ES2713059T3 - Célula solar de múltiples uniones de tensión adaptada - Google Patents
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Abstract
Célula solar (100), que comprende una primera pila de células solares (1); una segunda pila de células solares (3); un aislante (10); y en la que la primera pila de células solares (1) y la segunda pila de células solares (3) están conectadas eléctricamente paralelas entre sí; y en la que la primera y la segunda pila de células solares (1, 3) están conectadas eléctricamente en paralelo por una capa metálica (9) formada en el aislante (10) formado en los bordes o caras laterales de la primera pila de células solares (1) y la segunda pila de células solares (3) y una capa de conducción (2) dispuesta entre la primera y la segunda pilas de células solares (1, 3) o con un puente metálico.
Description
DESCRIPCION
Celula solar de multiples uniones de tension adaptada
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a una celula solar de multiples uniones y, en particular, a una celula solar de multiples uniones que comprende una primera pila de celulas solares y una segunda pila de celulas solares que intercalan una capa de conduccion.
Antecedentes de la invencion
Las celulas fotovoltaicas o solares estan disenadas para convertir la radiacion solar en corriente electrica. En las aplicaciones fotovoltaicas de concentracion solar, la luz solar entrante se concentra opticamente antes de dirigirse a las celulas solares. Por ejemplo, la luz solar entrante es recibida por un espejo primario que refleja la radiacion recibida hacia un espejo secundario que, a su vez, refleja la radiacion hacia una celula solar, que convierte la radiacion concentrada en corriente electrica por la generacion de pares de orificios de electrones. pares en semiconductor III-V o silicio monocristalino, por ejemplo. El concentrador fotovoltaico puede, de forma alternativa o adicional, comprender opticas de lente de Fresnel para la concentracion de la radiacion solar entrante.
El documento US 4948436 A divulga una disposicion de celulas solares con una celula en tandem que comprende celulas pin y nip optimizadas para la absorcion de luz en diferentes regiones de longitud de onda. Las celulas estan conectadas electricamente entre sf en un circuito paralelo.
Dado que diferentes composiciones de material semiconductor muestran una absorcion optima para diferentes longitudes de onda de la radiacion solar entrante, se han propuesto celulas de multiples uniones que comprenden, por ejemplo, tres celulas que muestran una absorcion optima en diferentes rangos de longitud de onda. Las celulas individuales de la celula de multiples uniones estan conectadas electricamente en serie. En consecuencia, la celula particular que tiene la tasa mas baja de generacion de portadores de carga libre limita la generacion de energfa general, es decir, la corriente total ganada.
Esta coincidencia de corriente generalmente esta disenada para el espectro estandar AM 1.5d ASTM 173-3. Sin embargo, el espectro real de la luz solar entrante depende del tiempo en escalas desde minutos u horas hasta meses. En particular, el espectro cambia con las estaciones, el dfa y las condiciones climaticas. Por lo tanto, la coincidencia actual da como resultado perdidas de rendimiento significativas debido a la variabilidad de la luz solar entrante.
Por lo tanto, a pesar del progreso reciente de la ingeniena, todavfa existe la necesidad de una configuracion de celulas solares que apenas se vea afectada por el espectro variable en el tiempo de la luz entrante.
Descripcion de la invencion
La presente invencion aborda la necesidad mencionada anteriormente y, en consecuencia, proporciona una celula solar, en particular, una celula solar de multiples uniones de tension adaptada, que comprende
una primera pila de celulas solares;
una segunda pila de celulas solares;
un aislante; y
en la que la primera pila de celulas solares y la segunda pila de celulas solares estan conectadas electricamente paralelas entre sf; y
en la que la primera y la segunda pila de celulas solares estan conectadas electricamente en paralelo por una capa metalica formada en el aislante formado en los bordes o caras laterales de la primera pila de celulas solares y la segunda pila de celulas solares y una capa de conduccion dispuesta entre la primera y la segunda pilas de celulas solares o con un puente metalico.
Ademas, se proporciona una celula solar que comprende
una primera pila de celulas solares; y
una segunda pila de celulas solares; y
una capa de conduccion (2) dispuesta entre la primera y la segunda pila de celulas solares; y
en la que la primera pila de celulas solares y la segunda pila de celulas solares estan conectadas electricamente paralelas entre sf; y
que comprende ademas un sustrato de refrigeracion conductor electrico y termico y una almohadilla de union para unir la segunda pila de celulas solares al sustrato de refrigeracion; y
en la que la primera y la segunda pila de celulas solares estan conectadas electricamente en paralelo por un cable que conecta un contacto p de la primera pila de celulas solares y un contacto p del sustrato de refrigeracion.
Cada pila de celulas solares puede ser una sola union o una serie conectada de multiples uniones en sf misma. En el caso de las pilas de celulas solares de multiples uniones, las pilas de celulas individuales son de corriente adaptada.
En particular, la primera pila de celulas solares puede optimizarse (con respecto a hueco(s) de banda de conduccion de Valencia) para la absorcion de la luz solar entrante en un primer rango de longitud de onda y la segunda pila de celulas solares puede optimizarse para la absorcion de la luz solar entrante en un segundo rango de longitud de onda donde el primer y el segundo rangos de longitud de onda se superponen como maximo parcialmente. Por ejemplo, el primer rango de longitud de onda se da de 300 a 750 nm (dentro de una tolerancia de unos ±70 nm) y el segundo rango de longitud de onda se extiende desde 750 nm hasta longitudes de onda mas grandes en el regimen infrarrojo.
A diferencia de las celulas de multiples uniones de la tecnica, segun la presente invencion, diferentes pilas de celulas solares estan conectadas electricamente paralelas entre sf y estan integradas en un unico chip semiconductor. De este modo, el problema mencionado anteriormente relacionado con la corriente adaptada se alivia de manera economica. En particular, los cambios temporales en el espectro de la luz solar entrante no estan afectando gravemente el rendimiento general de la celula solar multiple. La insensibilidad con respecto al espectro de la luz entrante se puede mejorar aun mas al proporcionar a las dos pilas de celulas solares una tension de circuito abierto igual o similar. Por una tension de circuito abierto similar se entiende una desviacion en el rango inferior al 5 %, en particular, inferior al 3 % y mas particularmente inferior al 1 %. Ademas, las dos pilas de celulas solares pueden mostrar polaridad opuesta (p-n) para reducir la complejidad del cableado.
De acuerdo con una realizacion, la celula solar multiple de los ejemplos anteriores comprende una capa de conduccion que esta dispuesta entre la primera y la segunda pilas de celulas solares y tiene una transparencia integrada de mas del 80 % sobre el rango de longitud de onda que es utilizada por la pila de celulas 2. La capa de conduccion puede comprender o consistir en un material semiconductor dopado n. La capa de conduccion entra en contacto con la primera y la segunda pilas de celulas solares y facilita el transporte de corriente lateral.
Ademas, la pila de celulas solares inventiva mencionada en primer lugar puede comprender un sustrato de refrigeracion, en particular, un sustrato de refrigeracion termica y electricamente conductor, y una almohadilla de union para unir la segunda pila de celulas solares al sustrato de refrigeracion. La almohadilla de union y/o el sustrato de refrigeracion pueden comprender o consistir en una aleacion de aluminio, en particular, de una aleacion de aluminio al 99,5 %. De este modo, no solo se garantiza una conductividad termica y electrica suficientemente alta, sino que tambien se evitan en gran medida las tensiones termicas entre la almohadilla de union y el sustrato de refrigeracion mediante la eleccion del mismo material.
La primera pila de celulas solares puede comprender o consistir en una celula GalnP y la segunda pila de celulas solares puede comprender o consistir en una celula superior de GalnAs y una celula inferior de Ge. Los materiales semiconductores compuestos usados convencionalmente como GalnP, InGaAs y Ge pueden, por lo tanto, emplearse en la presente invencion, que permiten una buena cobertura del espectro optico de la luz solar entrante. Se debe tener en cuenta que la adaptacion de tension de la primera pila de celulas solares y la segunda pila de celulas solares, es decir, en este ejemplo, de la celula superior GalnP y la celula en tandem GalnAs/Ge, puede optimizarse mediante una eleccion apropiada de las relaciones estequiometricas particulares de los materiales semiconductores utilizados en la primera y segunda pila de celulas solares, o mediante la eleccion de diferentes semiconductores compuestos Ill-V que se adapten mejor a la coincidencia de voltaje y al uso eficiente de los rangos de longitud de onda correspondientes.
La presente invencion tambien proporciono un aparato de celula solar que comprende una optica de concentrador y una celula solar de multiples uniones de tension adaptada de acuerdo con uno de los ejemplos descritos anteriormente.
La necesidad antes mencionada tambien se aborda mediante un metodo para la fabricacion de una celula solar (de multiples uniones de tension adaptada), que comprende las etapas de
proporcionar una primera pila de celulas solares;
proporcionar una segunda pila de celulas solares;
unir la primera pila de celulas solares en una primera superficie de una capa de conduccion transparente, en particular, una capa semiconductora;
unir la segunda pila de celulas solares en una segunda superficie de la capa de conduccion opuesta a la primera superficie; y
conectar electricamente la primera y la segunda pilas de celulas solares paralelas entre sf,
en la que conectar electricamente la primera y la segunda pilas de celulas solares paralelas entre sf comprende a) formar una capa aislante en los bordes o caras laterales de la primera pila de celulas solares y la segunda pila de celulas solares y la capa de conduccion; y
formar en la capa aislante, en particular, por deposicion de vapor, una capa metalica que conecta un contacto (no conectado por la capa de conduccion) de la primera pila de celulas solares y un contacto de la segunda pila de celulas solares;
o
b) conectar un contacto p de la primera pila de celulas solares y un contacto p del sustrato de refrigeracion mediante un cable, por ejemplo, un cable delgado de oro o aluminio.
Por lo tanto, la conexion paralela se establece durante la fabricacion de la configuracion apilada que comprende la primera y la segunda pilas de celulas solares, asf como la capa de conduccion o despues de su union (el chip de la celula) al sustrato de refrigeracion.
Se describira caractensticas y ventajas adicionales de la presente invencion con referencia a los dibujos. En la descripcion, se hace referencia a las figuras adjuntas, que pretenden ilustrar realizaciones preferidas de la invencion. Se entiende que tales realizaciones no representan el alcance completo de la invencion.
La figura 1 ilustra una celula solar de multiples uniones de tension adaptada de acuerdo con un ejemplo de la invencion. La celula solar de multiples uniones de tension adaptada comprende dos pilas de celulas solares y una capa de conduccion dispuesta entre las dos pilas.
La figura 2 ilustra una celula solar de multiples uniones de tension adaptada de acuerdo con otro ejemplo de la invencion. La celula solar de multiples uniones de tension adaptada comprende dos pilas de celulas solares y una capa de conduccion dispuesta entre las dos pilas.
Como se muestra en la figura 1, de acuerdo con una realizacion ejemplar de la presente invencion, una celula solar 100 de multiples uniones con tension adaptada comprende una primera pila de celulas solares 1 proporcionada en una capa de conduccion 2 proporcionada en una segunda pila de celulas solares 3. Cada una de la primera y la segunda pilas de celulas solares 1 y 3 comprende una o mas celulas solares. Las celulas solares de la primera pila de celulas solares 1 estan conectadas electricamente en serie y las celulas solares de la segunda pila de celulas solares 3 estan conectadas electricamente en serie. En cada una de las pilas de celulas solares 1 y 3 se realiza la adaptacion de corriente. Por ejemplo, la primera pila de celulas solares 1 esta adaptada para la absorcion de fotones de luz solar entrante en el rango de longitud de onda de 300 a 750 nm (dentro de una tolerancia de aproximadamente ±70 nm). La segunda pila de celulas solares 3 esta adaptada para una absorcion optima en longitudes de onda mas grandes (regimen infrarrojo).
De acuerdo con la presente invencion, la primera pila de celulas solares 1 esta conectada electricamente en paralelo a la segunda pila de celulas solares 3. Los desplazamientos de intensidad relativa entre los rangos de longitud de onda adecuados para la primera y la segunda pilas de celulas solares 1 y 3, por lo tanto, no afectan significativamente al rendimiento de la celula solar 100 de multiples uniones con tension adaptada. Para lograr una alta eficiencia de conversion, ambas pilas de celulas solares 1 y 3 tienen ventajosamente la misma o una tension de circuito abierto similar. Ademas, para ahorrar la complejidad y el coste del cableado, la primera pila de celulas solares 1 y la segunda pila de celulas solares 3 muestran polaridades opuestas (p-n) y estan conectadas por la capa de conduccion 2.
La capa de conduccion 2 se puede hacer o comprender un material semiconductor dopado. Debido a la mayor movilidad de los electrones en comparacion con los orificios, un semiconductor dopado n, por ejemplo, un semiconductor dopado n++, puede proporcionarse para la capa de conduccion 2. De acuerdo con una realizacion alternativa, se proporciona una rejilla incrustada en lugar de la capa de conduccion 2. La capa de conduccion muestra una transparencia integrada mas alta que el 80 % sobre el rango de longitud de onda que se convierte por la segunda pila de celulas solares.
Si se proporciona un semiconductor dopado n para la capa de conduccion 2, la primera pila de celulas solares 1 muestra una polaridad p sobre n, mientras que en este caso la segunda pila de celulas solares 3 muestra una
polaridad n sobre p. De este modo, la base de la celula mas baja de la primera pila de celulas solares 1, asf como el emisor de la celula superior de la segunda pila de celulas solares 3, contribuyen a la corriente lateral en la capa de conduccion 2.
La segunda pila de celulas solares 3 comprende un sustrato de celula inferior 4 que tiene una muy buena conductividad electrica o contiene una capa de contacto que se utiliza para la union de troquel al sustrato del disipador de calor 6, por ejemplo, utilizando soldadura o adhesivo electricamente conductor 5. El sustrato de refrigeracion 6 se puede proporcionar en forma de un sustrato de refrigeracion 6 conductor termico y electrico y funciona como un polo positivo de la celula solar de multiples uniones de tension adaptada. Se prefiere que la almohadilla de union 5 y el sustrato de refrigeracion 6 esten hechos del mismo material. Segun un ejemplo, este material es una aleacion de aluminio, en particular, una aleacion de aluminio del 99,5 %. Las tensiones termicas entre la almohadilla de union 5 y el sustrato de refrigeracion 6 se evitan en gran medida mediante la eleccion del mismo material.
En principio, el sustrato de refrigeracion 6 puede consistir en un metal plano y debe proporcionar una distribucion de calor termico y tambien puede servir como un conductor electrico. Las dimensiones y, en particular, el espesor del metal plano (asf como el espesor de la almohadilla de union 5) se pueden seleccionar de acuerdo con el rendimiento de refrigeracion deseado.
Se proporciona un contacto n en la capa de conduccion lateral 2. Como ya se menciono, la primera y la segunda pilas de celulas solares 1 y 3 estan conectadas electricamente en paralelo entre sf. En el ejemplo que se muestra en la figura 1, la conexion en paralelo se realiza conectando los contactos p 8 y 8' de la primera pila de celulas solares 1 y la segunda pila de celulas solares 3 por medio de una conexion de metal 9 formada en un material aislante 10. Por ejemplo, el material aislante 10 puede estar formado de poliimida y el conector metalico 9 esta formado por deposicion de vapor. Alternativamente, se podna usar un aislante temporal, que se retira despues de formar la conexion de metal, dejando un puente de interconexion. Por lo tanto, la conexion en paralelo se establece durante la fabricacion de la configuracion que comprende las dos pilas de celulas solares 1 y 3 que emparedan la capa de conduccion 2.
En la figura 2 se muestra un ejemplo alternativo de la celula solar de multiples uniones de tension adaptada de la invencion. Esta celula solar 200 de multiples uniones de tension adaptada tambien comprende las pilas de celulas solares 1 y 3, la capa de conduccion 2 y la almohadilla de union 5, asf como el sustrato de refrigeracion 6 que se muestra en la figura 1. Sin embargo, la conexion electrica en paralelo de la primera pila de celulas solares 1 y la segunda pila de celulas solares 3 se realiza de manera diferente. En lugar de depositar una capa de metal sobre un aislante donde la capa de metal conecta el polo p de la primera y la segunda pilas de celulas solares 1 y 3, de acuerdo con el ejemplo que se muestra en la figura 2, la union de los cables entre el contacto p de la primera pila de celulas solares 1 y el contacto p proporcionado en el sustrato de refrigeracion 6 establecen la conexion paralela. En este caso, la conexion de la primera pila de celulas solares 1 y la segunda pila de celulas solares 3 en paralelo se realiza despues de montar los chips de celulas en el sustrato de refrigeracion electricamente conductor 6 por medio de un cable delgado 11. El cable delgado 11 puede estar hecho de oro o aluminio.
Aunque en la figura 1 se muestran una primera pila de celulas de p sobre n 1 y una segunda pila de celulas de n sobre p 3, segun otro ejemplo, la primera pila de celulas 1 puede ser una pila de n sobre p y la segunda pila de celulas 3 puede ser una pila de celulas de p sobre n. En este caso, la capa de conduccion lateral 2 puede ser una rejilla incrustada. Ademas, en este caso, la capa de aislamiento 10 se retira despues de que se haya formado la conexion metalica 9, dejando un puente de interconexion formado por la conexion metalica 9. En esta configuracion, la mejor conductividad del semiconductor dopado n se puede emplear para la capa emisora de la celula solar superior de la pila de celulas de p sobre n 1.
Tanto en el ejemplo de una celula solar 100 de multiples uniones de tension adaptada que la que se muestra en la figura 1 como en el ejemplo de una celula solar 200 de multiples uniones de tension adaptada que se muestra en la figura 2, la primera pila de celulas solares 1 puede comprender o consistir en una celula de GalnP y la segunda la pila de celulas 3 puede comprender o consistir en una celula superior de GalnAs y una celula inferior de Ge. Para las celulas solares 100 y 200 de multiples uniones de tension adaptada, se puede elegir un material Ga0.35ln0.65P/Ga0.83ln0.17As/Ge metamorfico, por ejemplo. La adaptacion de tension de la celula superior de GalnP y la celula doble de GalnAs/Ge se puede optimizar mediante una eleccion apropiada de las relaciones estequiometricas particulares.
Todas las realizaciones descritas previamente no pretenden ser limitaciones, sino que sirven como ejemplos que ilustran caractensticas y ventajas de la invencion. Debe entenderse que algunas o todas las caractensticas descritas anteriormente tambien se pueden combinar de diferentes maneras.
Claims (10)
1. Celula solar (100), que comprende
una primera pila de celulas solares (1);
una segunda pila de celulas solares (3);
un aislante (10); y
en la que la primera pila de celulas solares (1) y la segunda pila de celulas solares (3) estan conectadas electricamente paralelas entre sf; y
en la que la primera y la segunda pila de celulas solares (1, 3) estan conectadas electricamente en paralelo por una capa metalica (9) formada en el aislante (10) formado en los bordes o caras laterales de la primera pila de celulas solares (1) y la segunda pila de celulas solares (3) y una capa de conduccion (2) dispuesta entre la primera y la segunda pilas de celulas solares (1, 3) o con un puente metalico.
2. Celula solar (200), que comprende
una primera pila de celulas solares (1);
una segunda pila de celulas solares (3); y
una capa de conduccion (2) dispuesta entre la primera y la segunda pila de celulas solares (1, 3); y
en la que la primera pila de celulas solares (1) y la segunda pila de celulas solares (3) estan conectadas electricamente paralelas entre sf; y
que comprende ademas un sustrato de refrigeracion (6) conductor electrico y termico y una almohadilla de union (5) para unir la segunda pila de celulas solares (3) al sustrato de refrigeracion (6); y
en la que la primera y la segunda pila de celulas solares (1, 3) estan conectadas electricamente en paralelo por un cable (11) que conecta un contacto p (8) de la primera pila de celulas solares (1) y un contacto p (8') del sustrato de refrigeracion (6).
3. La celula solar segun la reivindicacion 1 o 2, en la que la primera pila de celulas solares (1) esta optimizada para la absorcion de la luz solar entrante en un primer rango de longitud de onda y la segunda pila de celulas solares (3) esta optimizada para la absorcion de la luz solar entrante en un segundo rango de longitud de onda, donde el primer y el segundo rangos de longitud de onda se superponen como maximo entre sf.
4. La celula solar segun la reivindicacion 1, en la que la capa de conduccion (2) consiste en un material semiconductor dopado n.
5. La celula solar segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que la primera y la segunda pilas de celulas solares (1, 3) tienen una tension de circuito abierto igual o similar.
6. La celula solar segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que la primera y la segunda pilas de celulas solares (1, 3) tienen polaridades opuestas.
7. La celula solar segun la reivindicacion 2, en la que la almohadilla de union (5) y/o el sustrato de refrigeracion (6) comprenden o consisten en una aleacion de aluminio, en particular, una aleacion de aluminio al 99,5 %.
8. La celula solar segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que la primera pila de celulas solares (1) comprende o consiste en una celula GalnP y la segunda pila de celulas solares (3) comprende o consiste en una celula superior de GalnAs y una celula inferior de Ge.
9. Un aparato de celula solar que comprende una optica de concentrador y una celula solar de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores.
10. Metodo para la fabricacion de una celula solar, que comprende las etapas de
proporcionar una primera pila de celulas solares (1);
proporcionar una segunda pila de celulas solares (3);
unir la primera pila de celulas solares (1) sobre una primera superficie de una capa de conduccion (2), en particular, una capa semiconductora;
unir la segunda pila de celulas solares (3) en una segunda superficie de la capa de conduccion (2) opuesta a la primera superficie;
unir la segunda pila de celulas solares (3) mediante una almohadilla de union (5) a un sustrato conductor termico y electrico (6); y
conectar electricamente la primera y la segunda pilas de celulas solares (1, 3) paralelas entre sf, donde conectar electricamente la primera y la segunda pila de celulas solares (1, 3) paralelas entre sf comprende
a) formar una capa aislante (10) en bordes o caras laterales de la primera pila de celulas solares (1) y la segunda pila de celulas solares (3) y la capa de conduccion (2); y formar en la capa aislante (10), en particular, por deposicion de vapor, una capa metalica (9) que conecta un contacto p (8) de la primera pila de celulas solares (1) y un contacto p (8') de la segunda pila de celulas solares (3)
o
b) conectar un contacto p (8) de la primera pila de celulas solares (1) y un contacto p (8') del sustrato de refrigeracion (6) mediante un cable (11).
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