ES2907221T3 - Células fotovoltaicas transparentes - Google Patents
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Abstract
Una célula fotovoltaica transparente (20), que comprende: un sustrato transparente (21); un ánodo transparente (22) que reviste el sustrato transparente (21); un primer material activo transparente (23) que reviste el ánodo transparente (22), teniendo el primer material activo transparente (23) un pico de absorción a una longitud de onda superior a 650 nanómetros; un segundo material activo transparente (24) que reviste el ánodo transparente (22), teniendo el segundo material activo transparente (24) un pico de absorción a una longitud de onda fuera del espectro de luz visible; un cátodo transparente (25) que reviste el sustrato transparente (21), el ánodo transparente (22) y el primer y segundo material activo transparente (23, 24); en la que el primer material activo transparente y el segundo material activo transparente están situados entre el ánodo transparente y el cátodo transparente; y un espejo multicapa visiblemente transparente (62) que reviste el cátodo (25), configurado para reflejar en longitudes de onda cercanas al infrarrojo; en la que la transparencia es un promedio de transparencia visible de un haz recto del 45% o más.
Description
DESCRIPCIÓN
Células fotovoltaicas transparentes
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Esta invención se refiere al campo de los dispositivos fotovoltaicos y, más en particular, a los dispositivos fotovoltaicos orgánicos.
ANTECEDENTES
La superficie necesaria para aprovechar la energía solar sigue siendo un obstáculo para compensar una parte importante del consumo de energía no renovable. Por esta razón, son deseables dispositivos fotovoltaicos orgánicos (OPV) transparentes y de bajo costo que puedan integrarse en los cristales de las ventanas de las casas, los rascacielos y los automóviles. Por ejemplo, los cristales de las ventanas utilizadas en los automóviles y en la arquitectura típicamente son transmisivos en un 70-80% y en un 55-90%, respectivamente, al espectro visible, por ej., a la luz con longitudes de onda de aproximadamente 450 a 650 nanómetros (nm). La flexibilidad mecánica limitada, el costo elevado de los módulos y, sobre todo, la absorción en banda de los semiconductores inorgánicos limitan su posible utilidad para las células solares transparentes. Por el contrario, el carácter excitónico de los semiconductores orgánicos y moleculares da lugar a espectros de absorción muy estructurados con mínimos y máximos de absorción que se diferencian exclusivamente de la banda de absorción de sus homólogos inorgánicos. Los esfuerzos anteriores para construir dispositivos semitransparentes se han centrado en el uso de finas capas activas (o agujeros físicos) con absorción centrada en el espectro visible y, por lo tanto, se han limitado a bajas eficiencias < 1% o a una baja transmisividad promedio visible (AVT) a la luz en torno al 10-35%, ya que ambos parámetros no pueden optimizarse simultáneamente.
El siguiente documento referenciado desvela una célula fotovoltaica. BAILEY-SALZMAN RHONDA ET AL: "Nearinfrared sensitive small molecule organic photovoltaic cells based on chloroaluminum phthalocyanine", § APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, vol. 91, no. 1, 5 July 2007 (2007-07-05), pages 13508-13508, XP012098993, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.2752992.
El siguiente documento referenciado desvela una célula fotovoltaica. CHI-FENG LIN, MI ZHANG, SHUN-WEI LIU, TIEN-LUNG CHIU AND JIUN-HAW LEE: "High Photoelectric Conversion Efficiency of Metal Phthalocyanine / Fullerene Heterojunction Photovoltaic Device", INT. J. MOL. SCI., vol. 12, 17 January 2011 (2011-01-17), pages 476-505, XP002675896.
El siguiente documento referenciado desvela una célula fotovoltaica. LI NING ET AL: "Tilted bulk heterojunction organic photovoltaic cells grown by oblique angle deposition", APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, vol. 95, no. 12, 25 September 2009 (2009-09-25), pages 123309 123309, XP012122205, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.3236838
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Una célula fotovoltaica transparente y un procedimiento de fabricación de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 12, respectivamente.
El primer material activo puede tener un segundo pico de absorción a una longitud de onda inferior a aproximadamente 450 nanómetros.
El primer material activo puede ser un donante y el segundo material activo puede ser un aceptor. El dispositivo incluye un espejo que refleja en longitudes de onda cercanas al infrarrojo. El primer material activo puede comprender un material orgánico. El primer material activo puede comprender al menos uno de los siguientes: una ftalocianina, una porfirina o un colorante de naftalocianina. El primer material activo puede comprender ftalocianina de cloroaluminio. La primera capa activa puede comprender ftalocianina de estaño. La segunda capa activa puede comprender al menos una de carbono 60 (C60) o un nanotubo. Los primeros y segundos materiales activos pueden estar configurados para uso con capas de encapsulación flexibles.
La célula fotovoltaica puede incluir una zona de recombinación dispuesta entre una primera y una segunda subcélula, teniendo cada una de las cuales picos de absorción a longitudes de onda fuera del espectro de luz visible, un cátodo transparente y un ánodo transparente.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1(a) muestra un esquema de una célula solar de control;
La Figura 1(b) muestra un esquema de una célula solar totalmente transparente;
La Figura 1(c) es un gráfico que muestra el coeficiente de extinción, k, de las capas activas mostradas en las Figuras 1(a) y 1(b);
La Figura 1(d) es un gráfico que muestra las curvas de corriente-voltaje (J-V ) de las células ClAlPc-C60 de control y transparentes mostradas en las Figuras 1(a) y 1(b);
La Figura 2(a) es un gráfico que muestra que la resistencia en serie disminuye y el factor de llenado (FF) se satura cerca del valor de la célula de control a medida que aumenta el espesor del Óxido de Indio y (ITO); La Figura 2(b) es un gráfico que muestra el aumento de la fotocorriente por un factor de 3x en un espesor óptimo de 120nm de modo que qp aumenta casi en la misma cantidad;
La Figura 3(a) es un gráfico que muestra la eficiencia cuántica externa (EQE) en función de la longitud de onda para varios espesores de ITO y capas de control;
La Figura 3(b) es un gráfico que muestra el % de transmisión como una función de la longitud de onda para varios espesores de ITO y capas de control;
La Figura 3(c) muestra el espectro medido del simulador solar que exhibe las características de la lámpara Xe y la eficiencia cuántica externa (EQE) de mc-Si informada por el NREL para el diodo de referencia utilizado para medir la intensidad del simulador solar;
La Figura 3(d) muestra la reflectividad medida y calculada del reflector de Bragg distribuido utilizado en este estudio como el espejo NIR transparente;
Las Figuras 4a y 4b muestran conjuntos de células solares colocados delante de la imagen de una "rosa" para resaltar la transparencia del dispositivo completamente montado;
La Figura 4c muestra un conjunto de células solares acopladas a un reloj LCD;
Las Figuras 4d y 4e muestran una realización alternativa de un conjunto de células solares colocadas delante de una imagen de una "montaña" para resaltar la transparencia del dispositivo completamente montado; La Figura 4(f) es una imagen de un conjunto de circuito completo con conexiones a un reloj LCD.
La Figura 5(a) es un gráfico que muestra la eficiencia cuántica externa (EQE) en función de la longitud de onda para un dispositivo SnPc;
La Figura 5(b) es un gráfico que muestra el % de transmisión en función de la longitud de onda para un dispositivo SnPc;
La Figura 6(a) es un gráfico que muestra una comparación entre los diseños de SnPc y ClAlPc;
La Figura 6(b) es un gráfico que muestra el efecto del espesor del cátodo ITO;
Las Figuras 6(c) y 6(d) muestran las simulaciones de la matriz de transferencia de la transmisión promedio visible (AVT, columna izquierda) y la corriente de cortocircuito (columna derecha) de la arquitectura OPV transparente en función de los espesores de ITO del ánodo y del cátodo sin espejo NIR;
Las Figuras 6(e) y 6(f) muestran las simulaciones de la matriz de transferencia de la transmisión promedio visible (AVT, columna izquierda) y la corriente de cortocircuito (columna derecha) de la arquitectura OPV transparente en función de los espesores de ITO del ánodo y del cátodo con un espejo NIR;
La Figura 7 es un diagrama de bloques de un dispositivo con una capa mixta que incluye un donante y un aceptor;
La Figura 8 es un diagrama de bloques de un dispositivo en tándem;
Las Figuras 9(a) y 9(b) son gráficos que muestran diferentes bandas prohibidas que pueden utilizarse para optimizar un dispositivo en tándem;
Las Figuras 10(a) y 10(b) son gráficos que muestran los límites de eficiencia práctica de varias de las realizaciones desveladas en la presente memoria;
La Figura 11 es un diagrama que muestra el flujo solar y la respuesta fotópica del ojo humano; y
La Figura 12 es un diagrama que muestra un lector electrónico, un teléfono inteligente y una pantalla de visualización que incluye un conjunto fotovoltaico tal como se describe en la presente memoria.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En la presente memoria se describen diseños mejorados de células solares transparentes, por ejemplo, dispositivos fotovoltaicos orgánicos transparentes (TOPV). El término transparente, tal y como se utiliza en la presente memoria, abarca una transparencia promedio visible de un haz recto del 45% o más. El término semitransparente, tal y como se utiliza en la presente memoria, engloba una transparencia promedio visible de un haz recto de aproximadamente el 10%-45%. En general, los diseños incluyen capas activas moleculares con fuertes características de absorción fuera del espectro de luz visible, por ejemplo, en el espectro solar ultravioleta (UV) y/o infrarrojo cercano (NIR). Los dispositivos pueden incluir revestimientos de contacto antirreflectantes selectivos de alta reflectividad NIR y de banda ancha. Los dispositivos pueden estar formados por células solares de heterounión con una capa activa orgánica, como la ftalocianina de cloroaluminio (ClAlPc) o el SnPc, como donante, y una capa activa molecular, como C60, que actúa como aceptor y tiene un pico de absorción en el espectro solar UV y NIR. Otros materiales adecuados para las capas activas incluyen cualquier colorante adecuado de ftalocianina, porfirina, naftalocinanina, nanotubos de carbono o materiales excitónicos moleculares con picos de absorción fuera del espectro visible. Estos dispositivos pueden estar formados por una estructura en tándem con una o más subcélulas unidas a través de una zona de recombinación. Dichos dispositivos pueden utilizarse en una variedad de aplicaciones que incluyen pantallas de ordenador rígidas y flexibles utilizadas en un monitor de escritorio, un ordenador portátil, una tableta, un teléfono móvil, lectores electrónicos y similares. Otras aplicaciones son los cristales para relojes, el vidrio para automóviles y el vidrio para uso en arquitectura, incluidos los techos solares y el vidrio de privacidad. Los dispositivos fotovoltaicos pueden utilizarse para la generación de energía activa, por ejemplo, para aplicaciones completamente autoalimentadas, y para la carga de baterías (o la prolongación de su vida útil).
El infrarrojo cercano (NIR), tal y como se menciona en la presente memoria, se define como la luz que tiene longitudes de onda en el intervalo de aproximadamente 650 a aproximadamente 850 nanómetros (nm). El ultravioleta (UV), tal y como se menciona en la presente memoria, se define como la luz que tiene una longitud de onda inferior a aproximadamente 450 nm. El uso de una capa activa con absorción en el NIR y el UV permite el uso de revestimientos de espejo de alta reflectividad en el infrarrojo cercano para optimizar el rendimiento del dispositivo, al tiempo que permite una alta transmisión de luz visible a través de todo el dispositivo. La luz visible, tal y como se menciona en la presente memoria, se define como la luz que tiene longitudes de onda a las que el ojo humano tiene una respuesta significativa, de aproximadamente 450 a aproximadamente 650 nm.
En una realización, los dispositivos se fabricaron sobre 150nm de Óxido de Indio y Estaño (ITO) estampado (15 Q/cuadrado) previamente revestido sobre sustratos de vidrio. El ITO es un componente de un electrodo. El ITO se limpió con disolventes y posteriormente se trató con plasma de oxígeno durante 30 segundos inmediatamente antes de cargarlo en una cámara de alto vacío (<1x10-6 Torr, en el quel Torr es igual a 133,32 Pa). ClAlPc y C60 se purificaron una vez por sublimación en tren de vacío antes de la carga. La batocuproína (BCP) y el trióxido de molibdeno (MoO3) se utilizaron tal y como fueron adquiridos. El MoO3 es otro componente de un electrodo. El MoO3 (20nm), el ClAlPc (15nm), el C60 (30nm), el BCP (7,5nm) y un cátodo de Ag de 100nm de espesor se depositaron secuencialmente mediante evaporación térmica a una velocidad de 0,1nm/s. El cátodo superior de ITO para los dispositivos transparentes se pulverizó directamente sobre las capas orgánicas a baja potencia (7-25W) con un flujo de Ar de 10 sccm (6 mTorr) y 0,005-0,03nm/segundo. Los cátodos se evaporaron a través de una máscara de sombra, definiendo un área de dispositivo activo de 1 milímetro (mm) x 1,2 mm. Un reflector de Bragg distribuido en el infrarrojo cercano (DBR) utilizado como espejo NIR transparente se cultivó por separado en cuarzo mediante la pulverización de 7 capas alternas de TiO2 y SiO2 a aproximadamente 0,1nm/segundo con espesores centrados en una longitud de onda de 800nm (banda de parada de 200nm). Los revestimientos antirreflectantes de banda ancha (BBAR) previamente revestidos en sustratos de cuarzo (1 cara) se fijaron a los DBR mediante líquido de adaptación de índices para reducir las reflexiones adicionales de la interfaz vidrio/aire. Los datos de transmisión de los dispositivos ensamblados se obtuvieron en incidencia normal con un espectrofotómetro de doble haz Cary Eclipse 5000 sin muestras de referencia. Las características de densidad de corriente versus voltaje (J-V) se midieron en la oscuridad y bajo iluminación solar AM1,5G simulada sin corrección de desajuste solar (como referencia, el factor de desajuste se estimó en ~1,05) y se recogieron mediciones de eficiencia cuántica externa (EQE) utilizando un detector de Si calibrado por NREL. La modelización de la interferencia óptica se realizó de acuerdo con el procedimiento de L. A. A. Pettersson, L. S. Roman and O. Inganas, Journal of Applied Physics 86, 487 (1999). Las longitudes de difusión de los excitones de ClAlPc y del C60 se estimaron a partir del ajuste de las magnitudes de la fotocorriente y de EQE como 5 ± 3nm y 10 ± 5nm, respectivamente.
La Figura 1(a) muestra un esquema de una célula solar de control 10. La célula solar de control incluye un sustrato 11, un ánodo 12, una capa donante 13, por ejemplo, ClAlPc, una capa activa molecular, por ejemplo, C60, que actúa como capa aceptora 14 y un cátodo 15. En este ejemplo, el ánodo 15 es opaco, por ejemplo, plata. La Figura 1(b) muestra un esquema de una célula solar 20 totalmente transparente. El dispositivo 20 incluye generalmente un sustrato transparente 21, un ánodo 22, una capa donante 23, por ejemplo, ClAlPc, una capa molecular activa, por ejemplo, C60, que actúa como capa aceptora 24, y un cátodo 25. La capa donante 23 y la capa aceptora 24 tienen picos de absorción en el espectro ultravioleta (UV) e infrarrojo cercano (NIR). En este ejemplo, el sustrato es cuarzo. Debe comprenderse que se puede utilizar una variedad de sustratos rígidos y flexibles. Por ejemplo, el sustrato puede ser vidrio, un polímero rígido o flexible, por ejemplo, un protector de pantalla o una piel, o puede combinarse con otras capas, como capas de encapsulación, capas antirreflectantes o similares. En este ejemplo, el ánodo 22 y el cátodo 25
transparentes están formados por un óxido conductor, por ejemplo, ITO/M0O3. Debe comprenderse que el ánodo 22 y el cátodo 25 pueden estar formados por otros materiales como óxidos de estaño, óxidos de estaño fluorados, nanotubos, poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PDOT) o PEDOT:PSS (poli(3,4-etilendioxitiofeno) poli(estirenosulfonato)), óxido de zinc dopado con galio, óxido de zinc dopado con aluminio y otros materiales que tengan una transparencia y conductividad adecuadas. El dispositivo 20 también puede incluir un DBR 26 para el infrarrojo cercano y uno o más revestimientos antirreflectantes de banda ancha (BBAR) 27.
La Figura 1(c) es un gráfico que muestra el coeficiente de extinción, k, de las capas activas mostradas en las Figuras 1(a) y 1(b). La Figura 1(d) es un gráfico que muestra las curvas corriente-voltaje (J-V) de las células ClAlPc-C60 de control y transparentes de las Figuras 1(a) y 1(b) para un intervalo de espesores de ITO. El pico de absorción del ClAlPc se sitúa en el intervalo NIR (~740nm). Esto permite la incorporación de un espejo reflector NIR y la optimización simultánea del rendimiento de la célula solar y la transmisividad visible, como se muestra en las Figuras 1(a) y 1(b). Debe comprenderse que las capas donante y/o aceptora pueden tener uno o más picos de absorción fuera del espectro visual. En este ejemplo, ClAlPc también tiene un segundo pico de absorción en el intervalo UV. En la Tabla 1 se ofrece un resumen de las prestaciones de los distintos dispositivos.
Tabla 1
La Tabla 1 incluye generalmente datos que muestran el rendimiento de los OPV de control con un cátodo de Ag, OPV transparentes con cátodo de ITO, y OPV con cátodo de ITO y espejo NIR, a una iluminación solar de 0,8 corregida para el desajuste del espectro solar. Se indican la corriente de cortocircuito, JSC, la tensión de circuito abierto, VOC, el factor de llenado, f F, la eficiencia de conversión de potencia, np, y la transmisión promedio visible, AVT. El dispositivo de control con un cátodo de Ag grueso presenta una eficiencia de conversión de energía (np) de 1,9±0,2%, un voltaje de circuito abierto (Voc) = 0,80±0,02V, una densidad de corriente de cortocircuito (Jsc) = 4,7±0,3mA/cm2, y un factor de llenado (FF) = 0,55±0,03, que es comparable a los informes anteriores.
Cuando el cátodo de Ag de la célula de control se sustituye por ITO, la corriente de cortocircuito Jsc disminuye significativamente a 1,5±0,1mA/cm2, el FF baja a 0,35±0,02, y el voltaje de circuito abierto Voc disminuye ligeramente a 0,7±0,02V lo que lleva a r¡p = 0,4±0,1%. El FF disminuye debido a un aumento de la resistencia en serie del ITO delgado que es observable en la curva J-V bajo polarización directa en la Figura 1(c). La Figura 2(a) es un gráfico que muestra que la resistencia en serie disminuye y el FF se satura cerca del valor de la célula de control a medida que se aumenta el espesor como ITO. En las Figuras 2(a) y 2(b), las líneas sólidas proceden de simulaciones reales, las líneas discontinuas son simplemente guías para el ojo. El ligero descenso de Voc, independiente del espesor de ITO, se debe probablemente a una ligera reducción del desplazamiento de la función de trabajo cátodo-ánodo. Sin embargo, es notable que cuando se utiliza el ITO como ánodo y cátodo hay suficiente anisotropía de deposición en la función de trabajo para soportar esta gran Voc y es probablemente ayudado por la gran capa de función de trabajo de MoO3.
Jsc disminuye al cambiar el cátodo de Ag a ITO debido a la reducción de las reflexiones del cátodo que reducen la absorción total en todo el espectro en las capas activas. La Figura 2(b) es un gráfico que muestra el aumento de la fotocorriente por un factor de 3x en un espesor óptimo de 120nm de modo que np aumenta casi en la misma cantidad. El ajuste de estos datos con el modelo de interferencia óptica muestra que este comportamiento se debe a la interferencia de la reflexión del cátodo ITO posterior. La Figura 3(a) es un gráfico que muestra EQE en función de la
longitud de onda para varios espesores de ITO y capas de control con y sin espejos reflectores NIR. El intervalo fotópico visible aproximado está resaltado por líneas discontinuas verticales. La Figura 3(b) es un gráfico que muestra el % de transmisión en función de la longitud de onda para varios espesores de ITO y capas de control. En la comparación de EQE y la transmisión de los dispositivos sólo ITO, la absorción para los espesores más delgados y optimizados parece equivalente. Sin embargo, la inspección de las simulaciones muestra que la distribución del campo NIR se desplaza desde el interior del ánodo de ITO hacia la capa activa de ClAlPc a medida que aumenta el espesor del cátodo de ITO, de modo que la transmisión total parece ser la misma aunque la absorción de la capa activa cambie sustancialmente. Esto señala un aspecto importante de las arquitecturas OPV transparentes; a pesar de la configuración óptica aparentemente sencilla, la gestión de las interferencias sigue siendo crucial para la optimización del dispositivo, en particular para las células que absorben el NIR y para los materiales con bajas longitudes de difusión de los excitones.
A pesar del impacto significativo en la fotocorriente, la transmisividad promedio visible (AVT) muestra poca variación con el espesor de ITO (véase, por ejemplo, la Figura 2(a)). El modelo óptico predice una ligera disminución del AVT con los espesores de ITO que no se observa experimentalmente, posiblemente debido a las incertidumbres de los parámetros del modelo o a la variación de las constantes ópticas durante los crecimientos de ITO más gruesos. Las células optimizadas sin el espejo NIR muestran valores de transmisión mínimos (máximos) del 50% (74%) a 450 nm (540 nm) y un AVT del 65% (desviación estándar del 7%). Estos valores de transmisión disminuyen ligeramente con la incorporación del reflector NIR hasta alcanzar valores de transmisión mínimos (máximos) del 47% (68%) a 450 nm (560 nm) y un AVT del 56% (desviación estándar del 5%), siendo esta reducción el resultado de un aumento de los reflejos visibles fuera de resonancia del espejo. Es posible eliminar las oscilaciones de reflexión fuera de resonancia en los espectros visibles diseñando arquitecturas de espejo caliente más complejas para mejorar el AVT más cerca del de la célula sin el espejo NIR, pero esto suele requerir un mayor número de capas. Las arquitecturas de espejo caliente se describen en A. Thelen, Thin Films for Optical Systems 1782, 2 (1993). La alta reflectividad del 99% entre 695-910 nm también hace que estos dispositivos sean útiles para el rechazo simultáneo del NIR en la refrigeración de uso en arquitectura. Además, el uso de los revestimientos b Ba R junto a DBR (outcoupling) y debajo de los sustratos (incoupling), resulta en un aumento concomitante de la eficiencia cuántica en ~2-3% y del a Vt en ~4-6%.
La Figura 3(c) muestra el espectro medido del simulador solar (eje izquierdo) exhibiendo las características de la lámpara Xe y la eficiencia cuántica externa (EQE) de mc-Si informada por el NREL para el diodo de referencia utilizado para medir la intensidad del simulador solar (eje derecho). Debido a que la respuesta del diodo de referencia se extiende significativamente más allá de la respuesta de la célula OPV, la luz NIR adicional del simulador solar (en comparación con el espectro AM1.5G) da lugar a factores de desajuste solar inferiores a 1. La Figura 3(d) muestra la reflectividad medida (eje izquierdo, círculos) y calculada (eje izquierdo, línea sólida) del reflector de Bragg distribuido utilizado en este estudio como espejo NIR transparente. También se muestra el espectro de transmisión (eje derecho) de los revestimientos antirreflectantes de banda ancha (BBAR).
Para resaltar la transparencia del dispositivo completamente ensamblado, las Figuras 4a y 4b muestran conjuntos de células solares frente a la imagen de una "rosa". Tanto el detalle de la imagen como la claridad del color se ven mínimamente alterados, de modo que los detalles del patrón de la matriz del dispositivo son incluso difíciles de discernir. En este ejemplo, el conjunto tiene un cátodo común 25a y una pluralidad de ánodos 22a. El dispositivo también incluye un área activa 30 que incluye las capas donantes, las capas aceptoras y los espejos reflectantes. En este ejemplo particular, se forma un conjunto de 10 dispositivos OPV individuales sobre el sustrato 21a. La Figura 4(c) muestra la matriz conectada para alimentar un reloj LCD. Las Figuras 4(d) y 4(e) muestran una realización alternativa de un conjunto de células solares colocadas delante de una imagen de una "montaña" para resaltar la transparencia del dispositivo completamente montado.
La Figura 4(f) es una imagen de un conjunto de circuito completo (izquierda). Las conexiones eléctricas se realizan a los contactos ITO del dispositivo OPV (disposición) mediante cinta de carbono. El reloj LCD está conectado a unos circuitos (derecha) que limitan la tensión y pasan el exceso de corriente a un pequeño LED, de manera que el reloj funciona en un amplio intervalo de condiciones de iluminación OPV. El reloj LCD requiere aproximadamente 1,5V y 10|jA y puede funcionar con la célula solar para intensidades > 0,05 soles (cabe destacar que bajo la iluminación ambiental < 0,01 sol, el reloj está apagado).
Por la optimización de la estructura OPV transparente con sólo el espesor del cátodo, se obtiene una eficiencia de conversión de energía de 1,0±0,1%, con una transmisión promedio simultánea de 66±3%. La incorporación del reflector NIR y de los revestimientos BBAR con el espesor ITO optimizado (véase la figura 2(a)) mejora la eficiencia de conversión de energía hasta el 1,4±0,1% con una transmisión promedio del 56±2%. Con el espejo NIR, el aumento de la eficiencia de conversión de energía proviene de la fotocorriente NIR adicional en la capa de ClAlPc, en el que EQE muestra una casi duplicación del pico de EQE de ClAlPc del 10% al 18% (véase Figura 3(a)). La eficiencia energética optimizada es casi el triple de la de un dispositivo planar de ftalocianina de cobre semitransparente que absorbe el espectro visible y presenta un 30% más de transmisión promedio, pero es ligeramente menos eficiente (0,75 veces) que las estructuras semitransparentes de heterounión masiva que ganan eficiencia gracias a la absorción de la capa activa en el espectro visible y, por tanto, tienen casi la mitad de transmisión.
Por el cambio de planar a heterounión masiva en estas estructuras, pueden ser posibles eficiencias del 2-3% para este conjunto de materiales con una transmisión visible casi idéntica, lo que se está investigando actualmente. El
apilamiento en tándem de subcélulas con una absorción de la capa activa más profunda en el infrarrojo también podría mejorar estas eficiencias; combinadas con espejos NIR más sofisticados, son posibles eficiencias más allá de varios porcentajes y una transmisión promedio en el visible superior al 70%.
En otra realización, SnPc, por ejemplo, SnPc-C60, puede utilizarse para construir células solares transparentes. Los diseños de células solares basados en SnPc pueden lograr una célula solar con una eficiencia de >2% y una transmisión de luz visible de >70% (transmisión promedio de ~70% en el espectro visible). En este ejemplo se han utilizado las siguientes capas: ITO / SnPc (10nm) / C60 (30nm) / BCP (10nm) / ITO (10nm) / DBR. En este ejemplo, el ITO fue pulverizado directamente. Los reflectores de Bragg distribuidos (DBR) se aplicaron con fluido de coincidencia de índices (IMF). La Figura 5(a) es un gráfico que muestra el EQE en función de la longitud de onda para el dispositivo SnPc. La Figura 5(b) es un gráfico que muestra la transmisividad en función de la longitud de onda para el dispositivo SnPc de TOPV completo. En la Tabla 2 se ofrece un resumen de los distintos rendimientos de los dispositivos:
Tabla 2
El dispositivo puede incluir un espejo NIR (transparente a la luz visible) compuesto de metal/óxido (por ejemplo, TiO2/Ag/TiO2) o de pilas dieléctricas (DBR, por ejemplo, compuestas por SiO2/TiO2). Los revestimientos antirreflectantes pueden estar compuestos por materiales dieléctricos de una o varias capas. Como se ha indicado anteriormente, la capa activa molecular también puede estar compuesta por cualquier colorante adecuado de ftalocianina, porfirina, naftalocianina, nanotubo de carbono o materiales excitónicos moleculares con picos de absorción fuera del espectro visible.
La Figura 6(a) es un gráfico que muestra una comparación entre los diseños de referencia (opacos) de SnPc y ClAlPc. En la Tabla 3 se ofrece un resumen de los distintos rendimientos de los dispositivos:
Tabla 3
La Figura 6(b) es un gráfico que muestra el campo eléctrico y el efecto del espesor del cátodo ITO. El campo óptico calculado, |E|2, del OVP transparente en función de la posición a una longitud de onda fija cercana al pico de absorción de la capa activa de ClAlPc (~740nm) para un espesor de cátodo ITO de 20nm (línea negra) y l20nm (línea roja). Cabe destacar el aumento del campo dentro de la capa de ClAlPc para el espesor optimizado de ITO, en el que la absorción es proporcional a |E|2 integrado sobre la posición. En general, hay una fuerte dependencia del espesor del ITO.
Las Figuras 6(c) y 6(d) muestran las simulaciones de la matriz de transferencia de la transmisión promedio visible (AVT, columna izquierda) y la corriente de cortocircuito (columna derecha) de la arquitectura OPV transparente en función de los espesores de ITO del ánodo y del cátodo sin espejo NIR. Las Figuras 6(e) y 6(f) muestran las simulaciones de la matriz de transferencia de la transmisión promedio visible (AVT, columna izquierda) y la corriente de cortocircuito (columna derecha) de la arquitectura OPV transparente en función de los espesores de iTo del ánodo y del cátodo con un espejo NIR. La línea vertical discontinua indica el espesor del ánodo ITO utilizado en este estudio. La estructura de la capa activa fue Ánodo/MoO3(20nm) / ClAlPc (15nm) / C60 (30nm) / BCP (7,5nm) / Cátodo donde las longitudes de difusión de excitones de ClAlPc y de C60se estimaron a partir del ajuste de las magnitudes de la fotocorriente y EQE de la célula de control como 8±4nm y 15±6nm, respectivamente.
La estructura mostrada en la Figura 1(b) incluye capas discretas para el donante, por ejemplo, ClAlPc o SnPc, y el aceptor, por ejemplo, C60. Debe comprenderse que el donante y el aceptor pueden combinarse en una capa única o mixta, como se muestra generalmente en la Figura 7. En esta realización, el dispositivo 40 puede tener una capa mixta 46 que incluye tanto un donante como un aceptor. La capa mixta tiene generalmente un espesor dmixto como se
muestra. El dispositivo 40 puede incluir opcionalmente una capa donante discreta 48 y/o una capa aceptora 46. La capa donante 48, si está presente, tiene un espesor ddonante como se muestra. La capa aceptora 46, si está presente, tiene un espesor dAceptora como se muestra. Debe comprenderse que la Figura 7 está simplificada por cuestiones de claridad y puede incluir capas adicionales que no se muestran. En este ejemplo, el dispositivo 40 también incluye un cátodo transparente 42 y un ánodo transparente 50. Los espesores de cada capa pueden seleccionarse como se ha indicado anteriormente. Debe comprenderse que dicha estructura también puede incluir otras capas, incluidas las capas antirreflectantes y las capas de espejo, tal y como se describe en las diversas realizaciones de la presente memoria.
Un procedimiento de optimización puede realizarse generalmente de la siguiente manera:
i) Optimizar para doonante, dAceptora (total);
ii) Fijar dDonante, dAceptora (total);
iii) Variar dmixto;
iv)
v)
¿Aceptora ¿Aceptora
(total)
~ ( ¿ mixto
/2);
y
vi) Optimizar la relación (dDonante:dAceptora).
Para los dispositivos que tienen una capa mixta solamente, la optimización puede incluir un ajuste del espesor de la capa mixta (etapa iii) y un ajuste de la relación dDonante:dAceptora(etapa vi).
La Figura 8 es un diagrama de bloques de un dispositivo en tándem 60. El dispositivo 60 generalmente incluye al menos una primera y segunda célula 66, 68. Cada célula puede tener la estructura que se ha descrito anteriormente. Cada una de las primeras y segundas células 66, 68 funcionan con subcélulas transparentes. Cada una puede tener una respuesta espectral NIR variable. Cada una de las primeras y segundas células puede tener picos de absorción en longitudes de onda fuera del espectro de luz visible. Una zona de recombinación 72a está dispuesta entre las primeras y segundas células 66, 68. La zona de recombinación puede estar formada por una variedad de compuestos que incluyen, por ejemplo, ITO(0,5-10nm), o BCP/Ag(0,1-2nm)/ MoOx. Las zonas de recombinación adicionales están dispuestas entre los pares de subcélulas subsiguientes, como se muestra generalmente con el número de referencia 72b. Debe comprenderse que la Figura 8 está simplificada por propósitos de claridad y puede incluir capas adicionales que no se muestran. En este ejemplo, el dispositivo 60 también incluye un cátodo 62 y un ánodo 70. El dispositivo puede incluir opcionalmente un espejo NIR transparente 62. Las Figuras 9(a) y 9(b) son gráficos que muestran diferentes bandas prohibidas asociados a materiales que pueden ser utilizados para optimizar un dispositivo, por ejemplo, el agregado de US J. (Figura 9(a)) y los nanotubos de carbono (Figura 9(b)).
Debe comprenderse que pueden seleccionarse múltiples bandas prohibidas para las capas sucesivas apiladas en un dispositivo en tándem a fin de obtener un dispositivo con la eficiencia deseada. En estos dispositivos, la transparencia general mejora con respecto a los dispositivos fabricados de forma independiente y posintegrados o combinados macroscópicamente. Esto es posible porque un dispositivo de este tipo se beneficia de un índice de refracción muy ajustado en cada interfaz entre las capas sucesivas. La estructura apilada puede ser transparente o semitransparente.
Las Figuras 10(a) y 10(b) son gráficos que muestran los límites de eficiencia práctica de varias de las realizaciones desveladas en la presente memoria. La Figura 11 es un diagrama que muestra el flujo solar y la respuesta fotópica del ojo humano. En general, la respuesta fotópica del ojo humano alcanza su punto máximo en el espectro verde 530-500nm y se reduce por debajo de 450nm y por encima de 650nm.
La Figura 12 es un diagrama que muestra un lector electrónico 80, un teléfono inteligente 82 y una pantalla de visualización 84 que incluye matrices fotovoltaicas 86, 88 y 90 dispuestas en sus respectivas pantallas de visualización. Debe comprenderse que una variedad de dispositivos puede incorporar los dispositivos fotovoltaicos desvelados en la presente memoria y/o conjuntos de tales dispositivos. Otras aplicaciones son los cristales para relojes, el vidrio para automóviles y el vidrio para uso en arquitectura, incluidos los techos solares y el vidrio de privacidad. Los dispositivos fotovoltaicos pueden utilizarse para la generación de energía activa, por ejemplo, para aplicaciones completamente autoalimentadas y para la carga de baterías (o la prolongación de su vida útil).
En conclusión, se han demostrado células solares orgánicas planas transparentes que absorben el infrarrojo cercano con una potencia máxima del 1,4±0,1% y una transmisión promedio visible superior a 55±2%. Esta transmisión promedio visible es suficientemente transparente para su incorporación en el vidrio de uso en arquitectura. El carácter excitónico de los semiconductores orgánicos se aprovecha ventajosamente para producir arquitecturas fotovoltaicas únicas que no son fácilmente accesibles mediante semiconductores inorgánicos. Por el posicionamiento de la absorción de la capa activa selectivamente en el NIR, es posible optimizar la arquitectura utilizando un reflector NIR compuesto por un espejo DBR centrado en 800nm que da como resultado una eficiencia de la célula solar transparente que se aproxima a la de la célula de control no transparente. En última instancia, estos dispositivos proporcionan una guía para lograr células solares de gran eficacia y transparencia que pueden utilizarse en ventanas para generar energía, reducir los costos de refrigeración y recuperar energía en diversas aplicaciones.
Claims (12)
1. Una célula fotovoltaica transparente (20), que comprende:
un sustrato transparente (21);
un ánodo transparente (22) que reviste el sustrato transparente (21); un primer material activo transparente (23) que reviste el ánodo transparente (22), teniendo el primer material activo transparente (23) un pico de absorción a una longitud de onda superior a 650 nanómetros;
un segundo material activo transparente (24) que reviste el ánodo transparente (22), teniendo el segundo material activo transparente (24) un pico de absorción a una longitud de onda fuera del espectro de luz visible; un cátodo transparente (25) que reviste el sustrato transparente (21), el ánodo transparente (22) y el primer y segundo material activo transparente (23, 24); en la que el primer material activo transparente y el segundo material activo transparente están situados entre el ánodo transparente y el cátodo transparente; y un espejo multicapa visiblemente transparente (62) que reviste el cátodo (25), configurado para reflejar en longitudes de onda cercanas al infrarrojo;
en la que la transparencia es un promedio de transparencia visible de un haz recto del 45% o más.
2. La célula fotovoltaica transparente de la reivindicación 1, en la que el primer material activo transparente (23) tiene un segundo pico de absorción a una longitud de onda inferior a 450 nanómetros.
3. La célula fotovoltaica transparente de la reivindicación 1, en la que el primer material activo transparente (23) es un donante y el segundo material activo transparente (24) es un aceptor.
4. La célula fotovoltaica transparente de la reivindicación 1, en la que el primer material activo transparente comprende un material orgánico.
5. La célula fotovoltaica transparente de la reivindicación 1, en la que el primer material activo transparente comprende al menos uno de: una ftalocianina, una porfirina o un colorante de naftalocianina.
6. La célula fotovoltaica transparente de la reivindicación 1, en la que el primer material activo transparente comprende ftalocianina de cloroaluminio.
7. La célula fotovoltaica transparente de la reivindicación 1, en la que la primera capa activa transparente (23) comprende ftalocianina de estaño.
8. La célula fotovoltaica transparente de la reivindicación 1, en la que la segunda capa activa transparente (24) comprende al menos una de carbono 60 (06o) o un nanotubo.
9. La célula fotovoltaica transparente de la reivindicación 1, en la que la célula fotovoltaica (20) se incorpora a una de las pantallas de visualización, al cristal de un reloj, al vidrio de un automóvil o a un vidrio de uso en la arquitectura.
10. Un conjunto fotovoltaico transparente que comprende una pluralidad de células fotovoltaicas interconectadas eléctricamente de acuerdo con la reivindicación 1.
11. La célula fotovoltaica transparente de la reivindicación 1, en la que el sustrato transparente es flexible.
12. Un procedimiento de generación de electricidad, comprendiendo el procedimiento:
proporcionar una célula fotovoltaica transparente (20) que comprende:
un sustrato transparente (21); un ánodo transparente (22) que reviste el sustrato transparente (21); un primer material activo transparente (23) que reviste el ánodo transparente (22), teniendo el primer material activo transparente (23) un pico de absorción a una longitud de onda superior a 650 nanómetros;
un segundo material activo transparente (24) que reviste el ánodo transparente (22), teniendo el segundo material activo transparente (24) un pico de absorción a una longitud de onda fuera del espectro de luz visible;
un cátodo transparente (25) que reviste el sustrato transparente (21), el ánodo transparente (22) y el primer y segundo material activo transparente (23, 24); en la que el primer material activo transparente y el segundo material activo transparente están situados entre el ánodo transparente y el cátodo transparente; y
un espejo multicapa visiblemente transparente (62) que reviste el cátodo, configurado para reflejar en longitudes de onda cercanas al infrarrojo; y
exponer la célula fotovoltaica (20) a una fuente de luz; en la que la transparencia es un promedio de transparencia visible de un haz recto del 45% o más.
Applications Claiming Priority (2)
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