ITMI20070480A1 - Cella solare a cascata con cella solare basata su silicio amorfo - Google Patents
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Description
“Cella solare a cascata con cella solare basata su silicio amorfo”
DESCRIZIONE
Campo dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce a una cella solare a cascata, e più in particolare a una cella solare a cascata con una cella solare superiore basata su silicio amorfo.
Arte nota
L’uscita di corrente di un dispositivo fotovoltaico è massimizzata aumentando il numero di fotoni totale di differente energìa e lunghezza d'onda che sono assorbiti dal materiale semiconduttore. Lo spettro solare copre all'incirca la regione di lunghezze d'onda da circa 300 nanometri Fino a circa 2200 nanometri, che corrisponde a circa 4,2 eV Fino a circa 0,59 eV, rispettivamente. La parte dello spettro della luce solare che è assorbita dal dispositivo fotovoltaico è determinata dal valore dell'energia di bandgap ottica del materiale semiconduttore. La radiazione solare (luce solare) con energia inferiore all’energia di bandgap ottica non viene assorbita dal materiale semiconduttore e quindi non contribuisce alla generazione di elettricità, corrente, tensione e potenza, del dispositivo fotovoltaico.
Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse celle solari che hanno riscontrato diversi gradi di successo. Le celle solari a singola giunzione sono utili ma spesso non possono ottenere l'efficienza in termini di potenza e conversione delle celle solari multigiunzione. Sfortunatamente, le celle solari multi-giunzione e le celle solari a singola giunzione sono state costruite con diversi materiali in grado di catturare e convertire solo una parte dello spettro di luce solare in elettricità. Le celle solari multi-giunzione sono state prodotte con silicio amorfo e le sue leghe, quali il carbonio silicio amorfo idrogenato e il germanio silicio amorfo idrogenato, con strati (i-layer) intrinsechi ad ampia e bassa bandgap ottica. Le celle solari in silìcio amorfo hanno una tensione a circuito aperto relativamente alta e basse correnti e reagiscono catturando e convertendo in elettricità lunghezze d'onda della luce solare da 400 a 900 nanometri (nm) delio spettro solare.
Tuttavia, la tecnologia delle celle solari basate su silìcio idrogenato amorfo (a-Si:H) è attualmente il candidato principale per le applicazioni fotovoltaiche su grandi superfici e a basso costo. Come utilizzare il silicio amorfo su un dispositivo fotovoltaico rappresenta ancora uno dei problemi da risolvere per lo sviluppo di un dispositivo ad alta efficienza.
Sommario dell' invenzione
Uno scopo della presente invenzione consiste ne! prevedere una cella solare a cascata con una cella solare in silicio amorfo su di una cella solare non basata su silicio. Il o gli strati di silicio amorfo possono assorbire luce incidente con una lunghezza d’onda tra 200 e 600 nm.
Uno degli scopi della presente invenzione consiste nel prevedere una cella solare a cascata con una struttura stratificata di una cella solare basata su silicio amorfo sulla superficie incidente di una cella solare non basata su silicio. La cella solare stratificata in silicio amorfo può essere configurata per uno strato anti-riflettente per via della sua scarsa dipendenza dalla variazione di angolo di incidenza.
Di conseguenza, una forma di realizzazione della presente invenzione è prevista con una struttura a cella solare a cascata con una cella inferiore non basata su silicio e una cella superiore stratificata basata su silicio amorfo, disposta sopra alla cella inferiore non basata su silicio.
Breve descrizione dei disegni
La fig. 1 mostra un diagramma schematico in sezione trasversale illustrante una struttura di cella solare a cascata secondo una forma di realizzazione della presente invenzione,
la fig. 2 mostra un diagramma schematico di assorbimento illustrante la condizione di assorbimento di silicio amorfo secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
Descrizione dettagliata dell' invenzione
È vantaggioso definire diversi termini prima di descrivere l'invenzione. Si noti che le seguenti definizioni sono usate per tutta questa domanda.
Secondo lo spirito della presente invenzione, con riferimento alla fìg. 1, una struttura a cella solare a cascata presenta una cella solare superiore stratificata su una cella solare inferiore. In una forma di realizzazione, la cella solare inferiore può essere di diversi tipi. Per esempio, un tipo a singola giunzione p-n comprende uno strato di materiale attivo 101 con una singola bandgap ottica su di un substrato della cella inferiore 102. In alternativa, un tipo di giunzione p-n o p-i-n comprende alcuni strati di materiale attivo 101 con bandgap ottiche multiple sul substrato della cella inferiore 102. È chiaro che vi sono altri strati tra lo strato o gli strati di materiale attivo 101 e il substrato della cella inferiore 102, come p.es. uno strato buffer, senza però limitarsi a questo.
Il substrato della cella inferiore 102 in una forma di realizzazione può essere un substrato in GaAs. È da notare che il termine "GaAs" si riferisce a una composizione di semiconduttore che può essere usata come substrato. Normalmente, per formare il materiale semiconduttore, viene usato il tipico materiale semiconduttore binario dei gruppi III-V composto da parti uguali dei due elementi Ga e As. Si noti che possono essere ammesse deviazioni, per risolvere esigenze dei dispositivi o impurità indesiderate, quali Al, che continuano a utilizzare le convenzionali procedure di fabbricazione di GaAs. Per regolamentare la presenza di impurità o altre modifiche relativamente insignificanti, si prescrive che sia Ga che As siano presenti e si combinino per formare una quantità di almeno il 95% dell'intera composizione del substrato. Inoltre, si noti che il termine "substrato" può comprendere qualsiasi materiale al di sotto dello strato attivo. Per esempio, strati speculari, strati a guida d'onda, strati di rivestimento o qualsiasi altro strato che risulti spesso più del doppio dello strato attivo.
Quindi, in una forma di realizzazione, lo strato di materiale attivo 101 viene usato come materiale fotoassorbente. Per le configurazioni fisiche, lo strato dì materiale attivo 101 può essere configurato come materiale grezzo o film sottili sul substrato della cella inferiore 102. Lo strato di materiale attivo 101 può essere formato da uno o più elementi multipli o composti, ecc. Per esempio, lo strato di materiale attivo 101 può essere formato da un materiale composto. Il composto può essere materiale semiconduttore binario dei gruppi I -V o II-VI, quale AlAs, AlGaAs, GaAs, InP, InGaAs, Cu2S/(Zn,Cd)S, CuInSe2/(Zn,Cd)S, e CdTe/n-CdS, ecc. Opzionalmente, lo strato di materiale attivo 101 può essere formato da un materiale a base singola, quale il germanio (Ge).
In alternativa, lo strato di materiale attivo 101 può essere formato da CIGS [Copper Indium Gallium Selenide] {rame indio gallio selenìuro) in compositi a film sottile multi-strato. Il termine "CIGS" si riferisce a un composto a film sottile che può comprendere semiconduttori in calcopirite, quali film sottili di rame-indiodiseleniuro (CuInSe2), rame-gallio-diseleniuro (CuGaSe2) e Cu(InxGa1-x)Se2. In un'altra forma, lo strato di materiale attivo 101 può essere formato da pigmenti (dye) fotoassorbenti, quali il pigmento organometallico al rutenio sensibilizzato al pigmento in uno strato mesoporoso di diossido di titanio in nanoparticelle, ecc. In alternativa, lo strato di materiale attivo 101 può essere formato da materiale organico/ polimerico. Per esempio, i semiconduttori organici quali i polimeri e i composti a piccola molecola come il polifenilenvinilene, ftalocianina di rame e fullereni di carbonio. Di conseguenza, la cella solare inferiore può essere una qualsiasi cella solare adeguata non basata su silicio nelle forme di realizzazione della presente invenzione, come una cella solare basata su Gè, una cella solare a semiconduttore binario dei gruppi III-V, una cella solare a semiconduttore binario dei gruppi II -VI, una cella solare al pigmento (DSC), una cella solare organica o una cella solare in CIGS.
Per quanto riguarda la cella solare superiore stratificata, secondo lo spirito della presente invenzione, uno o più strati di silicio amorfo 106, drogato o non drogato o in combinazione, si trovano sulla cella solare superiore. Una struttura conduttiva di interfaccia 105 può essere introdotta tra lo o gli strati di silicio amorfo 106. Nella forma di realizzazione lo o gli strati di silicio amorfo 106 possono essere del tipo a singola giunzione p-n o a giunzione p-i-n. Quindi lo o gli strati di silicio amorfo 106 possono comprendere una parte drogata tipo n, una parte drogata tipo p, e una parte non drogata tra esse. Si noti che il termine "silicio amorfo" indica il silicio amorfo e i materiali basati su silicio amorfo, per esempio il silicio amorfo 106 può essere del tipo a-Sì:H, a-SiC:H, a-SiGe:H o a-SiGeC:H, senza però limitarsi a questi.
Una struttura di interfaccia conduttiva 105 può trovarsi tra lo o gli strati di silicio amorfo 106 e lo o gli strati di materiale attivo 101. In una forma di realizzazione, la struttura conduttiva di interfaccia 105 può essere una giunzione a tunnel semiconduttore, quale una giunzione a tunnel di GaAs. In alternativa, la struttura di interfaccia conduttiva 105, quale un ossido conduttivo trasparente, può comprendere ITO o ZnO, ecc. In alternativa, la struttura di interfaccia conduttiva 105 può essere un film di materiale metallico molto sottile, quale Au. Inoltre, i due lati esterni della cella solare superiore stratificata e della cella solare inferiore sono strati conduttivi 103 e 104 di contatto, quale uno strato trasparente conduttivo (ITO, ZnO) o uno strato metallico.
Di conseguenza, quando la luce solare 100 incide sulla struttura a celle solari a cascata, la luce solare 100 a breve lunghezza d'onda, come nella regione delle lunghezze d'onda UV tra 200 e 600 nm, viene assorbita inizialmente dalla cella solare superiore stratificata. E quindi la luce solare 100 a lunghezza d'onda visibile è assorbita dalla cella solare non basata su silicio. In aggiunta all'assorbimento della luce solare a breve lunghezza d'onda, la cella solare superiore stratificata basata su silicio amorfo può essere configurata come strato anti-riflettente per la cella solare inferiore.
In una forma di realizzazione, un metodo di deposizione chimica di vapori plasma assistita (PECVD) può essere applicato alla formazione di silicio amorfo 106 con o senza drogante, È vantaggioso che lo strato di silicio amorfo 106 possa assorbire la luce incidente nelle brevi lunghezze d’onda, preferibilmente tra circa 350 nm e 450 nm, vedi fig. 2. Inoltre, l'assorbimento di luce del silicio amorfo 106 è poco dipendente dal fattore dell'angolo di incidenza e dall'anta riflettente. Quindi, lo strato di silicio amorfo 106 può essere posto di fronte alla cella solare inferiore così da assorbire la luce incidente alle brevi lunghezze d'onda, che sono scarsamente assorbite dalla cella solare inferiore. Nella forma di realizzazione, lo o gli strati di silicio amorfo 106 sulla cella solare inferiore assorbe preferibilmente da 2,7 eV fino a 4 eV.
Anche se la presente invenzione è stata chiarita in relazione alla sua forma di realizzazione preferita, appare chiaro che è possibile introdurre altre modifiche e variazioni senza discostarsi dallo spirito e dall’ambito dell'invenzione rivendicata di seguito.
Claims (25)
- RIVENDICAZIONI 1. Struttura a celle solari in cascata, comprendente una ceda solare inferiore e una cella solare superiore sopra a detta cella solare inferiore, in cui detta cella solare superiore è una cella solare basata su silicio amorfo e la luce solare incide su detta cella solare basata su silicio amorfo.
- 2. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre una struttura conduttiva di interfaccia posiziona tra la cella solare inferiore e la cella solare superiore.
- 3. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 2, in cui detta struttura conduttiva di interfaccia è realizzata con ossido conduttivo trasparente.
- 4. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 2, in cui detta struttura conduttiva di interfaccia è una struttura con giunzione a tunnel.
- 5. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 2, in cui detta struttura conduttiva di interfaccia è un film di materiale metallico.
- 6. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1 , in cui detta cella solare basata su silicio amorfo è a giunzione tipo p-n.
- 7. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1, in cui detta cella solare basata su silicio amorfo è a giunzione tipo p-i-n.
- 8. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1 , in cui detta cella solare basata su silicio amorfo comprende strati di silicio amorfo drogati di tipo n e p.
- 9. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1 , in cui detta cella solare basata su silicio amorfo comprende uno strato di silicio amorfo non drogato.
- 10. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1, in cui detta cella solare basata su silicio amorfo è formata da materiale in a-Si:H, a-SìC;H, a-SiGe:H o a-SiGeC:H.
- 11 . Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1, in cui detta cella solare inferiore comprende un materiale fotoassorbente formato da un materiale a base di germanio.
- 12. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1, in cui detta cella solare inferiore comprende un materiale fotoassorbente formato da un materiale semiconduttore binario dei gruppi III-V.
- 13. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1, in cui detta cella solare inferiore comprende un materiale fotoassorbente formato da un materiale semiconduttore binario dei gruppi II -VI.
- 14. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1, in cui detta cella solare inferiore comprende un materiale fotoassorbente formato da un materiale di composto organico.
- 15. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1, in cui detta cella solare inferiore comprende un materiale fotoassorbente formato da un pigmento organometallico di rutenio.
- 16. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 1, in cui detta cella solare inferiore comprende un materiale fotoassorbente di materiale di rame indio gallio seleniuro.
- 17. Struttura a celle solari in cascata, comprendente una cella solare non basata su silicio e una cella solare basata su silicio amorfo su detta cella solare non basata su silicio, in cui detta cella solare basata su silicio amorfo assorbe la luce solare con una lunghezza d'onda tra 200 e 600 nm.
- 18. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 17, comprendente inoltre un ossido conduttivo trasparente posizionato tra detta cella solare non basata su silicio e la cella solare basata su silicio amorfo.
- 19. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 17, comprendente inoltre una struttura con giunzione a tunnel posizionata tra detta cella solare non basata su silicio e la cella solare basata su silicio amorfo.
- 20. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 17, comprendente inoltre un film di materiale metallico posizionato tra detta cella solare non basata su silicio e la cella solare basata su silicio amorfo.
- 21. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 17, in cui detta cella solare non basata su silicio comprende una cella solare basata su germanio.
- 22. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 17, in cui detta cella solare non basata su silicio comprende una cella solare a semiconduttore binario dei gruppi III-V o II-VI.
- 23. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 17, in cui detta cella solare non basata su silicio comprende una cella solare organica.
- 24. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 17, in cui detta cella solare non basata su silicio comprende una cella solare al pigmento.
- 25. Struttura a celle solari in cascata secondo la rivendicazione 17, in cui detta cella solare non basata su silicio comprende una cella solare al rame indio gallio seleniuro.
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