ES2908568T3 - Una célula solar que comprende gránulos de un material semiconductor dopado y un método para fabricar la célula solar - Google Patents
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Abstract
Una célula solar que comprende: - un sustrato (2) aislante poroso, - una primera capa (4) conductora porosa y una segunda capa (6) conductora porosa dispuestas en caras opuestas del sustrato aislante poroso, - una capa fotoabsorbente (8) en contacto eléctrico con la primera capa conductora, y - un electrolito colocado íntegramente a través de las capas conductoras porosas, el sustrato aislante poroso y la capa fotoabsorbente para transferir portadores de carga entre la segunda capa conductora y la capa fotoabsorbente, caracterizada por que la capa fotoabsorbente (8) comprende una pluralidad de gránulos (10) de un material semiconductor dopado y la primera capa (4) conductora porosa comprende partículas conductoras (12) en contacto físico y eléctrico entre sí, y los gránulos (10) están en contacto físico y eléctrico con las partículas conductoras.
Description
DESCRIPCIÓN
Una célula solar que comprende gránulos de un material semiconductor dopado y un método para fabricar la célula solar
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una célula solar, que convierte la luz solar directamente en electricidad, y a un método para producir la misma.
Antecedentes de la invención
Una célula solar es un dispositivo que convierte la luz solar directamente en electricidad. La luz que incide sobre la superficie de la célula solar produce energía eléctrica. Una célula solar tiene una capa fotoabsorbente. Cuando la energía de un fotón es igual o mayor que el hueco de banda del material de una capa fotoabsorbente, el fotón es absorbido por el material y se genera un electrón fotoexcitado. El silicio es el material semiconductor más comúnmente utilizado en las células solares. Las células solares de silicio estándar se elaboran a partir de obleas delgadas de silicio dopado. La superficie anterior se dopa de manera distinta que la base, lo cual crea una unión PN. En condiciones de iluminación, se absorben fotones, creándose un par de electrón-hueco que está separado en la unión PN. En la cara posterior de la célula solar, una placa metálica recolecta el exceso de portadores de carga procedentes de la base, y en la cara anterior, unos hilos metálicos recolecta el exceso de portadores de carga procedentes del emisor. Por lo tanto, las células solares de silicio convencionales tienen un emisor en contacto con la cara anterior. Existe una compensación entre la buena recolección de corriente y la captación de luz utilizando hilos recolectores de corriente en la cara anterior. Mediante el aumento del tamaño de los hilos metálicos, se incrementa la conducción y se mejora la recolección de corriente. Sin embargo, al aumentar el tamaño de los hilos metálicos, queda sombreada una parte más grande del área de captación solar, lo que da lugar a un menor rendimiento de la célula solar.
Una solución conocida para este problema son las células solares de contacto posterior. Las células solares de contacto posterior logran un mayor rendimiento al haberse movido el emisor en contacto con la cara anterior a la cara posterior de la célula solar.
El documento US4357400 describe una célula solar de contacto posterior con partículas de silicio dopado en un electrolito redox. La célula solar incluye un sustrato aislante que tiene dos capas conductoras intercaladas sobre una cara del sustrato. Sobre una de las capas conductoras se colocan partículas semiconductoras discretas de un tipo de conductividad y sobre la otra capa conductora se colocan partículas semiconductoras de un tipo opuesto de conductividad. El conjunto se sumerge en un electrolito redox y se encapsula. El electrolito redox entra en contacto con las partículas, por lo cual se genera un potencial de tensión a través de las dos capas conductoras en respuesta a los fotones que impactan contra las partículas semiconductoras. Las partículas semiconductoras son preferiblemente cuerpos de silicio con forma esférica con un diámetro inferior a 100 micrómetros. Las partículas son monodopadas o partículas con una capa externa de un tipo de dopaje y un cuerpo interno de otro tipo de dopaje. Las capas conductoras son capas delgadas de, por ejemplo, aluminio. Las capas conductoras se metalizan al vacío y se graban sobre un sustrato formando un patrón, por ejemplo, con dedos entrelazados.
Las partículas semiconductoras pueden aplicarse por serigrafía y pegarse a la superficie de los conductores. Las partículas semiconductoras también pueden estar cubiertas por una capa metálica delgada de cobre o níquel y estar fusionadas o galvanizadas a las capas conductoras.
Una desventaja de esta célula solar es que el proceso de fabricación es complicado y lleva mucho tiempo. Por lo tanto, la célula solar es cara de fabricar.
El documento WO 2013/149787 A1 describe una célula solar sensibilizada con colorante que incluye una capa aislante porosa, un electrodo de trabajo que incluye una capa metálica conductora porosa formada encima de la capa aislante porosa, y una capa semiconductora porosa que contiene un colorante adsorbido que está dispuesto sobre la capa metálica conductora porosa para quedar orientado hacia el sol. La capa semiconductora porosa comprende partículas de óxido metálico TiO2 coloreadas por moléculas de colorante fotoabsorbentes que se encuentran sobre la superficie de las partículas de TiO2. La célula solar sensibilizada por colorante incluye además un contraelectrodo que incluye una capa conductora dispuesta sobre una cara opuesta de la capa aislante porosa. Entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo se mete un electrolito. Una ventaja de esta célula solar es que es fácil y rápida de fabricar y, por consiguiente, es rentable de fabricar. Una desventaja de este tipo de célula solar en comparación con una célula solar de silicio es que su rendimiento máximo es menor debido al hecho de que las moléculas de colorante tienen menos capacidad de absorción de la luz que el silicio.
El documento EP-2224 534 A1 describe una célula solar con un sustrato aislante poroso, una primera capa conductora porosa y una segunda capa conductora porosa dispuesta en caras opuestas del sustrato aislante poroso, una capa fotoabsorbente en contacto eléctrico con la primera capa conductora, y un electrolito colocado íntegramente a través de las capas conductoras porosas, el sustrato aislante poroso y la capa fotoabsorbente
para transferir portadores de carga entre la segunda capa conductora y la capa fotoabsorbente, en donde la capa fotoabsorbente comprende una pluralidad de gránulos de un material semiconductor.
JIN-WOOK LEE ET AL: “ Quantum-Dot-Sensitized Solar Cell with Unprecedentedly High Photocurrent SCIENTIFIC REPORTS, vol. 3, 10 de enero de 2013 (2013-01-10), páginas 1-8 describe una célula solar que implica PbS, dopado con HG. El rendimiento de conversión de las DSSC sensibilizadas con PbS mejora fuertemente.
En un desarrollo adicional de las células solares sensibilizadas con colorante, el rendimiento de las células se ha incrementado gracias al uso de perovskitas como sustituto de la capa de TiO2 impregnada con colorante. En el documento WO2014184379 se describe una célula solar que tiene una capa absorbente de luz de perovskita dispuesta directamente sobre una superficie conductora porosa. La célula solar comprende además una segunda capa conductora y una tercera red conductora formada parcialmente en la capa aislante entre las capas conductoras. Se describe otras soluciones que contienen una capa absorbente de luz de perovskita en el documento WO2013171520, donde se aplica una capa porosa de perovskita sobre una capa de TiO2 compacta y se infiltra con un material de transporte de carga, tal como un electrolito líquido. Un ánodo de FTO y un cátodo de plata colocados en caras opuestas de la capa de perovskita fotoabsorbente actúan como capas conductoras. Sin embargo, la perovskita tiene varias desventajas, por ejemplo, es costosa, inestable y peligrosa para el medio ambiente.
Objeto y sumario de la invención
Un objeto de la presente invención es solucionar, al menos de manera parcial, los problemas mencionados anteriormente y proporcionar una célula solar mejorada.
Este objeto se consigue mediante una célula solar tal como la definida en la reivindicación 1.
La célula solar comprende un sustrato aislante poroso, una primera capa conductora porosa y una segunda capa conductora porosa dispuesta sobre caras opuestas del sustrato aislante poroso, una capa fotoabsorbente que comprende una pluralidad de gránulos de un material semiconductor dopado en contacto eléctrico con la primera capa conductora, un electrolito colocado íntegramente a través de las capas conductoras porosas, el sustrato aislante poroso y la capa fotoabsorbente para transferir portadores de carga entre la segunda capa conductora y la capa fotoabsorbente.
La célula solar según la invención es fácil de fabricar y puede elaborarse con materiales de bajo coste. En consecuencia, esta célula solar es más económica que las células solares de la técnica anterior. Puede utilizarse un material respetuoso con el medio ambiente y estable con un rendimiento de conversión alto, tal como el silicio, como los gránulos de la capa fotoabsorbente. El dispositivo fotovoltaico según la invención puede hacerse delgado y flexible.
Los gránulos de la capa fotoabsorbente tienen una parte superior orientada hacia la luz incidente y una parte inferior. Los gránulos estarán en contacto eléctrico con la primera capa conductora porosa. La parte inferior de los gránulos puede estar en contacto físico con la primera capa conductora porosa y puede sobresalir hacia la primera capa conductora porosa.
Se desea tener un buen contacto eléctrico entre los gránulos y la primera capa conductora porosa. La primera y segunda capas conductoras y el sustrato aislante tienen que ser porosos para permitir el transporte iónico a través de las capas conductoras y el sustrato por medio del electrolito. Sin embargo, debido a la porosidad de la primera capa conductora, puede ser difícil unir los gránulos a la capa conductora y proporcionar suficiente contacto eléctrico entre los gránulos y la capa conductora porosa.
Según una realización de la invención, los gránulos de la capa fotoabsorbente tienen una parte superior orientada hacia la luz incidente y una parte inferior que sobresale hacia la primera capa conductora porosa. Las áreas de las superficies de contacto entre los gránulos y la capa conductora porosa aumentan debido al hecho de que las partes inferiores de los gránulos se proyectan al interior de la capa conductora porosa. Al aumentar el área de contacto, se facilita la unión entre los gránulos y la capa conductora porosa. La mayor área de contacto también da lugar a un mejor contacto eléctrico entre los gránulos y la capa conductora. Por ejemplo, los gránulos se unen a la capa conductora porosa por sinterización.
Según una realización de la invención, varios de los gránulos de material semiconductor dopado están en contacto físico y eléctrico con la primera capa conductora.
Según una realización de la invención, los gránulos están elaborados con Si. El silicio es un material adecuado para su uso en células solares, ya que este es barato, respetuoso con el medio ambiente, estable y tiene una gran capacidad para absorber luz, lo que deriva en un elevado rendimiento de la capa fotoabsorbente.
Según una realización de la invención, la primera capa conductora porosa comprende titanio (Ti) o una aleación de titanio. Preferiblemente, al menos una parte principal de la primera capa conductora está elaborada con titanio
o con una aleación de titanio. De forma conveniente, la segunda capa conductora porosa también comprende titanio o una aleación de titanio. Preferiblemente, al menos una parte principal de la segunda capa conductora está elaborada con titanio o con una aleación de titanio. El titanio es un material adecuado para utilizarlo en la capa conductora debido a su capacidad de soportar la corrosión del electrolito.
Según una realización de la invención, los gránulos están elaborados con silicio, la primera capa conductora comprende titanio y los límites entre los gránulos y la primera capa conductora comprenden siliciuro de titanio. Con “ los límites entre los gránulos y la primera capa conductora” se entienden las zonas de contacto físico entre los gránulos y la capa conductora. Preferiblemente, las zonas de contacto físico entre los gránulos y la capa conductora consisten en siliciuro de titanio. El siliciuro de titanio tiene buenas propiedades de conducción eléctrica. El contacto eléctrico entre los gránulos y la capa conductora mejora debido al hecho de que los límites entre los gránulos y la primera capa conductora comprenden siliciuro de titanio. Por lo tanto, aumenta el rendimiento de la célula solar. Durante la fabricación de la célula solar se forma siliciuro de titanio en los límites entre los gránulos y la primera capa conductora. Pueden existir varias variantes del siliciuro de titanio, por ejemplo, TiSi2, TiSi, TisSi4, TisSi3 y Ti3Si.
Según una realización de la invención, los límites entre los gránulos y la primera capa conductora comprenden TiSi2. El TiSi2 existe en dos variaciones C49- TiSi2 y C54- TiSi2.
Según una realización de la invención, el electrolito es un electrolito líquido.
Según una realización de la invención, los gránulos de material semiconductor dopado están monodopados. Convenientemente, los gránulos están elaborados con silicio monodopado. Con un gránulo monodopado se entiende que todo el gránulo tiene el mismo tipo de dopaje. Por ejemplo, un gránulo monodopado puede ser de tipo P o de tipo N, pero no parcialmente de tipo N y parcialmente de tipo P. Es fácil producir gránulos monodopados y el precio es bajo. Según una realización de la invención, la primera capa conductora porosa comprende partículas conductoras y los gránulos se unen a las partículas conductoras. Las partículas conductoras están en contacto físico y eléctrico entre sí. Convenientemente, los gránulos están elaborados con silicio, las partículas conductoras comprenden titanio, y los límites entre las partículas y los gránulos comprenden siliciuro de titanio. Por lo tanto, se mejora el contacto eléctrico entre los gránulos y las partículas.
Según una realización de la invención, al menos una parte de las superficies de las partículas conductoras está cubierta con óxido. Las partes de las superficies de las partículas conductoras que no están en contacto con los gránulos quedan cubiertas con óxido. El óxido proporciona una capa protectora y aislante de la electricidad sobre la partícula, lo que impide que los electrones o los huecos se transfieran entre la capa conductora y el electrolito, e impide de ese modo que se produzca un cortocircuito entre la capa conductora y el electrolito.
Según una realización de la invención, al menos una parte de las superficies de las partículas conductoras están cubiertas con TiO2. Convenientemente, las partículas conductoras comprenden titanio, y las partes de las superficies de las partículas conductoras que no están en contacto con los gránulos están cubiertas con óxido de titanio. El óxido de titanio proporciona una capa de óxido protectora sobre las partículas de titanio, lo que impide que se produzca un cortocircuito entre la capa conductora y el electrolito.
Preferiblemente, los gránulos semiconductores tienen un tamaño inferior a 100 pm.
El objeto de la invención también se consigue proporcionando un método para producir la célula solar según la invención, como se define en la reivindicación 12.
El método comprende:
- formar sobre una cara de un sustrato aislante poroso una primera capa conductora porosa,
- formar sobre una cara opuesta del sustrato aislante poroso una segunda capa conductora porosa,
- recubrir la primera capa conductora porosa con una capa de gránulos elaborados con un material semiconductor dopado,
- un primer tratamiento térmico de la célula solar en un entorno no oxidante o al vacío para unir los gránulos a la primera capa conductora porosa, y
- un segundo tratamiento térmico de la célula solar en un entorno oxidante hasta que las superficies de las capas conductoras porosas se han oxidado.
El primer tratamiento térmico en un entorno no oxidante provoca la unión entre los gránulos y la primera capa conductora porosa, y el segundo tratamiento térmico provoca la formación de una capa de óxido aislante de la
electricidad sobre las superficies de las capas conductoras porosas y, por lo tanto, evita el cortocircuito entre el electrolito y las capas conductoras. Durante el segundo tratamiento térmico, se oxidan las superficies de la primera capa conductora porosa, que no están en contacto con los gránulos, o en contacto con las otras partículas en la en la capa conductora.
La capa fotoabsorbente puede, por ejemplo, fabricarse mediante la deposición de una tinta que comprende los gránulos dopados sobre la superficie de la primera capa conductora. La tinta puede depositarse formando cualquier patrón adecuado sobre la superficie. Por ejemplo, la primera capa conductora porosa puede fabricarse depositando una tinta que comprenda partículas conductoras sobre una cara de la primera capa conductora porosa. La segunda capa conductora porosa puede fabricarse, por ejemplo, depositando una tinta que comprenda partículas conductoras sobre una cara opuesta del sustrato aislante poroso.
Según una realización de la invención, la primera capa conductora porosa comprende partículas conductoras, y el primer tratamiento térmico se lleva a cabo hasta que los gránulos se hayan sinterizado en las partículas de la primera capa conductora porosa, y el segundo tratamiento térmico se lleva a cabo hasta que las partes de las superficies de las partículas conductoras, partes que no están en contacto con los gránulos o en contacto con las otras partículas en la capa conductora, se hayan oxidado. Convenientemente, las partículas conductoras de la primera capa conductora comprenden titanio y el segundo tratamiento térmico provoca la formación de TiO2.
Según una realización de la invención, los gránulos están elaborados con silicio y la primera capa conductora comprende titanio. El primer tratamiento térmico en un entorno no oxidante o al vacío provoca la formación de siliciuro de titanio en los límites entre los gránulos y la primera capa conductora. El segundo tratamiento térmico en un entorno oxidante provoca la formación de TiO2 sobre las superficies de las partículas conductoras de las capas conductoras porosas. La formación de siliciuro de titanio entre los gránulos y las partículas de la primera capa conductora mejora el contacto eléctrico entre los gránulos de silicio y las partículas de la primera capa conductora. La formación de TiO2 sobre las partículas conductoras logra una capa eléctricamente aislante sobre las partículas de la primera capa conductora y, por lo tanto, evita el cortocircuito entre el electrolito y las partículas conductoras.
Según una realización de la invención, la célula solar se trata térmicamente al vacío a una temperatura superior a 550 0C durante al menos dos horas. La duración del tratamiento térmico depende de la temperatura. Cuanto más alta sea la temperatura, menor será el tiempo.
Según una realización de la invención, el método comprende aplicar una presión sobre la capa de gránulos para que partes de los gránulos se proyecten hacia la primera capa conductora porosa. Este paso debe llevarse a cabo antes del primer y segundo pasos de tratamiento térmico. Mediante la aplicación de una fuerza de presión sobre la capa de gránulos en una dirección hacia la primera capa conductora, los gránulos son parcialmente empujados hacia la primera capa conductora porosa y, de esta manera, aumentan las áreas de contacto entre los gránulos y las partículas, lo que facilita la unión de los gránulos a la capa conductora porosa y mejora la conductividad eléctrica entre los gránulos y la capa conductora porosa.
Según una realización de la invención, el paso de recubrir la primera capa conductora porosa con una capa de gránulos elaborados con material semiconductor dopado comprende depositar una tinta que comprende los gránulos dopados sobre una superficie de la primera capa conductora porosa.
Según una realización de la invención, el paso en el que se forma una primera capa conductora porosa comprende depositar una tinta que comprende partículas conductoras sobre una cara de la primera capa conductora porosa, y el paso en el que se forma una segunda capa conductora porosa comprende depositar una tinta que comprende partículas conductoras sobre una cara opuesta del sustrato aislante poroso.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se explicará más detalladamente la invención mediante la descripción de diferentes realizaciones de la misma haciendo referencia a las figuras adjuntas.
La Fig. 1 muestra un ejemplo de una célula solar según la invención.
La Fig. 2 muestra una parte ampliada de una capa fotoabsorbente y una primera capa conductora de un ejemplo de una célula solar según la invención.
La Fig. 3 muestra un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un método para fabricar una célula solar según la invención.
Descripción detallada de realizaciones preferidas de la invención
La Figura 1 muestra un ejemplo de una célula solar 1 según la invención. La célula solar 1 comprende un sustrato 2 aislante poroso, una primera capa 4 conductora porosa dispuesta sobre una cara del sustrato aislante 2, una segunda capa conductora 6 dispuesta sobre la cara opuesta del sustrato aislante 2, y una capa fotoabsorbente 8 dispuesta sobre la primera capa conductora 4 y en contacto eléctrico con la primera capa conductora 4. La capa fotoabsorbente 8 comprende una pluralidad de gránulos 10 de un material semiconductor dopado. La capa fotoabsorbente 8 está colocada sobre una cara superior de la célula solar. La cara superior debe estar orientada hacia el sol para permitir que la luz solar incida contra los gránulos 10 y genere electrones fotoexcitados. La primera capa conductora porosa 4 sirve como un contacto posterior que extrae electrones fotogenerados de la capa fotoabsorbente 8. La segunda capa conductora puede comprender un catalizador.
La célula solar comprende además un electrolito para transferir cargas desde la capa fotoabsorbente 8 a la segunda capa 6 conductora porosa. En esta realización, el electrolito es un electrolito líquido. El electrolito líquido es, por ejemplo, un electrolito redox capaz de transferir cargas, es decir, electrones o huecos hacia o desde los gránulos semiconductores. El electrolito redox también es capaz de transferir cargas hacia o desde la segunda capa conductora. Entre los ejemplos de electrolitos se incluyen el par redox IV^- o compuestos de ferroceno que contienen electrolitos, no obstante, también pueden usarse otros electrolitos. La porosidad del sustrato aislante 2 permitirá el transporte iónico a través del sustrato aislante. La porosidad de la primera y segunda capas conductoras 4, 6 permitirá el transporte iónico a través de las capas conductoras. Por ejemplo, el sustrato con las capas aplicadas se sumerge en un electrolito líquido y se encapsula. El electrolito líquido se introduce en los poros de la primera y segunda capas 4, 6 conductoras porosas en los poros del sustrato 2 aislante poroso y en el espacio entre los gránulos 10 de la capa fotoabsorbente 6. La célula solar también comprende una carcasa u otro medio para encerrar la célula solar y evitar la fuga del electrolito. La primera y segunda capas conductoras 4, 6 están separadas física y eléctricamente por el sustrato aislante 2 y, por lo tanto, las capas conductoras 4, 6 no están en contacto físico o eléctrico directo. Sin embargo, las capas conductoras 4, 6 están conectadas eléctricamente mediante iones electrolíticos que penetran en el sustrato aislante poroso.
Preferiblemente, los gránulos están elaborados con silicio dopado. El silicio tiene varias ventajas. Por ejemplo, es barato, químicamente estable y tiene un rendimiento bastante importante debido a su gran capacidad para absorber la luz. Preferiblemente, los gránulos están elaborados con silicio monodopado, tal como silicio dopado con P o silicio dopado con N. El dopaje es una técnica usada para modificar el número de electrones y huecos en semiconductores. El dopaje tipo N aumenta la conductividad de un semiconductor aumentando el número de electrones disponibles. El dopaje tipo P aumenta la conductividad aumentando el número de huecos. Convenientemente, el sustrato aislante poroso es un sustrato a base de microfibra, tal como una microfibra de vidrio o una microfibra cerámica. Por ejemplo, el sustrato poroso se basa en un textil de vidrio combinado con papel de vidrio. Esto permite proporcionar un sustrato delgado y fuerte. Los materiales que forman las capas 4, 6 conductoras porosas deben tener una resistencia a la corrosión adecuada como para soportar el electrolito. Convenientemente, las capas conductoras porosas están elaboradas con titanio, o aleaciones de titanio, o mezclas de las mismas. Más preferiblemente, las capas conductoras porosas están elaboradas con titanio o una aleación de titanio o mezclas de las mismas. Las capas 4, 6 conductoras porosas se forman, por ejemplo, mediante deposición de un depósito que comprende partículas de hidruro metálico sobre el sustrato 2 aislante poroso, y tratando el depósito, de modo que las partículas de hidruro metálico sólido se transformen en metal y se sintericen las partículas metálicas para formar una capa conductora porosa. El depósito de un polvo de hidruro metálico, por ejemplo, un polvo de hidruro de titanio, puede imprimirse de forma ventajosa sobre el sustrato aislante poroso.
La célula solar 1 también incluye una primera hoja 14 que cubre una cara superior de la célula solar y una segunda hoja 16 que cubre una cara inferior de la célula solar y que actúan como barreras líquidas para el electrolito. La primera hoja 14 sobre la cara superior de la célula solar debe ser transparente, permitiendo que pase la luz a su través. Las hojas 14, 16 están elaboradas, por ejemplo, con un material polimérico. Las primera y segunda capas conductoras 4, 6 están provistas de contactos 18, 19 para su conexión a un circuito externo. La primera y segunda capas conductoras se conectan entre sí a través del circuito externo. De esta manera, se forma un circuito eléctrico donde un tipo de portador de carga, es decir, electrones o huecos, se transportan desde la primera capa 4 conductora hasta la segunda capa conductora 6 a través del circuito externo, y el otro tipo de portador de carga, es decir, electrones o huecos, se transportan desde la primera capa conductora 4 hasta la segunda capa conductora 6 a través del electrolito.
La Figura 2 muestra una parte ampliada de un ejemplo de la capa fotoabsorbente 8 y de la primera capa 4 conductora porosa. En esta realización, la primera capa 4 conductora porosa comprende una pluralidad de partículas conductoras 12 elaboradas con un material conductor. Las partículas conductoras 12 de la primera capa conductora están en contacto físico y eléctrico entre sí. Los gránulos 10 están en contacto físico y eléctrico con algunas de las partículas conductoras 12 de la primera capa conductora 4. La mayoría de los gránulos 10 de la capa fotoabsorbente 8 sobresalen hacia la primera capa conductora 4 para proporcionar una superficie de contacto mayor entre los gránulos 10 y la primera capa conductora 4. La mayoría de los gránulos 10 tienen una parte superior 20 orientada hacia fuera desde la célula solar y una parte inferior 22 que sobresale hacia la primera capa conductora porosa. La parte superior 20 de los gránulos 10 se disponen por encima de la primera capa conductora 4 y la parte inferior 22 penetra en la primera capa conductora.
Preferiblemente, los gránulos 10 tienen un tamaño inferior a 100 pm para proporcionar un área de contacto suficiente entre los gránulos y la primera capa conductora 4. Preferiblemente, los gránulos 10 están elaborados con silicio (Si) y las partículas 12 son de titanio (Ti), o al menos comprenden parcialmente titanio, y los límites 24 entre los gránulos 10 y las partículas 12 comprenden una capa de siliciuro de titanio, que proporciona un buen contacto eléctrico entre el Si y el Ti.
A continuación, se describirá un método para fabricar una célula solar según la invención. La Figura 3 muestra un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de un método para fabricar una célula solar según la invención.
Paso 1: Formar una primera capa conductora porosa sobre una cara de un sustrato aislante poroso, bloque 30. Esto se hace, por ejemplo, por impresión con una tinta que incluya partículas conductoras sobre una cara del sustrato aislante poroso. El sustrato aislante poroso es, por ejemplo, un sustrato poroso basado en microfibras de vidrio.
Por ejemplo, se prepara una primera tinta mezclando TiH2 con terpineol. A continuación, la tinta se muele con un molino de bolas durante 25 minutos a 6000 RPM utilizando bolas de circona de 0,3 mm. Las bolas de circona se separan de la tinta mediante filtración. La tinta comprende partículas de TiH2 con un diámetro que es inferior a 2 micrómetros. Posteriormente, la primera tinta se imprime sobre un sustrato poroso y de 15 pm de grueso basado en microfibra de vidrio. Después, la segunda tinta se seca a 200 0C durante 5 minutos. La capa impresa formará una primera capa conductora porosa. Convenientemente, las partículas conductoras son demasiado grandes para poder penetrar a través del sustrato aislante poroso.
Paso 2: Formar una segunda capa conductora porosa sobre una cara opuesta del sustrato aislante poroso, bloque 32. Esto se hace, por ejemplo, por impresión con una tinta que incluya partículas conductoras sobre la cara opuesta del sustrato aislante poroso. Convenientemente, las partículas conductoras son demasiado grandes para poder penetrar a través del sustrato aislante poroso.
Por ejemplo, se prepara una segunda tinta mezclando TiH2 con terpineol. A continuación, la tinta se muele con un molino de bolas durante 25 minutos a 6000 RPM utilizando bolas de circona de 0,3 mm. Las bolas de circona se separan de la tinta mediante filtración. La tinta comprende partículas de TiH2 con un diámetro que es inferior a 2 micrómetros. Después, la tinta filtrada se mezcla con partículas conductoras platinizadas con el fin de elaborar una tinta para depositar la segunda capa conductora. Posteriormente, la segunda tinta se imprime sobre la cara opuesta del sustrato aislante poroso. A continuación, el sustrato impreso se seca a 200 0C durante 5 minutos. La segunda capa impresa formará una primera segunda capa conductora.
Paso 3: Recubrir la primera capa conductora porosa con una capa de gránulos elaborada con un material semiconductor dopado para formar una capa fotoabsorbente, bloque 34. Esto se hace, por ejemplo, mediante impresión con una tinta que incluye un polvo de gránulos de un material semiconductor dopado, tal como silicio dopado, sobre la primera capa conductora. Alternativamente, un polvo de gránulos de un material semiconductor dopado, tal como silicio dopado, se puede pulverizar sobre la primera capa conductora. Entre las técnicas de pulverización adecuadas se encuentran la electropulverización o la pulverización electrostática.
Paso 4: Aplicar una presión sobre la capa de gránulos para que partes de los gránulos se proyecten hacia la primera capa conductora porosa, bloque 36. Por ejemplo, se puede aplicar presión encima de los gránulos utilizando una prensa de membrana o utilizando una prensa de rodillos. El paso 4 es opcional.
Paso 5: Tratar térmicamente la célula solar al vacío hasta que los gránulos se sintericen para formar la primera capa conductora porosa, bloque 38. La capa de gránulos y las capas conductoras porosas se sinterizan al vacío para formar una capa porosa de gránulos sobre la primera capa conductora. Durante la sinterización, los gránulos se unen a las partículas conductoras de la primera capa conductora para lograr un contacto mecánico y eléctrico entre ellos. Preferiblemente, la estructura se trata térmicamente al vacío a una temperatura superior a 550 0C durante al menos dos horas. Por ejemplo, el sustrato impreso se sinteriza al vacío a 585 0C y después se deja enfriar hasta que alcance la temperatura ambiente. La presión durante la sinterización es menor que 0,0001 mbar. Durante el tratamiento térmico al vacío, el silicio de los gránulos y el titanio de las partículas reaccionan y forman siliciuro de titanio en los límites entre los gránulos y las partículas. Por lo tanto, se forman capas de siliciuro de titanio entre los gránulos y las partículas de la primera capa conductora, que mejoran el contacto eléctrico entre los gránulos y las partículas.
Paso 6: Tratar térmicamente la célula solar en presencia de aire hasta que la superficie disponible de la primera capa conductora porosa se haya oxidado, bloque 40. En un siguiente paso, la célula solar se trata térmicamente en presencia de aire para obtener una capa de óxido eléctricamente aislante sobre las partículas conductoras de la primera y segunda capa conductora.
Claims (14)
1. Una célula solar que comprende:
- un sustrato (2) aislante poroso,
- una primera capa (4) conductora porosa y una segunda capa (6) conductora porosa dispuestas en caras opuestas del sustrato aislante poroso,
- una capa fotoabsorbente (8) en contacto eléctrico con la primera capa conductora, y
- un electrolito colocado íntegramente a través de las capas conductoras porosas, el sustrato aislante poroso y la capa fotoabsorbente para transferir portadores de carga entre la segunda capa conductora y la capa fotoabsorbente, caracterizada por que la capa fotoabsorbente (8) comprende una pluralidad de gránulos (10) de un material semiconductor dopado y la primera capa (4) conductora porosa comprende partículas conductoras (12) en contacto físico y eléctrico entre sí, y los gránulos (10) están en contacto físico y eléctrico con las partículas conductoras.
2. Una célula solar según la reivindicación 1 en donde un número de los gránulos (10) de material semiconductor dopado está en contacto físico y eléctrico con la primera capa conductora (4).
3. Una célula solar según las reivindicaciones 1 o 2, en donde los gránulos (10) están elaborados con Si.
4. Una célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera capa (4) conductora porosa comprende titanio o una aleación de titanio.
5. Una célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una zona (24) de contacto físico entre los gránulos (10) y la primera capa (4) conductora porosa consiste en siliciuro de titanio.
6. Una célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los gránulos (10) de material semiconductor dopado están monodopados.
7. Una célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los gránulos (10) de la capa fotoabsorbente (8) tienen un parte superior (20) orientada hacia luz incidente y una parte inferior (22) que sobresale hacia la primera capa (4) conductora porosa.
8. Una célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el electrolito es un electrolito líquido.
9. La célula solar según la reivindicación 1, en donde al menos una parte de las superficies de las partículas conductoras (12) están cubiertas con óxido.
10. La célula solar según la reivindicación 1, en donde al menos una parte de las superficies de las partículas conductoras (12) están cubiertas con TiO2.
11. Un método para fabricar la célula solar según la reivindicación 1, en donde el método comprende:
- formar una primera capa (4) conductora porosa sobre una cara de un sustrato (2) aislante poroso, - formar una segunda capa (6) conductora porosa sobre una cara opuesta del sustrato (2) aislante poroso, caracterizado por que el método comprende además:
- recubrir la primera capa (4) conductora porosa con una capa (8) de gránulos (10) elaborados con un material semiconductor dopado,
- un primer tratamiento térmico de la célula solar en un entorno no oxidante o al vacío para unir los gránulos (10) a la primera capa (4) conductora porosa, y
- un segundo tratamiento térmico de la célula solar en un entorno oxidante para formar una superficie de óxido sobre las capas conductoras porosas.
12. El método según la reivindicación 11, en donde los gránulos (10) están elaborados con silicio dopado y la primera capa conductora (4) comprende titanio, y el primer tratamiento térmico provoca la formación de siliciuro de titanio en zonas (24) de contacto físico entre los gránulos y la primera capa conductora (4), y el segundo tratamiento térmico provoca la formación de TiO2 sobre la primera capa (4) conductora porosa.
13. Un método según la reivindicación 11 o 12, en donde el primer tratamiento térmico se lleva a cabo en una temperatura superior a 550 °C durante al menos dos horas.
14. El método según cualquiera de las reivindicaciones 11-13, en donde el método comprende aplicar una presión sobre la capa (8) de gránulos (10) para que partes de los gránulos se proyecten hacia la primera capa (4) conductora porosa.
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