ES2635289T3 - Método y aparato para la fabricación de sustratos de compuesto para dispositivos electro-ópticos de película delgada - Google Patents

Método y aparato para la fabricación de sustratos de compuesto para dispositivos electro-ópticos de película delgada Download PDF

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Abstract

Un método de producción de un dispositivo electro-óptico que tiene al menos una capa conductora ópticamente transparente que comprende las etapas de: proporcionar un sustrato de compuesto que incluye un sustrato base (710) ópticamente transparente y eléctricamente aislante y una rejilla eléctricamente conductora dispuesta en una pluralidad de ranuras (715) localizada en el sustrato base (710); proporcionar un módulo electro-óptico (720) que tiene al menos una capa conductora transparente (722, 725); y fijar dicho sustrato compuesto sobre dicho módulo electro-óptico (720) de modo que se establezca un contacto eléctrico entre dicha rejilla y dicha capa conductora transparente (722, 725) del módulo electro-óptico, caracterizado por que dichas ranuras (715) tienen una forma de sección transversal que comprende una pluralidad de lados, dos de los cuales forman un vértice definido por un ángulo menor que acos(l/n), en la que n es el índice de refracción del sustrato base (710), en el que dicho sustrato de compuesto incluye un material ópticamente reflector que llena dichas ranuras (715) y en el que dichas ranuras (715) tienen una sección transversal triangular.

Description

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DESCRIPCION
Metodo y aparato para la fabricacion de sustratos de compuesto para dispositivos electro-opticos de pelfcula delgada
Declaracion de solicitudes relacionadas
La presente solicitud se relaciona con la Solicitud de Patente de Estados Unidos N.° de Serie 12/038.871 (Expediente del Representante N.° 2800/4), presentado en la misma fecha con el presente documento, titulado “Composite Substrates For Thin Film Electro-Optical Devices”.
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere en general a dispositivos electro-opticos de pelfcula delgada y a metodos de produccion de dichos dispositivos. Mas particularmente, la presente invencion se refiere a dispositivos fotovoltaicos que tienen capas conductoras transparentes.
Antecedentes de la invencion
Se producen actualmente una variedad de dispositivos electro-opticos, que incluyen visualizadores de pantalla plana y dispositivos fotovoltaicos, en la forma de pelfcula delgada de area grande. Dichos dispositivos requieren tfpicamente capas delgadas de material conductor transparente. Pueden conseguirse mejoras significativas en el rendimiento de estos dispositivos mediante la mejora de las caractensticas opticas y electricas de dichas capas conductoras transparentes. Adicionalmente, estos dispositivos se depositan normalmente en sustratos de area grande. Existe una necesidad continuada en la mejora del rendimiento de los dispositivos electro-opticos proporcionando sustratos que tengan caractensticas electricas y opticas que sean superiores a las capas conductoras transparentes actualmente disponibles.
La Patente de Estados Unidos N.° 5.554.229 se refiere a un elemento de direccion de la luz para dispositivos fotovoltaicos y metodos para su fabricacion. El elemento de direccion de la luz esta en la forma de una cubierta de encapsulado que encaja sobre la parte superior de una celula fotovoltaica subyacente. Se proporciona la superficie inferior de la cubierta encapsulado con ranuras con forma de V que estan en alineacion con las lmeas de la rejilla subyacente de la celula fotovoltaica. Las paredes laterales de las ranuras se recubren preferentemente con un recubrimiento reflector. La luz incidente, que cae sobre las paredes laterales reflectoras puede reflejarse sobre partes adyacentes de la celula fotovoltaica, minimizando de ese modo los efectos de sombra provocados por las imeas de rejilla.
Se ha conocido por la Patente de Estados Unidos N.° 5.076.857 una celula fotovoltaica con un sustrato base opticamente transparente y electricamente aislante que tiene una pluralidad de ranuras en V.
La Patente de Estados Unidos N.° 4.379.202 divulga una celula solar que tiene una cubierta transparente con ranuras en V formadas mediante superficies inclinadas, planas.
El Modelo de Utilidad Aleman DE 94 21 390 U1 divulga una celula solar con una cubierta que consiste en un polfmero transparente que comprende una estructura similar a tejado y una capa de vidrio.
Sumario de la invencion
De acuerdo con la presente invencion, se proporciona un metodo para producir un dispositivo electro-optico que tiene al menos una capa conductora opticamente transparente con baja resistencia electrica. El metodo incluye proporcionar un sustrato de compuesto que incluye un sustrato base opticamente transparente y electricamente aislante y una rejilla electricamente conductora dispuesta en ranuras localizadas en el sustrato base. Tambien se proporciona un modulo electro-optico que tiene al menos una capa conductora transparente. El sustrato de compuesto se fija sobre el modulo electro-optico de modo que se establece un contacto electrico entre la rejilla y la capa conductora transparente del modulo electro-optico.
Las ranuras tienen una forma en seccion transversal que comprende una pluralidad de lados, dos de los cuales forman un vertice definido por un angulo menor que acos(l/n), en el que n es el mdice de refraccion del sustrato base, en el que dicho sustrato de compuesto incluye un material opticamente reflector que rellena dichas ranuras y en el que dichas ranuras tienen una seccion transversal triangular. En lo que sigue las partes de la descripcion y dibujos que se refieren a realizaciones que no estan cubiertas por las reivindicaciones, no se presentan como realizaciones de la invencion sino como tecnica antecedente o ejemplos utiles para la comprension de la invencion.
De acuerdo con la invencion, la rejilla es opticamente no bloqueante.
De acuerdo con un aspecto de la invencion, el modulo electro-optico comprende el menos un modulo fotovoltaico
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que tiene una primera y segunda capas conductoras y al menos una primera y segunda capas de semiconductor dispuestas entre las capas conductoras. La primera y segunda capas de semiconductor definen una union en una interfaz entre ellas. Al menos una de las capas conductoras es transparente.
De acuerdo con un aspecto de la invencion, el modulo electro-optico comprende una pluralidad de modulos electro- opticos, teniendo cada uno una primera y segunda capas conductoras y al menos una primera y segunda capas de semiconductor dispuestas entre las capas conductoras, y una pluralidad de sustratos de compuesto interpuestos sobre la parte superior y entre los modulos.
De acuerdo con un aspecto de la invencion, se proporciona un metodo para reducir las perdidas opticas en dispositivos electro-opticos que tienen al menos un patron de rejilla metalica. El metodo incluye proporcionar al menos un sustrato de compuesto que incluye un sustrato base transparente y electricamente aislante y un patron de ranuras dispuestos en el sustrato base. El patron de ranuras coincide con el patron de la rejilla metalica. El sustrato de compuesto incluye adicionalmente un material opticamente reflector que rellena las ranuras. El sustrato de compuesto se fija al dispositivo electro-optico. El patron de ranuras esta alineado sobre la parte superior del patron de rejilla metalica.
De acuerdo con un aspecto de la invencion, las ranuras rellenas producen una rejilla opticamente no bloqueante.
De acuerdo con un aspecto de la invencion, el material opticamente reflector es un material conductor.
En un ejemplo relacionado con la invencion, se proporciona un aparato para la fijacion de un sustrato de compuesto con una rejilla conductora embebida sobre un dispositivo electro-optico. El aparato incluye un sistema de recogida y colocacion para el manejo del dispositivo electro-optico y un aparato para depositar soldadura con un patron que coincide con un patron definido por la rejilla conductora embebida. Se proporciona al menos un elemento de presion para ejercer una fuerza de compresion para la fijacion del sustrato sobre el dispositivo. El aparato incluye tambien un elemento de calentamiento para la soldadura a reflujo y un sistema de alineacion para el posicionamiento del sustrato y los modulos y la alineacion del patron definido por la soldadura con el patron definido por la rejilla conductora embebida.
En el ejemplo puede proporcionarse una bomba de vacfo para eliminar el aire cuando se aplica presion para fijar el sustrato sobre el dispositivo.
En otro ejemplo relacionado con la invencion, se proporciona un aparato para la fijacion de un sustrato de compuesto con una rejilla conductora embebida sobre un dispositivo electro-optico. El aparato incluye un sistema de recogida y colocacion para el manejo del dispositivo y un aparato para depositar epoxi conductor con un patron que coincide con un patron definido por la rejilla conductora embebida. Se proporciona al menos un elemento de presion para ejercer una fuerza de compresion para la fijacion del sustrato sobre el dispositivo. Se proporciona un elemento de calentamiento para el curado del epoxi. Se proporciona un sistema de alineacion para el posicionamiento del sustrato y el modulo y la alineacion del patron definido por el epoxi con el patron definido por la rejilla conductora embebida.
En este ejemplo, puede proporcionarse un proceso para la fijacion de un sustrato de compuesto con una rejilla conductora embebida sobre un dispositivo electro-optico. El metodo comienza con la alimentacion de una pluralidad de modulos electro-opticos a traves de una primera disposicion de rodillo-con-rodillo. Cada uno de los modulos es un dispositivo electro-optico de pelfcula delgada, completamente funcional. Cada uno de los modulos incluye primera y segunda capas conductoras y al menos una primera y segunda capas de semiconductor entre las capas conductoras. La primera y segunda capas de semiconductor definen una union en una interfaz entre ellas. Se alimenta una pluralidad de sustratos de compuesto a traves de una segunda disposicion rodillo-con-rodillo. Cada uno de los sustratos es un sustrato opticamente transparente con una rejilla conductora embebida en el. Uno de los modulos se posiciona y alinea sobre uno de los sustratos de compuesto. Se supervisa y mantiene la velocidad y temperatura de los modulos mientras son alimentados a traves del primer sistema de rodillo-con-rodillo. Se ejerce una fuerza de compresion para la fijacion del modulo al sustrato del compuesto.
Breve descripcion de los dibujos
La FIG. 1 es una vista en perspectiva de un sustrato transparente, electricamente aislante que tiene un patron de ranuras rellenas con una rejilla electricamente conductora.
Las FIGS. 2a y 2b son vistas en seccion transversal y superior, respectivamente, del sustrato transparente representado en la FIG. 1.
Las FIGS. 3a y 3b son vistas en seccion transversal y superior, respectivamente, de una realizacion alternativa del sustrato transparente en el que las ranuras en las que se embebe la rejilla tienen una forma de seccion transversal triangular.
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Las FIGS. 4a- 4e muestran varios ejemplos de formas de seccion transversal alternativa para las ranuras formadas en el sustrato transparente.
Las FIGS. 5A-5D muestran una vista superior o en planta de varios ejemplos de patrones alternativos en los que puede disponerse la rejilla conductora embebida, incluyendo patrones de lmea recta (FIG. 5A), triangular (FIG. 5B), hexagonal (FIG. 5C), y sinusoidal (FIG. 5D).
Las FIGS. 6a-6e muestran ejemplos de formas de seccion transversal alternativa para las ranuras formadas en el sustrato transparente en el que todas emplean angulos reentrantes.
La FIG. 7 es una vista en seccion transversal de un dispositivo fotovoltaico de union p-n simple que se fija a un sustrato transparente que tiene una rejilla conductora embebida.
La FIG. 8 muestra una vista en seccion transversal ampliada del dispositivo fotovoltaico de union p-n simple y del sustrato representado en la FIG. 7.
La FIG. 9 es una vista en seccion transversal de un dispositivo fotovoltaico de union multiple en el que los modulos fotovoltaicos individuales, en los que cada uno incluye una union simple, se fijan a un sustrato transparente diferente teniendo cada uno una rejilla conductora embebida localizada sobre un unico lado del sustrato.
La FIG. 10 es una vista en seccion transversal de un dispositivo fotovoltaico de union multiple en el que los modulos fotovoltaicos individuales, en los que cada uno incluye una union simple, se fijan a un sustrato transparente diferente teniendo cada uno una rejilla conductora embebida sobre ambos lados del sustrato.
Las FIGS. 11a y 11b muestran una vista en seccion transversal y superior, respectivamente, de un ejemplo de sustrato transparente que tiene una rejilla conductora embebida con seccion transversal triangular sobre su lado superior y una rejilla conductora embebida que tiene una seccion transversal rectangular sobre su lado inferior.
La FIG. 12 muestra una vista en seccion transversal de un sustrato transparente que tiene una rejilla metalica embebida con elementos conductores que tienen una forma de seccion transversal triangular y una capa conductora transparente que cubre su superficie superior.
La FIG. 13 representa un proceso en el que un sustrato transparente que tiene una rejilla conductora embebida con elementos conductores que tienen una forma de seccion transversal triangular se fija a la capa conductora superior de un dispositivo fotovoltaico de union simple.
Las FIGS. 14a-14c muestran en seccion transversal ejemplos alternativos de la rejilla conductora en la que una parte de cada elemento conductor individual sobresale por encima de la superficie del sustrato.
Las FIGS. 15a-15c muestran en seccion transversal ejemplos alternativos de la rejilla conductora en la que una parte de cada elemento conductor individual sobresale por encima de la superficie del sustrato y en la que se aplica una capa delgada de un adhesivo transparente entre los elementos conductores individuales.
Las FIGS. 16a-16d muestran en seccion transversal ejemplos de un sustrato transparente perforado con una rejilla conductora embebida que se forma a partir de elementos conductores de hilo circular, (FIG. 16a), elementos conductores de hilo circular y una capa adhesiva (FIG. 16b), elementos conductores de hilo cuadrado con una capa adhesiva (FIG. 16c) y elementos conductores con hilos de tipo flecha con una capa adhesiva (FIG. 16d).
La FIG. 17 muestra un ejemplo de un aparato para la fijacion del sustrato transparente que tiene una rejilla conductora embebida con elementos conductores que tienen una forma de seccion transversal triangular a la superficie conductora superior de un dispositivo fotovoltaico de union simple.
La FIG. 18 es un ejemplo de un aparato para la fijacion de un sustrato transparente que tiene una rejilla conductora embebida con elementos conductores que tienen una seccion transversal de tipo flecha y una capa adhesiva a la superficie conductora superior de un dispositivo fotovoltaico de union simple.
La FIG. 19 muestra en seccion transversal un sustrato transparente que tiene una capa adhesiva y ranuras que tienen forma de seccion transversal de flecha, con ranuras que se rellenan con tinta conductora.
La FIG. 20a es una vista en perspectiva y la FIG. 20b es una vista superior de un sustrato transparente que tiene ranuras rellenas con un primer conjunto de hilos cilmdricos que se extienden en una direccion y un segundo conjunto de hilos cilmdricos que se extienden en otra direccion que se situa por encima del primer conjunto de hilos.
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La FIG. 21 es un trazado de las perdidas electricas y opticas que surgen en varios tipos de pelfculas de TCO debido a la resistencia de la lamina y la absorbancia optica.
Las FIGS. 22a y 22b son vistas en seccion transversal de dos realizaciones del sustrato transparente en las que las rejillas conductoras estan totalmente embebidas.
La FIG. 23 es un diagrama esquematico de un aparato para la fijacion del sustrato de compuesto sobre un dispositivo electro-optico.
Descripcion detallada de la invencion
Vision general
En la siguiente descripcion detallada, se exponen numerosos detalles espedficos para proporcionar una comprension global de realizaciones de ejemplo u otros ejemplos descritos en el presente documento. Sin embargo, se entendera que estas realizaciones y ejemplos pueden ponerse en practica sin los detalles espedficos. En otros casos, no se describen en detalle metodos, procedimientos, componentes y circuitos bien conocidos, de modo que no oscurezcan la descripcion que sigue. Adicionalmente, las realizaciones divulgadas tienen solamente la finalidad de ejemplo y pueden emplearse otras realizaciones en lugar de, o en combinacion con, las realizaciones divulgadas.
Las realizaciones de este aparato y metodo pueden facilitar la capacidad para convertir eficiente y economicamente energfa electromagnetica en la forma de luz en energfa electrica en la forma de corriente electrica. Realizaciones de este aparato y metodo pueden facilitar tambien una produccion en gran volumen y un uso extendido de los dispositivos fotovoltaicos.
Varios dispositivos electro-opticos de area grande utilizan actualmente capas delgadas de materiales opticamente transparentes y electricamente conductores. Los ejemplos mas prominentes de dichos dispositivos electro-opticos incluyen dispositivos fotovoltaicos y dispositivos emisores de luz; ambos de estos dispositivos hacen uso de los denominados materiales de oxidos conductores transparentes (TCO). Se han desarrollado en los ultimos anos un cierto numero de diferentes materiales TCO, incluyendo oxido de estano, oxido de indio estano (ITO), oxido de zinc y otros. Todos estos materiales padecen del mismo inconveniente: para incrementar su conductividad, han de incrementarse los grosores del material o la concentracion de dopado, lo que a su vez disminuye la transmision optica a traves de este material debido a un exceso de absorcion. La presente invencion proporciona un nuevo enfoque que sortea este inconveniente y evita el compromiso entre alta conductividad electrica y alta transmision optica.
Como se describe a continuacion, la presente invencion proporciona un sustrato transparente con un material electricamente conductor embebido, que simultaneamente consigue alta conductividad electrica y alta transmision optica. Tambien proporciona metodos sobre como puede usarse este sustrato de compuesto en la fabricacion de dispositivos electro-opticos, incluyendo dispositivos fotovoltaicos y emisores de luz. La presente invencion proporciona adicionalmente metodos y procesos de fabricacion de dicho sustrato, asf como de la fabricacion de dispositivos electro-opticos que usen este sustrato.
Los materiales electricamente conductores pueden embeberse en un sustrato transparente en la forma de una rejilla y exponerse sobre al menos un lado para proporcionar contactos electricos. Los dispositivos electro-opticos de area grande, tales como los dispositivos fotovoltaicos, pueden depositarse directamente sobre y fijarse a dicho sustrato, estableciendo un contacto electrico entre una capa conductora del dispositivo y la rejilla conductora del sustrato. Como resultado, la resistencia de contacto que puede conseguirse puede disminuirse sustancialmente sobre la actualmente conseguida cuando una rejilla de metal delgado se deposita directamente sobre la parte superior de la capa conductora del dispositivo electro-optico. Puede darse forma a la rejilla conductora de modo que la cantidad de luz que bloquee sea minima, en algunos casos bloqueando no mas luz que cuando se emplea la tecnica de deposicion de rejilla metalica directa convencional anteriormente mencionada. Adicionalmente, en algunas realizaciones, la forma de seccion transversal de la rejilla conductora puede disponerse de modo que no bloquee nada de la luz transmitida.
Ejemplos
La FIG. 1 muestra una vista en perspectiva de una realizacion de un sustrato de compuesto 100 en el que un sustrato transparente, electricamente aislante 110 tiene un patron de ranuras 120 que se rellena con un material de baja resistencia electrica 130. Puede usarse en este ejemplo cualquiera de una variedad de diferentes materiales conductores: epoxis conductores, tintas de plata, polfmeros conductores, metales, incluyendo Cu, Au, Al y otros. La forma de la seccion transversal de la rejilla conductora resultante puede coincidir estrechamente con la de las ranuras. El material del sustrato puede ser, por ejemplo, vidrio, tal como vidrio de soda-cal, polfmero, tal como poliimiida, otros materiales aislantes transparentes cristalinos o amorfos o un material compuesto.
La FIG. 2a es una vista en seccion transversal del sustrato de compuesto 100 de la FIG. 1, y la FIG. 2b es una vista
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superior o en planta del sustrato de compuesto 100. En esta realizacion las ranuras 220 tienen una forma de seccion transversal rectangular. Mas generalmente, sin embargo, la forma de seccion transversal de las ranuras 220 puede tener cualquier forma arbitraria, pero preferentemente tienen una forma alargada con una dimension mas larga perpendicular a la superficie superior del sustrato 110. Por ejemplo, las FIGS. 3a y 3b muestran una vista en seccion transversal y en planta, respectivamente, de una rejilla conductora embebida 310 formada en ranuras 320 que tienen una forma de seccion transversal triangular. Se dan en la FIG. 4 ejemplos de ranuras 320 con diferentes formas de seccion transversal, incluyendo triangular (A), trapezoidal (B), redonda o convexa (C) y concava (D).
En las realizaciones mostradas en las FIGS. 1-3, las rejillas conductoras 310 tienen patrones rectangulares, tal como se ve en la vista superior de las FIGS. 2b y 3b. Sin embargo, pueden usarse asimismo otros patrones. Por ejemplo, tal como se muestra en la vista superior de las FIGS. 5A-5D, las rejillas 310 pueden disponerse en lmeas rectas (A), rejillas triangulares (B), rejillas hexagonales (C) y patrones sinusoidales (D). Naturalmente, pueden usarse asimismo otras disposiciones de rejilla conductora, incluyendo disposiciones no mostradas en el presente documento.
En otra realizacion, las ranuras en el sustrato transparente pueden tener formas de seccion transversal con angulos entrantes, es decir formas en las que el ancho de la ranura por debajo de la superficie del sustrato en algunos lugares puede exceder el ancho de la ranura en la superficie del sustrato. Ejemplos de dichas ranuras 620 se muestran en las FIGS. 6A-6E. Una ventaja principal de dichas ranuras es que la rejilla conductora se mantiene en su sitio mas firmemente y puede incluso no requerir adhesion entre las superficies interiores de las ranuras 620 y los materiales conductores.
En otra realizacion, mostrada en seccion transversal en la FIG. 7, se dispone un sustrato transparente 710 con una rejilla conductora embebida que tiene ranuras regulares 715 sobre y se fija a un dispositivo fotovoltaico 720, que incluye al menos dos capas conductoras 722 y 725, y dos capas de semiconductor 723 y 724 que forman una union en su interfaz. Tfpicamente, dicha union es una union p-n. Puede haber tambien un segundo sustrato 721. En esta realizacion la luz 730 se transmite eficientemente a traves del sustrato 710 y es absorbida por el dispositivo fotovoltaico 720, de modo que su energfa puede convertirse en corriente electrica. El sustrato 710 tambien realiza el contacto electrico con la capa conductora 725, reduciendo de ese modo significativamente la resistencia de contacto en serie del dispositivo fotovoltaico 720. Un ejemplo de un dispositivo fotovoltaico u otro electro-optico que puede emplearse se forma a partir de dos o mas modulos fotovoltaicos o electro-opticos.
Los materiales conductores transparentes de area grande actualmente disponibles tienen una resistividad en el intervalo de 0,2-10'3 a 1-10'3 Q cm, lo que para pelfculas con un grosor en el intervalo de 0,5 a 2 micras da como resultado una resistencia de lamina de aproximadamente 5 a 20 Q/cuadrado. Este intervalo de resistencias de lamina se considera frecuentemente un intervalo optimo, tal como se muestra en la FIG. 21. Realmente, la FIG. 21 muestra que la disminucion de la resistencia de un oxido conductor transparente (TCO), por ejemplo incrementando su grosor, dara como resultado perdidas opticas incrementadas debido a la absorcion. Por otro lado, la disminucion adicional de las perdidas opticas en un TCO es dificultado por un incremento acompanado en su resistencia electrica.
La presente invencion permite resolver este conflicto entre las perdidas opticas y electricas de una pelfcula de TCO. Esto se consigue embebiendo una rejilla conductora en el sustrato transparente, rejilla conductora que puede componerse de un metal altamente conductor, polfmero o un material compuesto. Por ejemplo, oro, cobre, plata y aluminio tienen resistividades en el intervalo de 1,6-2,8-10'6 Q cm, lo que son dos ordenes de magnitud inferior a las de cualquier material TCO actualmente disponible. La resistencia de lamina equivalente de la rejilla conductora depende tambien de su area de seccion transversal, que puede variarse sin afectar directamente a las perdidas opticas debido a sombreado (sin ninguna absorcion optica adicional debido a la rejilla). Por ejemplo, una rejilla de hilo de cobre rectangular embebido en una ranura de 20 pm por 50 pm y dispuesto sobre un patron cuadrado con un paso de 1 cm producira una resistencia de lamina de solo 0,2 Q/cuadrado, es decir dos ordenes de magnitud inferior a la de una pelfcula de TCO. Los enfoques actuales que utilizan rejillas metalicas depositadas directamente en la parte superior de unas capas de TCO son demasiado delgados para conseguir la misma baja resistencia y tambien conducen a perdidas opticas excesivas debido a sombreado.
Como se ha mencionado previamente, la rejilla conductora puede formarse en ranuras que tienen una amplia variedad de diferentes formas de seccion transversal, incluyendo una forma rectangular tal como se muestra en la FIG. 2a y las otras formas alargadas mostradas en las FIGS. 4 y 6. Se preferira frecuentemente una forma alargada debido a que minimiza el efecto de sombreado de la rejilla conductora opaca sobre el rendimiento del dispositivo fotovoltaico que se dispone sobre el sustrato. Por ejemplo, para la misma area de seccion transversal de la rejilla conductora, una rejilla metalica de 20 pm de ancho oscurecera y sombreara la mitad del area del dispositivo fotovoltaico subyacente en comparacion con una rejilla metalica de 40 pm de ancho.
Por las razones explicadas a continuacion una forma de seccion transversal particularmente ventajosa para las ranuras formadas en el sustrato es una forma triangular. La FIG. 8 muestra una vista en seccion transversal detallada de la realizacion mostrada en la FIG. 7 en la que se integra un modulo fotovoltaico 720 con un sustrato 710, en donde H es el grosor del sustrato, n es el mdice de refraccion del sustrato, h es la altura de la ranura, d es el paso de la rejilla conductora y 2a es el angulo en el vertice de la ranura triangular. La luz 730 puede llegar a la
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superficie superior del sustrato en cualquier angulo; sin embargo, solo pocos rayos de luz interceptaran una ranura 715 a lo largo de su trayectoria. Adicionalmente, la mayor parte de estos rayos se reflejara, de modo que aun pasaran a traves del dispositivo fotovoltaico subyacente. Sin embargo, para angulos de incidencia mayores que un cierto angulo cntico p los rayos de luz pueden desviarse separandose del modulo fotovoltaico tal como se muestra en la FIG. 8. Suponiendo que d >> h, el valor de este angulo cntico viene dado por
p = asen{n cos(2a)}. (1)
Asf, puede demostrarse que para cualquier mdice n dado, puede haber un intervalo de angulos a, para los que ninguno de los rayos satisface la Ec. (1) y por lo tanto toda su luz se transmite a traves del sustrato y es absorbida por el dispositivo fotovoltaico subyacente:
2a < acos(l/n). (2)
Por ejemplo, para n=2 se puede hallar que a ha de ser menor de 30° para que todos los rayos de luz se transmitan a traves del sustrato. Se hara referencia en el presente documento a las rejillas conductoras que tengan dichas ranuras triangulares u otras ranuras conformadas que transmiten toda la luz a traves del sustrato como rejillas conductoras opticamente no obstructivas o no bloqueantes.
Basandose en el analisis anterior se deduce que rejillas conductoras triangulares alargadas embebidas en un sustrato transparente pueden ser en muchos casos mas adecuadas para disminuir simultaneamente las perdidas electricas y opticas (debido a la resistencia en serie y a las perdidas de transmision optica, respectivamente) en un dispositivo fotovoltaico integrado, tal como en el dispositivo basado en la FIG. 7. Realmente, es teoricamente posible disminuir indefinidamente la resistencia electrica de una rejilla conductora no bloqueante sin ninguna penalizacion en la disminucion de la transmision optica. Las rejillas no bloqueantes y casi no bloqueantes pueden realizarse usando ranuras que tengan una amplia variedad de formas de seccion transversal distintas a las formas de seccion transversal triangular, por ejemplo las formas mostradas en la FIG. 4, y las FIGS. 6C, 6D y 6E.
En otra realizacion de la invencion mostrada en la FIG. 9, un dispositivo fotovoltaico multi-capa se compone de tres modulos fotovoltaicos 930, 940 y 950, consistiendo cada modulo en al menos dos capas conductoras, y dos capas de semiconductor que forman una union en su interfaz. Los modulos estan separados y fijados a sustratos electricamente aislantes, transparentes con rejillas conductoras embebidas 910 y fijados adicionalmente a un sustrato comun 920. Dicho dispositivo fotovoltaico puede comportarse como un dispositivo fotovoltaico multi-union, si las bandas prohibidas de las diferentes capas de semiconductor absorbentes de la luz respectivas en los modulos difieren entre sf, de modo lo que la banda prohibida del semiconductor del modulo superior sea mayor que la de un modulo inferior. Tfpicamente, la eficiencia en la conversion de energfa de un dispositivo fotovoltaico multi-union es mas alta que la de un dispositivo fotovoltaico de union simple. Sin embargo, para que ocurra esto la transmision de luz entre los modulos 930, 940 y 950 ha de ser casi sin perdidas o al menos preferentemente mayor que el 80-90 %. Aun mas, por la misma razon es deseable tener una baja resistencia de contacto para cada uno de los modulos. A diferencia de los enfoques convencionales, cuando los sustratos 910 se construyen de acuerdo con los principios de la presente invencion, pueden satisfacerse ambos requisitos en relacion con la transmision optica y la resistencia.
En otra realizacion, el dispositivo de la FIG. 9 se modifica de modo que los sustratos 910 y 920 se sustituyen con un conjunto diferente de sustratos 1010, 1011 y 1012 del tipo mostrado en la FIG. 10. En este caso particular los sustratos 1010 y 1012 son ampliamente los mismos que el sustrato 910 previamente descrito, en el que hay una unica rejilla conductora embebida dispuesta en un lado del sustrato 910. Los sustratos 1011, sin embargo, tienen dos rejillas conductoras dispuestas en lados opuestos del sustrato 1011. El sustrato 1011 se muestra tambien en una vista en seccion transversal y superior, respectivamente, en la FIG. 11. En esta realizacion, las rejillas conductoras dispuestas en cada lado del sustrato se usan para disminuir la resistencia de contacto de capas conductoras en modulos vecinos. Mediante la separacion de cada modulo en el dispositivo fotovoltaico con dicho sustrato puede reducirse la resistencia de contacto de ambas capas conductoras en cada modulo.
En otra realizacion mostrada en la FIG. 12 un sustrato aislante, transparente 1210 que tiene una rejilla conductora embebida 1220 se recubre adicionalmente con una capa delgada de un conductor transparente 1230, por ejemplo ITO. Dicho sustrato puede usarse como una capa base en una fabricacion posterior de un dispositivo fotovoltaico de pelfcula delgada. Esto es, pueden depositarse secuencialmente al menos dos capas de semiconductor y una capa conductora adicional o crecerse directamente sobre la parte superior de la capa conductora 1230.
En otra realizacion mostrada en la FIG. 13 un sustrato aislante, transparente 1310 que tiene una rejilla conductora embebida 1320 se fija de modo hubrido a un modulo fotovoltaico 1340. Puede usarse soldadura o resaltes de epoxi conductor 1330 para adherir el modulo 1340 al sustrato 1310 y para producir buenos contactos electricos entre la rejilla conductora 1320 y la capa conductora superior del modulo 1340. La FIG. 13 tambien muestra la direccion de la luz incidente 1350 que puede usarse para una conversion de energfa eficiente por el modulo fotovoltaico 1340.
En otra realizacion mostrada en seccion transversal en la FIG. 14 un sustrato aislante, transparente 1410 tiene una rejilla conductora embebida 1415 con una variedad de formas de seccion transversal. En este ejemplo una parte de
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la rejilla localizada en cada ranura se extiende por encima de la superficie superior del sustrato.
En otra realizacion mostrada en la FIG. 15 un sustrato aislante, transparente 1510 tiene una rejilla conductora embebida 1515 con una variedad de formas de seccion transversal, una parte de las cuales puede extenderse por encima de la superficie superior del sustrato. Adicionalmente, las partes expuestas del sustrato pueden recubrirse con una delgada capa de un adhesivo transparente 1516.
En otra realizacion mostrada en la FIG. 16 un sustrato aislante, transparente 1610 tiene una rejilla conductora embebida 1615 con una variedad de formas de seccion transversal, una parte de las cuales puede extenderse por encima de la superficie superior del sustrato. Adicionalmente, las partes expuestas del sustrato pueden recubrirse con una delgada capa de un adhesivo transparente 1616. En esta realizacion el sustrato se perfora de modo que hay multiples orificios pasantes 1612 que permiten el paso de aire desde un lado del sustrato al otro. En algunas realizaciones estos orificios pueden tener forma cilmdrica, disponerse uniformemente entre los hilos de rejilla y tener un diametro de aproximadamente 0,05-0,5 mm. Los orificios pasantes pueden servir para facilitar la fijacion del sustrato al modulo fotovoltaico, como se explica con mas detalle a continuacion en conexion con la FIG. 17.
En otra realizacion mostrada en la FIG. 17, se proporciona un aparato para implementar un metodo para la fijacion de forma hnbrida de un sustrato perforado, aislante, transparente 1710 que tiene una rejilla conductora embebida 1711 sobre una capa conductora expuesta 1724 de un modulo fotovoltaico 1720. Pueden disponerse resaltes de soldadura o epoxi conductor 1715 y 1725 sobre la rejilla 1711 y el modulo 1720, respectivamente. El sustrato 1710 puede fijarse entonces al modulo 1720 mediante el uso de un laminador 1730 para aplicar presion, tal como se indica por el numero de referencia 1740. El laminador 1730 puede usar tambien calentamiento local para elevar la temperatura del conjunto sustrato-modulo para o bien refluir los resaltes de soldadura o bien curar el epoxi, uniendo de ese modo el sustrato 1710 al modulo 1720. Este proceso de fijacion puede ayudarse con una bomba de vacfo 1731, que elimina al aire de la cavidad del laminador. Dado que el sustrato esta perforado con orificios pasantes 1712, el aire puede escapar desde debajo del sustrato durante el proceso de fijacion, conduciendo asf a un contacto muy estrecho y fuerte union entre las superficies correspondientes.
En otra realizacion mostrada en la FIG. 18, se proporciona un aparato para implementar un metodo para la fijacion de una forma hnbrida de un sustrato perforado, aislante, transparente 1810 que tiene una rejilla conductora embebida 1811 sobre una capa conductora expuesta 1824 de un modulo fotovoltaico 1820. En esta realizacion puede disponerse una capa de adhesivo transparente adicional 1816 sobre el sustrato 1810. El sustrato 1810 puede fijarse entonces al modulo 1820 usando un laminador 1830 para aplicar presion, tal como se indica por el numero de referencia 1840. El laminador 1830 puede usar tambien calentamiento local para elevar la temperatura del conjunto y activar la capa adhesiva, uniendo de ese modo el sustrato al modulo. Este proceso de fijacion puede ayudarse con una bomba de vacfo 1831, que elimina al aire de la cavidad del laminador. Los orificios pasantes 1812 en el sustrato 1810 permiten que el aire se escape desde debajo del sustrato 1810 durante el proceso de fijacion, conduciendo asf a un contacto muy estrecho y fuerte union entre las superficies correspondientes.
En otra realizacion mostrada en la FIG. 19, se proporciona un metodo para la fabricacion de un sustrato transparente con una rejilla conductora embebida. Se muestra en seccion transversal un sustrato de polfmero claro flexible 1910, que puede usarse como un material de partida. El intervalo de grosores para este sustrato puede estar entre 20 micras y 1 mm. Puede producirse un patron de ranuras 1920 en la parte superior del sustrato 1910 bien mediante grabado fotolitografico o bien micro-estampado. La forma de la seccion transversal de las ranuras es triangular y alargada a lo largo del eje perpendicular a la superficie del sustrato con un angulo de vertice de menos de 60°. Las ranuras 1920 pueden rellenarse entonces con una tinta de plata de nano-partfculas 1930, usando por ejemplo una impresion por inyeccion de tinta, y curarse, de modo que una parte de la tinta de plata, que define la rejilla conductora, se expone y sobresale desde la superficie superior del sustrato 1910. Adicionalmente puede depositarse una delgada capa (10-50 micras) de adhesivo 1940, tal como etileno-vinilo acetato (EVA), sobre el sustrato 1910 entre los hilos de rejilla individuales, que puede usarse posteriormente para fijar el sustrato a un modulo fotovoltaico.
En otra realizacion mas mostrada en una vista en seccion transversal y en planta en las FIGS. 20a y 20b, respectivamente, se emplea un metodo alternativo para la fabricacion de un sustrato transparente con una rejilla conductora embebida. En este caso, puede usarse un sustrato de vidrio claro 2010 con un grosor en el intervalo entre 50 micras y 2,000 mm. Puede producirse entonces un patron de ranuras rectangulares 2020 en el sustrato 2010, usando por ejemplo, o bien tecnicas de moldeo de vidrio o grabado en seco fotolitografico. Posteriormente, puede colocarse en las ranuras un primer conjunto de hilos metalicos 2030 conformados cilmdricamente, seguido por un segundo conjunto de hilos metalicos 2040 que se orientan en la direccion ortogonal con respecto al primer conjunto de hilos metalicos 2030. El material metalico de los hilos podna ser oro o cobre, y el diametro del hilo podna estar en el intervalo de 25-100 micras, por ejemplo. El ancho de las ranuras 2020 puede elegirse para que sea aproximadamente igual al diametro de los hilos y la profundidad de las ranuras 2020 puede elegirse de modo que el conjunto superior de hilos 2040 sobresalga ligeramente por encima de la superficie del sustrato 2010.
En otra realizacion mas, la forma de seccion transversal de las ranuras 2020 mostradas en la FIG. 20 puede modificarse de modo que sean similares en forma a las ranuras mostradas en la FIG. 4E de modo que la mayor parte de la luz pueda transmitirse a traves del sustrato sin impedimento. Adicionalmente, el angulo del vertice puede
elegirse de modo que la rejilla conductora resultante sea no bloqueante.
En otra realizacion mas, se anade un adhesivo al interior de las ranuras 2020 mostradas en la FIG. 20 para asegurar los hilos dentro de las ranuras y de ese modo fijarlos al sustrato 2010.
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En otra realizacion mas mostrada en las FIGS. 22a y 22b los sustratos transparentes A y B, que tienen rejillas reflectoras no bloqueantes, pueden usarse para mejorar la transmision optica traves de un dispositivo electro-optico proporcionando una rejilla de metal de patron coincidente sobre su superficie superior. Cuando uno de dichos sustratos se fija a la superficie superior del dispositivo electro-optico, su rejilla reflectora no bloqueante reflejara y 10 redirigira los rayos de luz fuera de la rejilla metalica, reduciendo de ese modo las perdidas opticas. Las rejillas reflectoras no bloqueantes pueden producirse a partir de cualquier material reflector, incluyendo materiales conductores y no excluyendo materiales aislantes y semiconductores. Adicionalmente, el sustrato B en la FIG. 22b puede ser una pelfcula de laminado compuesta de al menos dos capas.
15 La FIG. 23 muestra otra realizacion de un aparato que implementa un metodo para la fijacion de un sustrato de compuesto a un dispositivo electro-optico. Puede usarse una disposicion de recogida y colocacion o un sistema de rodillos 2305 para manejar los dispositivos electro-opticos 2310 en este ejemplo. Puede usarse una herramienta de soldadura 2330 para depositar un patron o bien de soldadura o bien de resaltes de epoxi conductor 2335 sobre los dispositivos electro-opticos 2310. Puede usarse un sistema alineador 2340, con la ayuda de un sistema de vision 20 2350 para alinear el sustrato de compuesto 2320 con el dispositivo electro-optico 2310. Un elemento de presion
puede ejercer entonces el calor y fuerza necesarios para fundir los resaltes 2335 y unir los sustratos 2320 al dispositivo 2310.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo de produccion de un dispositivo electro-optico que tiene al menos una capa conductora opticamente transparente que comprende las etapas de:
    proporcionar un sustrato de compuesto que incluye un sustrato base (710) opticamente transparente y electricamente aislante
    y una rejilla electricamente conductora dispuesta en una pluralidad de ranuras (715) localizada en el sustrato base (710);
    proporcionar un modulo electro-optico (720) que tiene al menos una capa conductora transparente (722, 725); y fijar dicho sustrato compuesto sobre dicho modulo electro-optico (720) de modo que se establezca un contacto electrico entre dicha rejilla y dicha capa conductora transparente (722, 725) del modulo electro-optico, caracterizado por que
    dichas ranuras (715) tienen una forma de seccion transversal que comprende una pluralidad de lados, dos de los cuales forman un vertice definido por un angulo menor que acos(l/n), en la que n es el mdice de refraccion del sustrato base (710), en el que dicho sustrato de compuesto incluye un material opticamente reflector que llena dichas ranuras (715) y en el que dichas ranuras (715) tienen una seccion transversal triangular.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1 en el que dicho modulo electro-optico comprende al menos un modulo fotovoltaico (720) que tiene primera y segunda capas conductoras (722, 725) y al menos primera y segunda capas de semiconductor (723, 724) dispuestas entre las capas conductoras, (722, 725),
    definiendo dichas primera y segunda capas de semiconductor (723, 724) una union en una interfaz entre ellas, siendo transparentes al menos una de dichas capas conductoras (722, 725).
  3. 3. El metodo de la reivindicacion 1 en el que dicho modulo electro-optico comprende una pluralidad de modulos electro-opticos (930, 940, 950)
    teniendo cada uno primera y segunda capas conductoras y al menos primera y segunda capas de semiconductor dispuestas entre las capas conductoras, y una pluralidad de sustratos de compuesto (910) interpuestos en la parte superior de y entre dichos modulos (930, 940, 950).
  4. 4. El metodo de la reivindicacion 1 en el que la rejilla conductora (1920) sobresale por encima de la superficie de dicho sustrato del compuesto.
  5. 5. El metodo de la reivindicacion 1 en el que la rejilla conductora (1930) comprende una tinta conductora, un polfmero conductor, o un metal.
  6. 6. El metodo de la reivindicacion 4 que comprende adicionalmente depositar una capa de adhesivo transparente (1940) sobre dicho sustrato de compuesto (1910) entre los hilos de rejilla (1920) individuales.
  7. 7. El metodo de la reivindicacion 1 que comprende adicionalmente producir una pluralidad de orificios (1712) a traves de dicho sustrato de compuesto.
  8. 8. El metodo de la reivindicacion 1 que comprende adicionalmente depositar una capa conductora transparentemente (1230) para establecer contacto electrico con dicha rejilla.
  9. 9. El metodo de la reivindicacion 1 en el que dicho sustrato es un sustrato de vidrio (710) o un sustrato de plastico.
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