá el sustrato transparente (04), a continuación se depositará el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), sobre el cual se realizarán las nanoestructuras mediante una de las dos metodologías explicadas en los 5 párrafos anteriores, a saber, litografía por interferometría láser, o ablación por interferometría láser. Posteriormente, se depositarán las capas de material semiconductor fotoactivo (02) rellenando las cavidades realizadas en el electrodo anterior, y sobre la superficie de material semiconductor fotoactivo (02) situada en la interfaz con la capa contigua de material conductor (01), se realizarán de nuevo nanoestructuras mediante una
10 de las dos metodologías explicadas en los párrafos anteriores, a saber, litografía por interferometría láser, o ablación por interferometría láser. Por último, se depositará el electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01), rellenando las cavidades realizadas en el material semiconductor fotoactivo (02).
15 La colocación de las distintas capas o estratos puede realizarse mediante diferentes técnicas, como por ejemplo una deposición de vapor química, CVD (del inglés, Chemical Vapor Deposition), o una deposición de vapor física, PVD, (del inglés, Physical Vapor Deposition).
20 Una vez finalizado el procedimiento, se obtendrá una célula solar de capa fina, con nanoestructuras periódicas en forma de cavidades, creando una estructura de cristal fotónico y consiguiendo un sistema de confinamiento cuántico, y por tanto una mejora en el atrapamiento de luz y en la eficiencia cuántica.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo fotovoltaico de capa fina con estructura de cristal fotónico y comportamiento como sistema de confinamiento cuántico que comprende:
    5 -un sustrato transparente (04) -un electrodo anterior compuesto por un material conductor transparente (03) depositado sobre el sustrato transparente (04), cuya superficie situada en la interfaz con la capa contigua de material semiconductor fotoactivo (02), está nanoestructurada con cavidades tamaño nanométrico distribuidas periódicamente
    10 -una o varias capas de material semiconductor fotoactivo (02) depositadas sobre el electrodo anterior rellenando sus cavidades -un electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01) depositadas sobre el material semiconductor fotoactivo (02).
    15 2. Dispositivo fotovoltaico de capa fina de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la superficie material semiconductor fotoactivo (02) situada en la interfaz con la capa contigua material conductor (01), también está nanoestructurada con cavidades tamaño nanométrico distribuidas periódicamente, y las cavidades están rellenas por la capa contigua de material conductor (01).
  2. 3. Dispositivo fotovoltaico de capa fina de acuerdo a las reivindicaciones 1 y 2, en el que las capas que conforman la región de material semiconductor fotoactivo (02) comprende una o más uniones p-n o p-i-n.
    25 4. Dispositivo fotovoltaico de capa fina de acuerdo a las reivindicaciones 1 y 2, en el que las capas que conforman la región de material semiconductor fotoactivo (02) comprende una o varias capas de semiconductores CIGS.
  3. 5. Dispositivo fotovoltaico de capa fina de acuerdo a las reivindicaciones 1 y 2, en el
    30 que las capas que conforman la región de material semiconductor fotoactivo (02) son de Teluro de Cadmio.
  4. 6. Procedimiento de fabricación del dispositivo fotovoltaico de capa fina de las
    reivindicaciones anteriores que comprende: 35 -una etapa en la que se proporciona un sustrato transparente (04)
    -
    una etapa en la que se deposita un electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), sobre el sustrato transparente (04) -una etapa de formación de una red periódica de cavidades de tamaño nanométrico sobre la superficie del electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03), mediante un proceso de litografía por interferometría láser o ablación por interferometría láser. -una etapa en la que se depositan una o varias capas de material semiconductor fotoactivo (02) sobre el electrodo anterior rellenando las cavidades creadas en la etapa anterior -una etapa de deposición del electrodo posterior compuesto por una o varias capas de material conductor (01), sobre el material semiconductor fotoactivo (02).
  5. 7.
    Procedimiento de fabricación del dispositivo fotovoltaico de capa fina de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que posteriormente a la etapa de deposición de una o varias capas de material semiconductor fotoactivo (02) sobre el electrodo anterior rellenando sus cavidades, se realiza una red periódica de cavidades de tamaño nanométrico sobre la superficie del material semiconductor fotoactivo (02) situada en la interfaz con el material conductor (01), y posteriormente se depositan una o varias capas de material conductor (01), sobre el material semiconductor fotoactivo (02) rellenando sus cavidades.
  6. 8.
    Procedimiento de fabricación del dispositivo fotovoltaico de capa fina de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que la formación de nanoestructuras se realiza mediante un proceso de litografía por interferometría láser que consta de las siguiente etapas: -una etapa en la que se proporciona la superficie sobre la que se quieren realizar las nanoestructuras, siendo esta el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03) o el material semiconductor fotoactivo (02) -una etapa de deposición de una fotorresina sobre la superficie sobre la que se quieren realizar las nanoestructuras -una etapa de exposición del conjunto formado por la superficie sobre la que se quieren realizar las nanoestructuras y la fotorresina, mediante una fuente láser generada por un interferómetro de dos o más haces -una etapa de revelado del conjunto formado por la fotorresina y la superficie sobre la que se quieren realizar las nanoestructuras -una etapa de tratamiento químico para la creación de las nanoestructuras en la superficie en que se desean realizar.
  7. 9.
    Procedimiento de fabricación del dispositivo fotovoltaico de capa fina de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que la formación de nanoestructuras se realiza mediante un proceso de ablación por interferometría láser que consta de las siguiente
    5 etapas: -una etapa en la que se proporciona la superficie sobre la que se quieren realizar las nanoestructuras, siendo esta el electrodo anterior compuesto por material conductor transparente (03) o el material semiconductor fotoactivo (02) -una etapa de ablación de la superficie sobre la que se quieren realizar las
    10 nanoestructuras, mediante una fuente láser generada por un interferómetro de dos o más haces, para la creación de las nanoestructuras.
    Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201331617
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 06.11.2013
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    Y
    EP 2523221 A1 (SHARP KK; UNIV KYOTO) 14.11.2012, 1-9
    párrafos [0032]-[0045]; figuras 1-2.
    Y
    US 2008277681 A1 (UNIV TSINGHUA; HON HAI PREC IND CO LTD) 13.11.2008, 1-3,6,7
    párrafos [0017]-[002]; figuras.
    A
    4,5
    Y
    US 2009128022 A1 (KOREA MACH & MATERIALS INST et al.) 21.05.2009, 1-3
    párrafos [006],[0047]-[0050]; figuras.
    Y
    US 2011203663 A1 (PRATHER DENNIS et al.) 25.08.2011, 4-5
    párrafos [0055]-[0057],[0071].
    A
    1-3
    Y
    US 2010038659 A1 (CHEN DING-YUAN et al.) 18.02.2010, 6-9
    párrafos [0017]-[0046]; figuras.
    A
    1-5
    Y
    US 2013288425 A1 (SOLEXEL INC) 31.10.2013, 6-9
    párrafo [0055].
    Y
    US 2010282304 A1 (IND TECH RES INST) 11.11.2010, 6-8
    párrafo [0033].
    A
    US 2003057417 A1 (KOREA ADVANCED INST SCI & TECH) 27.03.2003, 1-6
    párrafos [0028]-[0032].
    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 30.05.2014
    Examinador L. J. García Aparicio Página 1/5
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201331617
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD
    H01L31/0248 (2006.01) H01L31/04 (2014.01) H01L31/052 (2014.01) H01L51/52 (2006.01)
    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
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/5
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201331617
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 30.05.2014
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-9 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-9 SI 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: 201331617
    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
    EP 2523221 A1 (SHARP KK; UNIV KYOTO) 14.11.2012
    D02
    US 2008277681 A1 (UNIV TSINGHUA; HON HAI PREC IND CO LTD) 13.11.2008
    D03
    US 2009128022 A1 (KOREA MACH & MATERIALS INST et al.) 21.05.2009
    D04
    US 2011203663 A1 (PRATHER DENNIS et al.) 25.08.2011
    D05
    US 2010038659 A1 (CHEN DING-YUAN et al.) 18.02.2010
    D06
    US 2013288425 A1 (SOLEXEL INC; SOLEXEL INC) 31.10.2013
    D07
    US 2010282304 A1 (IND TECH RES INST) 11.11.2010
    D08
    US 2003057417 A1 (KOREA ADVANCED INST SCI & TECH) 27.03.2003
  8. 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
    El documento D1 que se considera representa el estado de la técnica más cercano divulga un dispositivo fotovoltaico (elemento de conversión fotoeléctrica) con estructura de cristal fotónico (capa de conversión fotónica, véase p[0034]) que comprende:
    -
    Un sustrato transparente (sustrato de cristal, ref 5, figuras 1a, 1b, 1c) -Un electrodo anterior compuesto por un material conductor transparente (capa conductora 3, fig 1) depositado sobre el sustrato transparente (5) (figura 1),
    -
    Una o varias capas de material semiconductor fotoactivo (2, figura 1) depositadas sobre el electrodo anterior (capa conductora 3, figura 1) cuya estructura está nanoestructurada con cavidades (nanovarillas 30, figura 1b) de tamaño nanométrico distribuidas periódicamente (figura 2).
    -
    Un electrodo posterior (capa conductora 4) compuesto por una o varias capas depositadas sobre el material semiconductor fotoactivo (2).
    Se diferencia el objeto reivindicado de lo divulgado en que el electrodo anterior en la solicitud está nanoestructurado, y cuyas cavidades están rellenas de material semiconductor fotoactivo, en D1, no sucede que haya sobre el electrodo anterior cavidad alguna y que esté rellena de material semiconductor fotoactivo.
    Las nanoestructuras consiguen mejorar el atrapamiento de la luz y la eficiencia cuántica en dispositivos fotovoltaicos de capa fina.
    El problema técnico objetivo de la solicitud sería cómo diseñar un dispositivo fotovoltaico en el que se mejore el atrapamiento de la luz y la eficiencia cuántica.
    Sin embargo en el documento D02 se divulga un diodo que cuenta con unas nanoestructuras como la mostrada en las figuras 1 y 2 del documento D02, iguales a las reivindicadas y que busca mejorar la eficiencia cuántica del dispositivo.
    Por lo tanto un técnico en la materia podría adoptar la configuración de nanoestructuras del documento D02 y aplicarlo al documento D01.
    Similares consideraciones se pueden hacer con los documentos D03 y D04 que muestra una configuración de nanoestructuras realizadas sobre el material fotoactivo complementarias del material adyacente.
    Por lo tanto, la materia de eta reivindicación 1 carecería de actividad inventiva según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86
    Reivindicación 2
    El hecho de que la superficie del material semiconductor fotoactivo en contacto con el electrodo posterior también esté nanoestructurada es una opción de diseño adicional que un técnico en la materia se plantearía sin intervención de actividad inventiva alguna. Por lo tanto, no supone actividad inventiva según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86
    Reivindicación 3
    El hecho de que la región del material semiconductor fotoactivo comprende una o más uniones p-n ó p-i-n, es algo que puede observarse en la figura 1, párrafo [0043], del documento D01. Por lo tanto, no supone actividad inventiva según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/5
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201331617
    Reivindicación 4
    El hecho de que el material semiconductor fotoactivo comprende una varias capas de semiconductores CIGS, es algo que se encuentra divulgado en D04 (párrafo [0071])
    Reivindicación 5
    El hecho de que las capas de material semiconductor fotoactivo sean de Teluro de Cadmio es algo que se encuentra divulgado en D04 (párrafo [0071]) Por lo tanto, no supone actividad inventiva según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.
    Reivindicaciones 6-9
    El procedimiento de fabricación se encuentra divulgado en el documento D05. También, se puede deducir de la combinación de los documentos D01 y D02, que de forma combinada permitirían a un técnico en la materia llegar a una geometría como la reivindicada sin intervención de actividad inventiva alguna. Diferenciándose la materia reivindicada en el empleo de técnicas de litografía por interferometría por láser o ablación por interferometría láser, sin embargo en los documentos D06 y D07, siendo técnicas conocidas y empleadas en el mismo sector. Por lo tanto la materia de estas reivindicaciones carecería de actividad inventiva según lo establecido en los Art. 8.1 de la LP 11/86.
    Informe del Estado de la Técnica Página 5/5
ES201331617A 2013-11-06 2013-11-06 Dispositivo fotovoltaico de capa fina con estructura de cristal fotónico y comportamiento como sistema de confinamiento cuántico, y su procedimiento de fabricación Withdrawn - After Issue ES2466515B1 (es)

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