ES2845174T3 - Dispositivos fotovoltaicos de eclipse ultradelgados, flexibles y tolerantes a la radiación - Google Patents

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Abstract

Dispositivo fotovoltaico (PV) ultradelgado y tolerante a la radiación, que comprende: un elemento fotovoltaico (301) que comprende un absorbedor fotovoltaico ultradelgado (302) montado en un mango (305) incrustado con un fósforo persistente; en donde el elemento fotovoltaico (301) convierte la energía de los fotones absorbidos por el absorbedor fotovoltaico (302) en energía eléctrica; en donde el absorbedor fotovoltaico ultradelgado (302) tiene un grosor configurado para evitar que el absorbedor fotovoltaico (302) absorba inicialmente todos los fotones incidentes en el dispositivo fotovoltaico durante los momentos en que el dispositivo fotovoltaico está siendo iluminado por el sol; en donde el fósforo en el mango (305) está configurado para absorber una pluralidad de fotones no absorbidos inicialmente por el absorbedor fotovoltaico (302) y descargar los fotones absorbidos de vuelta al absorbedor fotovoltaico (302); y en donde el elemento fotovoltaico (301) utiliza los fotones de fósforo descargados en el absorbedor fotovoltaico (302) para generar energía eléctrica en momentos en que el dispositivo fotovoltaico no está siendo iluminado por el sol, caracterizado porque el absorbedor fotovoltaico (302) comprende uno de: a) un material semiconductor III-V con un grosor de 300 nm o menos, o b) silicio (Si) con un grosor de 2 μm o menos; y el elemento fotovoltaico (301) comprende además una pluralidad de contactos superiores (303a/b/c) e inferiores (304/a/b/c) interdigitados en una superficie frontal del elemento fotovoltaico (301).

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivos fotovoltaicos de eclipse ultradelgados, flexibles y tolerantes a la radiación
Campo técnico
La presente descripción se refiere a dispositivos fotovoltaicos, particularmente a dispositivos fotovoltaicos adecuados para su uso en cargas útiles basadas en satélites tales como electrónica de detección y comunicaciones.
Antecedentes
Los dispositivos fotovoltaicos convierten los fotones solares incidentes directamente en trabajo eléctrico útil. Estos dispositivos permiten la generación de energía en ubicaciones remotas, lo que los hace particularmente atractivos para aplicaciones de energía espacial. Los dispositivos fotovoltaicos son la tecnología principal que se utiliza actualmente para proporcionar energía a cargas útiles espaciales.
Las celdas solares de energía espacial tienen tres criterios clave de rendimiento/diseño:
(1) Potencia específica (W/kg): los costos de implementación espacial son el gasto principal involucrado en la puesta en línea de nuevos satélites. Estos costos se rigen por la masa del satélite, una gran fracción de la cual es el sistema de energía solar. La potencia específica describe la potencia entregada por unidad de masa y, por lo tanto, determina la potencia disponible para las cargas útiles de los satélites.
(2) Rendimiento al final de su vida útil: la exposición a la radiación en un entorno espacial hostil degrada rápidamente el rendimiento de las celdas solares. Los diseños de dispositivos que mantienen la eficiencia de conversión de energía solar en estos entornos permiten reducir los costos de misión y nuevos perfiles de misión ampliados.
(3) Factor de forma de satélite: las celdas solares espaciales convencionales de acuerdo con la técnica anterior se implementan en paneles rígidos. Los paneles solares totalmente flexibles permitirían nuevos factores de forma de satélite que pueden ser particularmente adecuados para su uso en aplicaciones de satélites. Por ejemplo, las láminas enrollables de matrices solares pueden proporcionar protección y almacenamiento de lanzamiento eficiente de la matriz y pueden permitir el control dinámico del despliegue de la matriz. Los paneles solares flexibles también pueden permitir el despliegue de enjambres de microsatélites desagregados sin la necesidad de una unidad de energía centralizada vulnerable, o se pueden envolver de manera conformada alrededor de un satélite para proporcionar generación de energía desde cada superficie.
Los paneles solares de energía espacial actuales incorporan diseños de múltiples uniones III-V tales como la celda solar de unión triple de tercera generación (ZTJ) fabricada por SolAero, una modalidad ilustrativa de la cual se ilustra en el esquema de bloques mostrado en la Figura 1. Como se ilustra en la Figura 1, una celda solar ZTJ convencional típica que se utiliza actualmente en paneles solares de energía espacial se hace crecer sobre un sustrato de Ge activo 101 con la unión intermedia 102 de GaAs y la unión superior de InGaP 103. Este diseño proporciona una eficiencia de conversión de energía solar al inicio de su vida útil (BOL) del 29,5 %.
Sin embargo, este diseño de celda convencional tiene varias limitaciones.
Primero, las celdas solares convencionales que tienen este diseño producen una potencia específica relativamente baja. Dado que la potencia específica es la potencia por unidad de masa (W/kg), el sustrato de Ge grueso y la cubierta protectora contra la radiación aumentan sustancialmente la masa de la celda solar, reduciendo así la potencia específica de la celda.
En segundo lugar, las celdas solares convencionales tienen poca tolerancia a la radiación, lo que produce un rendimiento deficiente al final de su vida útil porque las celdas se degradan con la dosis total de radiación. Los dispositivos de celdas ZTJ multifuncionales son particularmente sensibles a la exposición a la radiación porque las celdas están conectadas en serie y, por lo tanto, la degradación en cualquiera de las subceldas limita el rendimiento de toda la pila. Por lo tanto, tales dispositivos requieren un cubreobjetos protector sobre las celdas para mitigar esta degradación y extender la vida útil del dispositivo. Sin embargo, la protección proporcionada por un cubreobjetos más grueso debe intercambiarse por el aumento de masa y la potencia específica reducida resultante descrita anteriormente.
Finalmente, estas celdas deben implementarse en paneles rígidos y gruesos, lo que les da un factor de forma engorroso que puede limitar su uso con nuevos diseños de satélites.
Una solución a los problemas de las celdas ZTJ que se ha propuesto en la técnica anterior utiliza el diseño del dispositivo metamórfico invertido (IMM) ilustrado por el diagrama de bloques de la Figura 2. Al igual que el diseño ZTJ, el diseño del dispositivo IMM también utiliza un sustrato Ge con una unión intermedia de GaAs y una unión superior de InGaP. Sin embargo, en el diseño IMM, el dispositivo se hace crecer en una geometría invertida, con la unión superior de InGaP 203 directamente sobre el sustrato de Ge seguida de la unión intermedia de GaAs 202. A continuación, se hace crecer una capa de tampón graduada 204 para pasar a una constante de rejilla más grande para permitir el crecimiento de una celda inferior de InGaAs de bajo defecto. A continuación, la estructura se invierte de manera que la capa de InGaAs 205 esté en la parte inferior y el sustrato de Ge 201 esté en la parte superior de la estructura. A continuación, el sustrato de Ge 201 se elimina mediante un proceso de eliminación de sustrato, dejando un dispositivo de triple unión.
Esta estructura aborda algunas de las limitaciones del diseño ZTJ. La eliminación del sustrato de Ge pesado reduce la masa del dispositivo, lo que proporciona una mayor potencia específica y mejora la flexibilidad del factor de forma de la estructura. Sin embargo, la sensibilidad a la radiación de las celdas multifuncionales utilizadas en el diseño IMM todavía requiere el uso de un cubreobjetos, lo que limita la flexibilidad del dispositivo y su potencia específica potencial máximo. El documento US 2015/075612 A1 describe un dispositivo fotovoltaico que usa un fósforo incrustado, como se conoce en la técnica anterior.
Descripción de la invención
El tema de la presente invención se define en la reivindicación 1. Este resumen pretende presentar, de manera simplificada, una selección de conceptos que se describen con más detalle en la Descripción Detallada. Este resumen no tiene la intención de identificar características clave o esenciales del tema reivindicado, ni pretende ser utilizado como ayuda para determinar el alcance del tema reivindicado. En cambio, se presenta simplemente como una breve descripción del tema descrito y reivindicado en este documento.
La presente invención proporciona un dispositivo fotovoltaico (PV) de eclipse ultradelgado que puede proporcionar energía para cargas útiles de satélites tales como electrónica de detección y comunicaciones.
En una modalidad ilustrativa, un dispositivo fotovoltaico ultradelgado de acuerdo con la presente invención incluye un elemento fotovoltaico tolerante a la radiación que comprende un absorbedor fotovoltaico ultradelgado basado en semiconductores y una pluralidad de contactos eléctricos superiores e inferiores, montados en un mango flexible que tiene un fósforo persistente incrustado en el mismo. En otras modalidades, el mango incrustado con fósforo puede ser inflexible, por ejemplo, para proporcionar estabilidad a la matriz.
El grosor del absorbedor fotovoltaico se reduce para restringir intencionalmente la absorción solar en la primera pasada y así permitir la carga del fósforo en el mango de la superficie trasera.
Algunos de los fotones solares que inciden en el dispositivo se transmitirán a través del absorbedor fotovoltaico ultradelgado en la primera pasada. El fósforo incrustado en el mango absorbe algunos de estos fotones, por lo que parte de la energía solar incidente se almacena en el fósforo, mientras que la estructura óptica del mango está configurada para dispersar los fotones restantes de vuelta al absorbedor fotovoltaico en modos angulares que se reflejarán totalmente de manera interna en la superficie frontal del dispositivo. El fósforo descarga su energía absorbida almacenada durante un período de tiempo prolongado a través de la reemisión de fotones que a su vez serán absorbidos por el absorbedor fotovoltaico para proporcionar energía durante los períodos de eclipse, es decir, durante los momentos en que el dispositivo no está iluminado por el sol.
En algunas modalidades, el absorbedor fotovoltaico ultradelgado se puede formar a partir de materiales semiconductores III-V tales como arseniuro de galio (GaAs) o fosfuro de indio (InP) que tienen un grosor de aproximadamente 300 nm o menos. En otras modalidades, el absorbedor fotovoltaico se puede formar a partir de silicio (Si) que tiene un grosor de aproximadamente 2 pm o menos.
El diseño ultradelgado de un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la presente invención proporciona alta potencia específica y eficiencia mejorada de conversión de energía solar al final de su vida útil, y permite su implementación en una matriz solar delgada y flexible particularmente adecuada para su uso en aplicaciones espaciales.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un esquema de bloques que ilustra una celda fotovoltaica de triple unión ZTJ ilustrativa de acuerdo con la técnica anterior.
La Figura 2 es un esquema de bloques que ilustra una celda fotovoltaica metamórfica invertida (IMM) ilustrativa de acuerdo con la técnica anterior.
La Figura 3 es un esquema de bloques que ilustra aspectos de una estructura de dispositivo fotovoltaico ilustrativa de acuerdo con la presente invención.
Las Figuras 4A-4C son esquemas de bloques que ilustran aspectos de un dispositivo fotovoltaico de eclipse ultradelgado, flexible y tolerante a la radiación de acuerdo con la presente invención.
Modos para llevar a cabo la invención
Los aspectos y características de la presente invención resumidos anteriormente se pueden realizar de diversas formas. La siguiente descripción muestra, a modo de ilustración, combinaciones y configuraciones en las que se pueden poner en práctica los aspectos y características. Se entiende que los aspectos, características y/o modalidades descritos son simplemente ejemplos, y que un experto en la técnica puede utilizar otros aspectos, características y/o modalidades o realizar modificaciones estructurales y funcionales sin apartarse del alcance de la presente descripción.
La presente invención proporciona una nueva arquitectura de diseño para dispositivos fotovoltaicos (PV) flexibles y ultradelgados que pueden exhibir una potencia específica ultra alta lograda mediante la reducción de peso y tienen tolerancia a la radiación intrínseca que elimina la necesidad de un cubreobjetos. Los dispositivos fotovoltaicos de acuerdo con la presente invención pueden incorporarse en matrices fotovoltaicas delgadas y flexibles que pueden ser particularmente adecuadas para su uso con factores de forma de satélite ligeros y flexibles y pueden proporcionar generación de energía durante períodos de eclipse, es decir, durante momentos en los que el dispositivo no está siendo iluminado por el sol.
En un dispositivo fotovoltaico "ultradelgado" de acuerdo con la presente invención, el grosor del absorbedor fotovoltaico se reduce para restringir intencionalmente la absorción de fotones de la radiación solar incidente en su primera pasada a través del absorbedor y así permitir la carga del fósforo en el mango de la superficie trasera. Un absorbedor en un dispositivo tan "ultradelgado" también puede describirse como "ultradelgado", ya que forma solo una parte de un dispositivo más grande, y si el dispositivo más grande es ultradelgado, el absorbedor debe ser necesariamente ultradelgado también.
Como se describe con más detalle a continuación, un dispositivo fotovoltaico ultradelgado de acuerdo con la presente invención incluye un elemento fotovoltaico que proporciona tolerancia a la radiación y alta potencia específica, combinado con un fósforo persistente incrustado en un mango para la generación de energía de eclipse. En muchas modalidades, el mango será flexible, de manera que permita la implementación del dispositivo fotovoltaico en formas flexibles tales como matrices enrollables de celdas solares, mientras que, en otras modalidades, el mango puede ser inflexible, por ejemplo, para proporcionar estabilidad a la matriz.
El esquema de bloques mostrado en la Figura 3 ilustra aspectos de una modalidad ilustrativa de un dispositivo fotovoltaico flexible y ultradelgado de acuerdo con la presente invención. Por lo tanto, como se ilustra en la Figura 3, tal dispositivo fotovoltaico ilustrativo de acuerdo con la presente invención incluye un elemento fotovoltaico 301 que comprende un absorbedor fotovoltaico ultradelgado 302 con contactos eléctricos superiores e inferiores 303a/b/c y 304a/b/c, respectivamente, montados en un mango flexible delgado 305. En muchas modalidades, el mango flexible 305 se puede formar a partir de un polímero, pero se puede usar cualquier otro material adecuado, y puede tener cualquier grosor adecuado que aún permita el grado de flexibilidad deseado.
Además, como se describe con más detalle a continuación, de acuerdo con la presente invención, el mango 305 tiene un fósforo persistente incrustado en el mismo, donde el fósforo absorbe algunos de los fotones incidentes en el dispositivo fotovoltaico y posteriormente descarga esos fotones de vuelta en el absorbedor fotovoltaico para su uso en la generación de energía eléctrica.
En algunas modalidades, el absorbedor fotovoltaico 302 puede comprender un absorbedor basado en III-V que comprende un material III-V tal como arseniuro de galio (GaAs) o fosfuro de indio (InP) que tiene un grosor de aproximadamente 300 nm o menos, mientras que, en otras modalidades, el absorbedor fotovoltaico 302 puede comprender un absorbedor a base de silicio que tiene un grosor de aproximadamente 2 pm o menos. En ambos casos, el dispositivo fotovoltaico que incorpora tales absorbentes se consideraría "ultradelgado" dentro del alcance de la presente invención. Sin embargo, un experto en la técnica comprenderá fácilmente que pueden emplearse otros materiales y/u otros grosores de capa de material siempre que el dispositivo fotovoltaico permanezca "ultradelgado".
Un dispositivo fotovoltaico que tiene un absorbedor fotovoltaico ultradelgado 302 de este tipo de acuerdo con la presente invención es intrínsecamente tolerante a la radiación. Cuando un absorbedor fotovoltaico se expone a la radiación, los sitios de defectos se introducen en el material absorbente, donde los sitios de defectos reducen la longitud de difusión de los portadores de carga fotogenerados en el dispositivo. En las celdas tradicionales más gruesas, como las celdas ZTJ o IMM descritas anteriormente, los portadores de carga se recombinarán de manera no radiativa a través de estos sitios de defectos, reduciendo así la corriente del dispositivo. Por el contrario, en un dispositivo fotovoltaico ultradelgado de acuerdo con la presente invención, el grosor del absorbedor fotovoltaico está configurado para evitar que los portadores de carga fotogenerados en el elemento fotovoltaico encuentren sitios de defectos en el absorbedor fotovoltaico y se recombinen allí antes de ser transportados a los contactos superiores e inferiores, evitando así la degradación de la corriente fotogenerada.
Como se señaló anteriormente, en un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la presente invención, el absorbedor fotovoltaico 302 está montado sobre una película flexible que tiene un fósforo persistente incrustado en ella. En los últimos años, varios investigadores han desarrollado varios fósforos con luminiscencia persistente, que en algunos casos duran horas después de la excitación. Véase, por ejemplo, Y. Li, M. Gecevicius, J. Qiu, "Long persistent phosphors - from fundamentáis to applications", Reseñas de la Sociedad Química 2016, 45 (8), 2090-2136; y A. Abdukayum, J.-T. Chen, Q. Zhao, X.-P Yan, "Functional Near Infrared-Emitting Cr3+/Pr3+ Co-Doped Zinc Gallogermanate Persistent Luminescent Nanoparticles with Superlong Afterglow for in Vivo Targeted Bioimaging", Revista de la Sociedad Química Estadounidense 2013, 135 (38), 14125-14133. El gallogermanato de zinc dopado con Cr3+ parece un candidato particularmente prometedor debido a sus deseables rangos de longitud de onda de emisión y absorción para la integración con GaAs de las celdas de InP. Véase Z. Pan, Y.-Y Lu, F. Liu, "Sunlightactivated long-persistent luminescence in the near-infrared from Cr3+-doped zinc gallogermanates", Nat. Matter.
2012, 11 (1), 58-63. Se ha demostrado que un disco de cerámica de 2 mm de grosor emite > 1 mWirr2 una hora después de que cesa la excitación fotónica. Véase Fang Yu, Yanmin Yang, Xianyuan Su, Chao Mi y Hyo Jin Seo, "Novel long persistent luminescence phosphors: Yb2+ codoped MA12O4 (M = Ba, Sr)", Opt. Mater. Express 5, 585­ 595 (2015). También se ha demostrado que fósforos cerámicos similares se pueden pulverizar e incrustar en un polímero para recubrimiento por centrifugación. Id.
Por lo tanto, de acuerdo con la presente invención, el elemento fotovoltaico 301, que comprende el absorbedor fotovoltaico 302 y los contactos superiores e inferiores 303a/b/c y 304/a/b/c, respectivamente, descritos con más detalle a continuación, está montado en un mango flexible 305 que tiene un fósforo persistente incrustado en él. Como se describe con más detalle a continuación, el diseño óptico del fósforo en el mango 305 de acuerdo con el diseño de la presente invención mejora la eficiencia de conversión solar del dispositivo fotovoltaico ultradelgado.
Algunos de los fotones solares incidentes en el dispositivo se transmitirán a través del absorbedor fotovoltaico ultradelgado 302 sin ser absorbidos en la primera pasada. El fósforo incrustado en el mango 305 absorbe algunos de estos fotones, y el grado de absorción de fotones en el mango depende de la densidad del fósforo incrustado. Por lo tanto, parte de la energía solar incidente se almacena en el fósforo, mientras que la estructura óptica del fósforo está configurada para dispersar los fotones restantes de vuelta al absorbedor fotovoltaico en modos angulares que se reflejarán totalmente de manera interna en la superficie frontal del dispositivo, proporcionando fotones adicionales para su uso por el elemento fotovoltaico 301 en la generación de energía eléctrica.
Además, el fósforo descarga su energía absorbida durante un período de tiempo prolongado a través de la reemisión de fotones en el absorbedor fotovoltaico 302 para su uso por el elemento fotovoltaico 301 en la generación de energía eléctrica, aumentando así la eficiencia solar del elemento fotovoltaico 301 durante los momentos en que el dispositivo está siendo iluminado por el sol, y permite que el elemento fotovoltaico 301 genere energía incluso durante períodos de eclipse, es decir, en momentos en que el dispositivo no está siendo iluminado por el sol.
Por tanto, el uso de un absorbedor fotovoltaico ultradelgado 302 en un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la presente invención permite de manera única la integración de un fósforo de superficie posterior para el almacenamiento de energía y potencia de eclipse. El fósforo se carga cuando el dispositivo fotovoltaico está iluminado y descarga la energía almacenada ópticamente durante los períodos de eclipse, es decir, los períodos en los que la celda no está iluminada. Al integrar fósforos con las métricas descritas anteriormente, un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la presente invención puede proporcionar -500 pWm'2 de energía eléctrica útil después de 1 hora en la oscuridad. Este nivel de potencia es más que suficiente para ejecutar procesos esenciales sin parar, como el reloj en tiempo real y el almacenamiento de la configuración del BIOS de la placa madre durante el eclipse, sin la necesidad de una batería. Esto es conveniente porque las baterías químicas tradicionales requieren un entorno con temperatura regulada para funcionar y también tienen un número limitado de ciclos de carga. También se puede habilitar una funcionalidad adicional de bajo consumo con una gran cobertura de área.
Además, como se indicó anteriormente, la estructura óptica del fósforo está configurada para dispersar cualquier fotón no absorbido por el fósforo de vuelta al absorbedor fotovoltaico. En la modalidad ilustrativa ilustrada en la Figura 3, esto se logra al texturizar aleatoriamente la superficie trasera del mango para proporcionar un reflector lambertiano 306 en el fósforo, seguido por la metalización completa de la superficie posterior del mismo para proporcionar un cambio brusco en el índice de refracción con respecto al mango. En una modalidad ilustrativa, el reflector lambertiano 306 puede tener una rugosidad rms del orden de 0,1-1 micras. Sin embargo, un experto en la técnica reconocerá que se pueden emplear otros parámetros de texturización y/u otros mecanismos retrorreflectantes, tales como estructuras fotónicas de dispersión de luz, en la superficie posterior del mango de fósforo para mejorar la eficiencia solar del dispositivo fotovoltaico.
Como resultado de la presencia del reflector lambertiano 306, los fotones que se transmiten a través del absorbedor fotovoltaico 302 en su primera pasada a través del dispositivo se reflejan de manera difusa en la superficie trasera en modos ópticos reflejados totalmente de manera interna. Esta reflexión de fotones permite lograr una alta eficiencia de conversión de energía solar en el elemento fotovoltaico 301, aunque la mejora real puede depender del factor de calidad del reflector, junto con la eficiencia radiativa del dispositivo. La mejora de absorción máxima termodinámica de la captura de luz lambertiana viene dada por 4n2, o una mejora de aproximadamente 50X en el caso de los materiales III-V. Véase E. Yablonovitch, "Statistical ray optics", J. Opt. Soc. A.m. 72, 899-907 (1982). Otros autores han demostrado en teoría que las celdas solares ultradelgadas con un grosor de menos de 100 nm pueden producir métricas de rendimiento excelentes (eficiencia de conversión de energía solar> 30 %) con tales esquemas de dispersión de luz. Véase Owen D. Miller, Eli Yablonovitch y Sarah R. Kurtz. "Strong internal and external luminescence as solar cells approach the Shockley-Queisser limit". Revista IEEE de Fotovoltaicos 2.3 (2012): 303-311.
Finalmente, una característica de diseño adicional de un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la presente invención es la inclusión de una pluralidad de contactos superiores e inferiores alternos e interdigitados. En los dispositivos fotovoltaicos de GaAs tradicionales, los contactos de tipo p normalmente no están recocidos, mientras que los contactos de tipo n pueden requerir recocido para alear el semiconductor con la metalización y crear un contacto óhmico para extraer los portadores fotogenerados. En tales dispositivos convencionales, la superficie trasera tiene una cobertura total de metal, incluso en el caso donde la superficie trasera es un contacto de tipo n recocido. Sin embargo, el recocido de un contacto trasero de cobertura total en una celda ultradelgada de acuerdo con la presente invención provocaría que el metal se difundiera en la región de unión activa del dispositivo, degradando gravemente el rendimiento del diodo.
El diseño del dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la presente invención resuelve este problema. Para lograr un contacto trasero recocido sin difundir partículas de oro de los contactos metálicos en la unión, como se ilustra en la Figura 3, se graban una pluralidad de canales desde la superficie frontal hasta la capa de contacto posterior altamente dopada y luego el metal se deposita y se recuece para formar una pluralidad de contactos inferiores 304a/b/c en los canales, que están interdigitados con los contactos superiores 303a/b/c. Este aspecto del diseño del dispositivo fotovoltaico de la presente invención también elimina la necesidad de metalización del dispositivo de la superficie posterior ubicada entre la celda y el mango de dispersión. De esta manera, el acoplamiento de luz eficiente entre el elemento fotovoltaico 301 y el mango con incrustaciones de fósforo 305 puede diseñarse mediante la selección del índice del mango, sin las limitaciones impuestas por los requisitos de conductancia del contacto trasero.
Los satélites tradicionales a menudo se diseñan con matrices solares separadas conectadas a una gran carga útil central. Como se ilustra en las Figuras 4A-4C, se puede incorporar una pluralidad de dispositivos fotovoltaicos de acuerdo con uno o más aspectos de la presente invención en una matriz fotovoltaica delgada y flexible particularmente adecuada para la integración en un diseño de satélite completamente plano y completamente flexible.
Por lo tanto, como se ilustra en las Figuras 4A y 4B, se puede incorporar un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la presente invención en una matriz 401 de tales dispositivos para proporcionar paneles de área grande que puedan permitir su uso con cargas útiles de alta potencia. Dichas cargas útiles pueden ser externas a la matriz o pueden integrarse completamente en la matriz, como la carga útil 402 mostrada en la Figura 4B. Además, como se ilustra en la Figura 4C, dicha matriz de dispositivos fotovoltaicos ultradelgados de acuerdo con la presente invención es ultraligera y flexible, y la matriz, incluso una que tenga una carga útil integrada 402, se puede enrollar para su almacenamiento antes de la implementación, lo que la hace particularmente adecuada para aplicaciones donde las consideraciones de peso y espacio son importantes.
Ventajas y nuevas características
La siguiente tabla resume las características ventajosas de la presente invención en comparación con una celda ZTJ típica de la técnica anterior con cubreobjetos.
Tabla
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Una innovación clave de un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la presente invención es el diseño de celda ultradelgada, con los elementos fotovoltaicos típicamente con un grosor de menos de 100 nm, aunque también se pueden usar celdas con un grosor de aproximadamente 200-300 nm. Este diseño de celda ultradelgada significa que la longitud de difusión de los portadores de carga fotoexcitados es un orden de magnitud más larga que el grosor del dispositivo, lo que hace que el dispositivo sea intrínsecamente tolerante a los defectos inducidos por la exposición a la radiación porque los portadores de carga se pueden extraer en los contactos del dispositivo, generando corriente útil, antes de que tengan tiempo de difundirse en los sitios de defectos.
Además, los elementos fotovoltaicos de múltiples uniones de última generación para aplicaciones espaciales, que normalmente tienen un grosor de capa activa de aproximadamente 6 pm, son particularmente sensibles a los defectos inducidos por la radiación y, por lo tanto, requieren un cubreobjetos rígido grueso para mantener el rendimiento al final de su vida útil. Eliminar el requisito del cubreobjetos con el diseño ultradelgado aumenta drásticamente la potencia específica del panel, lo que permite un área de panel más grande y cargas útiles de alta potencia, y permite el desarrollo de nuevos factores de forma de satélite flexibles.
El diseño del dispositivo fotovoltaico de la presente invención también aborda problemas de dispersión de luz que de otro modo reducirían la eficiencia de un dispositivo fotovoltaico ultradelgado. En una celda que tiene un grosor de menos de 100 nm, solo un pequeño porcentaje, por ejemplo, aproximadamente el 10 %, de los fotones solares incidentes, se absorbe en la primera pasada. Para mejorar esta absorción, el diseño fotovoltaico de la presente invención usa estructuras tales como un reflector lambertiano o estructuras de dispersión fotónica en la parte trasera del mango de la celda. Como resultado de esta característica de la presente invención, los fotones solares que se transmiten a través de la celda se dispersan de manera difusa en modos ópticos más allá del ángulo de aceptación solar, lo que permite una reflexión interna total dentro de la estructura y permite lograr la absorción completa de los fotones incidentes en el diseño ultradelgado.
Una segunda innovación clave del diseño del dispositivo propuesto es el uso de un fósforo persistente incrustado dentro del mango de retrodispersión flexible. En la luz, el fósforo absorbe algunos de los fotones solares transmitidos a través del dispositivo ultradelgado y almacena energía de excitación en estados de trampa temporal. Minutos después de que comience la iluminación, los estados de trampa se saturan y la dispersión lambertiana en la superficie posterior permite un reciclaje eficiente de fotones entre el fósforo y la celda para una corriente completa de un dispositivo solar y un funcionamiento de alta eficiencia del dispositivo. Cuando se produce un eclipse, los estados de trampa temporal del fósforo de descargan, generando energía en la oscuridad.
Como se señaló anteriormente, la presente invención elimina la necesidad de un cubreobjetos a pesar de la tolerancia intrínseca a la radiación del diseño ultradelgado, lo que también permite una potencia específica sin precedentes y factores de forma de satélite verdaderamente flexibles. El uso de una celda ultradelgada también permite la generación de energía eclipsada a través de un fósforo en la superficie posterior, lo que no sería posible en un dispositivo grueso tradicional.
Alternativas
Celdas de InP: En la mayoría de los casos, el GaAs será el material más adecuado para el absorbedor fotovoltaico porque la unión p-n GaAs/InGaP tiene una velocidad de recombinación de superficie muy baja, lo que es deseable para el diseño ultradelgado. Sin embargo, el InP es más tolerante a la radiación que el GaAs, por lo que puede ser más adecuado en algunas aplicaciones.
Celdas basadas en Si: mientras que los dispositivos fotovoltaicos basados en materiales III-V se usan generalmente para aplicaciones de energía espacial debido a la alta eficiencia que se puede lograr, el Si delgado tiene ventajas de costo y, por lo tanto, podría ser adecuado para ciertas aplicaciones de áreas grandes.
Dispersión de luz de estructura fotónica: como alternativa a una superficie trasera rugosa de dispersión lambertiana, se podría emplear una estructura fotónica para acoplar la luz en modos ópticos de propagación lateral. La dispersión lambertiana se eligió como el mejor modo porque se puede procesar de manera fácil y económica, sin embargo, los autores previos han demostrado que las estructuras fotónicas pueden proporcionar una mejora de la absorción muy por encima del límite termodinámico para la dispersión lambertiana, lo que las convierte en una alternativa prometedora para esta invención.
El sistema de energía fotovoltaica ultradelgado descrito permite nuevos factores de forma de satélite con costos de lanzamiento reducidos y alta resistencia. La tecnología puede permitir perfiles de misión extendidos en entornos hostiles de alta radiación.
Aunque se han descrito e ilustrado modalidades, aspectos y características particulares, un experto en la técnica apreciaría fácilmente que la invención descrita en este documento no se limita solo a esas modalidades, aspectos y características, sino que también contempla todas y cada una de las modificaciones y modalidades alternativas que están dentro del alcance de la invención subyacente descrita y reivindicada en este documento. La presente solicitud contempla todas y cada una de las modificaciones dentro del alcance de la invención subyacente descrita y reivindicada en este documento, y se considera que todas estas modificaciones y modalidades alternativas están dentro del alcance de la presente descripción.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Dispositivo fotovoltaico (PV) ultradelgado y tolerante a la radiación, que comprende:
    un elemento fotovoltaico (301) que comprende un absorbedor fotovoltaico ultradelgado (302) montado en un mango (305) incrustado con un fósforo persistente;
    en donde el elemento fotovoltaico (301) convierte la energía de los fotones absorbidos por el absorbedor fotovoltaico (302) en energía eléctrica;
    en donde el absorbedor fotovoltaico ultradelgado (302) tiene un grosor configurado para evitar que el absorbedor fotovoltaico (302) absorba inicialmente todos los fotones incidentes en el dispositivo fotovoltaico durante los momentos en que el dispositivo fotovoltaico está siendo iluminado por el sol; en donde el fósforo en el mango (305) está configurado para absorber una pluralidad de fotones no absorbidos inicialmente por el absorbedor fotovoltaico (302) y descargar los fotones absorbidos de vuelta al absorbedor fotovoltaico (302); y
    en donde el elemento fotovoltaico (301) utiliza los fotones de fósforo descargados en el absorbedor fotovoltaico (302) para generar energía eléctrica en momentos en que el dispositivo fotovoltaico no está siendo iluminado por el sol, caracterizado porque el absorbedor fotovoltaico (302) comprende uno de: a) un material semiconductor III-V con un grosor de 300 nm o menos, o
    b) silicio (Si) con un grosor de 2 pm o menos; y
    el elemento fotovoltaico (301) comprende además una pluralidad de contactos superiores (303a/b/c) e inferiores (304/a/b/c) interdigitados en una superficie frontal del elemento fotovoltaico (301).
  2. 2. El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el absorbedor fotovoltaico (302) comprende GaAs.
  3. 3. El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el absorbedor fotovoltaico (302) comprende InP.
  4. 4. El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde una superficie posterior del mango incrustado en fósforo (305) está texturizada para proporcionar un reflector configurado para reflejar una pluralidad de fotones incidentes en el fósforo de vuelta al elemento fotovoltaico (301) para su uso en la generación de corriente durante los momentos en que el dispositivo fotovoltaico está siendo iluminado por el sol.
  5. 5. El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la superficie posterior texturizada del mango incrustado en fósforo (305) comprende un reflector lambertiano (306).
  6. 6. El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la superficie posterior texturizada del mango incrustado en fósforo (305) comprende un reflector lambertiano (306) que tiene una rugosidad rms de 0,1-1 pm.
  7. 7. El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la superficie posterior del mango incrustado en fósforo (305) comprende una estructura fotónica de dispersión de luz.
  8. 8. El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el absorbedor fotovoltaico (302) incluye sitios de defectos como resultado de la exposición a la radiación solar; y
    en donde el grosor del absorbedor fotovoltaico (302) está configurado para evitar que los portadores de carga fotogenerados en el elemento fotovoltaico (301) se recombinen en los sitios de defectos y provoquen la degradación de la corriente fotogenerada antes de que los portadores de carga se transporten a los contactos superiores (303a/b/c) e inferiores (304a/b/c).
  9. 9. El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el mango (305) comprende una película flexible.
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