MX2007010330A

MX2007010330A - Nanocables en celdas solares de silicio de pelicula delgada.

Info

Publication number: MX2007010330A
Application number: MX2007010330A
Authority: MX
Inventors: Bastian Arie Korevaar; Loucas Nmn Tsakalakos
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2009-01-30
Also published as: CN101136444B; AU2007211902A1; AU2007211902B2; US7893348B2; JP2008053731A; CN101136444A; EP1892768A2; EP1892768A3; US20080047604A1

Abstract

En algunas modalidades, la presente invención se dirige a dispositivos fotovoltaicos (PV) 100, 200 y 1400 que comprenden nanocables de silicio (inicial Si) 101 como elementos PV activos, en donde tales dispositivos típicamente son celdas solares de Si de película delgada. Generalmente, tales celdas solares son del tipo de p-i-n y pueden fabricarse para iluminación frontal y/o trasera (es decir, superior y/o inferior). Adicionalmente, la presente invención también se dirige a métodos para hacer y utilizar tales dispositivos, y a sistemas y a módulos (por ejemplo, paneles solares) que emplean tales dispositivos.

Description

NANOCABLES EN CELDAS SOLARES DE SILICIO DE PELICULA DELGADA CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere generalmente a dispositivos fotovalticos de película delgada, y específicamente a tales dispositivos fotovoltaicos que comprenden nanoestructuras de silicio alargadas como elementos activos dentro del dispositivo.

INFORMACIÓN DE ANTECEDENTES Actualmente, el silicio (Si) es el material más comúnmente utilizado en la fabricación de celdas solares, tales celdas solares se utilizan para convertir luz solar en electricidad. Las celdas solares p-n de unión individual y múltiple se utilizan para este propósito, pero ninguna es diferente lo suficiente para disminuir los procesos involucrados en al producción y el uso de esta tecnología. En consecuencia, la competencia para fuentes convencionales de electricidad evita el uso extendido de tal tecnología de celda solar. El procedimiento de pérdida primaria en las celdas solares existentes ocurre cuando un foto-electrón excitado rápidamente pierde cualquier energía que puede tener en exceso del espacio de banda debido a interacciones con vibraciones de rejilla, conocidas como fonones, que resultan en recombinación aumentada. Esta pérdida sola limita la eficiencia de conversión de una celda estándar a aproximadamente 44%. Adicionalmente la recombinación de los foto-electrones generados y los huecos con estados de trampa en el cristal de semiconductor asociado con defectos de punto (impurezas intersticiales), grupos metálicos, defectos de línea (dislocaciones), defectos planos (fallas de apilamiento), y/o los límites de grano reduce más la eficiencia. Aunque esta reducción posterior en la eficiencia puede superarse al utilizar otros materiales con propiedades apropiadas, particularmente longitudes de difusión largas de los portadores foto generados, esto todavía no llega a la tecnología a una paridad de costo con fuentes más convencionales de electricidad. Se incurre en otra pérdida que pertenece al hecho que los semiconductores absorberán luz con energía inferior que el espacio de banda del material utilizado. Con todas las pérdidas fotovolta icas tomadas en cuenta, Shockley y Queisser fueron capaces de demostrar que el desempeño de una celda de unión individual se limitó justo sobre el 30% de la eficiencia de una celda óptima con espacio de banda de 1.3 voltios de electrón (eV) (Shockley y Queisser, "Limite de Balance Detallada de Eficiencia de Celda Solares de Unión p-n," J.Appl. Phys., 1961, 32(3), pp. 510-519). Los cálculos más resientes mostraron esta "Eficiencia de Límite" para una unión individual para ser del 29% (Kerr y otros, "Tiempo de vida y eficiencia de límites de celdas de solares de silicio cristalinas", Proc. 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002, pp. 438-441 ).

La emisión primaria con las celdas solares de película delgada con base en silicio amorfo es que la movilidad de los portadores de carga es muy baja, particularmente aquella de los orificios. Tal movilidad de orificio es el factor limitante para las celdas solares de película delgada de silicio amorfo. Mientras la capa intrínseca de tales celdas solares puede hacerse más delgada, lo cual incrementa la oportunidad para que los orificios alcancen el frente de la celda, existe una pérdida significativa de absorción. Para superar esta pérdida, pueden emplearse uniones dobles y triples, pero esto es significativamente más complejo. Se han descrito nanocables de silicio en arreglos de diodo de unión p-n (Peng y otros, "Fabricación de Arreglos de Diodo de Unión p-n de Nanocable de Silicio de Area Grande", Adv. Mater., 2004, vol. 16, pp 73-76). Tales arreglos, sin embrago, no se configuraron para uso en dispositivos fotovoltaicos, ni se sugirió que tales arreglos pudieran servir para aumentar la eficiencia de celdas solares. Las nanoestructuras de silicio se describieron en dispositivos de celda solar (Ji y otros, "Nanoestructuras de Silicio por Crecimiento Inducido por Metal (MIG) para emisores de Celda Solar", Proc. IEEE, 2002, pp. 1314-1317). En tales dispositi os, pueden formarse nanocables Si, fijos en películas de Si microcristalinas, por disposición electrónica Si en una precapa de níquel (Ni), el grosor que determina si los nanocables Si crecen dentro de la película o no. Sin embrago, tales nanocables no son elementos fotovoltaicos activos (PD); simplemente sirven en una capacidad antireflectora.

Las celdas solares que comprende nanoestructuras de silicio, en donde las nanoestructuras son elementos PD activos, se describieron en la Solicitud de Patente de Estados Unidos copendiente comúnmente asignada Sserie No. 11/081,967, presentada el 16 de Marzo, 2005. En esta solicitud particular, las uniones de separación de carga están ampliamente contenidas dentro de las nanoestructuras por si mismas, generalmente requiriendo cambios de voltaje durante la síntesis de tales nanoestructuras. Como un resultado de lo anterior, cualquiera de las modificaciones de tal tecnología, particularmente modificaciones que incorporan materiales y dispositivos a nanoescala, que llevan a fabricación y eficiencias facilitadas junto con las fuentes más tradicionales de electricidad, sería completamente benéfico.

BREVE DESCRICION DE LA INVENCIÓN En algunas modalidades, la presente invención se dirige a dispositivos foto voltaicos (PD) que comprenden nanoestructuras de silicio (Si) alargadas (por ejemplo, nanocables, nanovarillas, etc.) como elementos de PDA activos, en un metal o dispositivos típicamente están celdas solares Si de película delgada. Generalmente, tales celdas solares son del tipo p-i-n. Adicionalmente , la presente invención también se dirige a métodos para hacer y utilizar tales dispositivos, y sistemas y módulos (por ejemplo, paneles solares) que emplean tales dispositivos. En algunas de tales modalidades, las nanoestructuras alargadas aumentan el desempeño de celdas solares de película delgada convencionales al aumentar la colección de carga debido a lo proximidad a nanoescala a la película para separación por carga. En algunas de tales modalidades, la luz principalmente se absorbe dentro de los materiales de película delgada, más que dentro de las nanoestructuras, y la celda típicamente se diseña para que tal fracción substancial de luz se absorba dentro de la capa intrínseca de la celda de película delgada. En algunas modalidades, la presente invención se dirige a un dispositivo fotovoltaico que comprende: (a) una pluralidad de nanocables de Si (nanoestructuras alargadas representativas) dispuestos en una orientación substancialmente vertical en un substrato, los nanocables de Si tienen una impurificación de un primer tipo (p o n); (b) una primera capa de Si conforme de silicio intrínseco amorfo (o nanocristalino) de conformidad sobre la pluralidad de nanocables de Si, y (opcionalmente) substancialmente que ocupa cualquier espacio vacío entre la pluralidad de nanocables para que la primera capa de Si conforme efectivamente absorba una mayoría de luz que golpea al dispositivo fotovoltaico; (c) una segunda capa de Si conforme de material semiconductor dispuesto en conformidad sobre la primera capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme que tiene una impurificación de un segundo tipo (ya sea p o n, pero diferente a los nanocables de Si), con ello proporciona una carga que separa la unión; (d) una capa de material conductor dispuesto en la segunda capa de Si conforme, y (e) contactos superiores e inferiores (el substrato puede comprender los substratos inferiores) operables para conectar el dispositivo a un circuito externo, en donde el contacto inferior está en contacto eléctrico con la pluralidad de nanocable si el contacto superior está en contacto eléctrico con la segunda capa de Si conforme. En algunas modalidades, el dispositivo fotovoltaico además comprende una plantilla nanoporosza, que reside en o es integral con, el substrato, y del cual emanan los nanocables de Si. En algunas modalidades, la presente invención se dirige a un dispositivo fotovoltaico que comprende: (a) una pluralidad de nanocables de Si dispuestos en una orientación substancialmente vertical en un substrato, los nanocables de Si teniendo un espacio de un primer tipo (p o n), (b) una primera capa de Si conforme de silicio intrínseco amorfo (o nanocristalino) dispuesto en conformidad sobre la pluralidad de nanocables de Si, y que substancialmente ocupa cualquier espacio vacío entre la pluralidad de nanocables para que la primera capa de Si conforme absorba efectivamente una mayoría de luz que golpea el dispositivo fotovoltaico; (c) una segunda capa de Si conforme de material semiconductor dispuesto en conformidad sobre la primera capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme que tiene una impurificación de un segundo tipo (cualquiera de p o n, pero diferente de los nanocables de Si), con ello proporciona una carga que separa la unión; (d) un material y transparente conductor dispuesto en la segunda capa de Si conforme; y (c) contactos superior e inferior operables para conectar el dispositivo a un circuito externo, en donde el contacto inferior es un contacto eléctrico con la pluralidad en nanocables y el contacto superior están en el contacto eléctrico con una segunda capa de Si conforme. En algunas de tales modalidades, el dispositivo fotovoltaico además comprende una plantilla nanoporosa, que reside en, o es integral con, el substrato, y en el cual emanan los nanocables de Si. En algunas otras modalidades, la presente invención está dirigida a un dispositivo fotovoltaico que comprende: (a) una pluralidad de nanocables de Si dispuestos en una orientación substancialmente vertical en un substrato conductor transparente, los nanocables de Si teniendo una impurificación de un primer tipo (p o n); (b) una primera capa de Si conforme de silicio intrínseco amorfo (o nanocristalino) dispuesto en conformidad sobre la pluralidad de nanocables de Si, y que substancialmente ocupa cualquier espacio vacío entre la pluralidad de nanocables para que la primera capa de Si conforme efectivamente absorba una mayoría de luz que golpea el dispositivo fotovoltaico; (c) una segunda capa de Si conforme del material semiconductor dispuesta en conformidad sobre la primera capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme teniendo una impurificación de un segundo tipo (ya sea p o n, pero diferente de los nanocables de Si), con ello se proporciona una carga de separación de unión; (d) una capa de material conductor (por ejemplo, metal) dispuesta en la segunda capa de Si conforme para que el substrato conductor transparente en capa de material conductor proporcione contactos eléctricos superior e inferior para el dispositivo. Este tipo de dispositivo generalmente es operable para iluminación trasera (es decir, a través del substrato). En algunas modalidades, la presente invención se dirige a un método para hacer un dispositivo fotovoltaico, el método comprende los pasos de: (a) proporcionar nanocables de Si en un substrato, en donde los nanocables de Si se obtienen substancialmente perpendiculares al plano de la superficie, y en donde los nanocables de Si tienen una impurificación de un primer tipo; (b) depositar una primera capa de Si conforme de silicio intrínseco en conformidad con la pluralidad de nanocables para que cualquier espacio entre los nanocables de Si se llene substancialmente; (c) depositar una segunda capa de Si conforme sobre la primer capa de Si conforme; la segunda capa de Si conforme teniendo una impurificación de un segundo tipo para establecer una carga que separa la unión junto con los nanocables de Si y la primer capa de Si conforme; (b) depositar un material transparente conductor en la segunda capa de Si conforme; y (c) establecer los contactos superior e inferior operables para conectar el dispositivo a un circuito externo, en donde el contacto inferior está en contacto eléctrico con la pluralidad de nanocables de Si y el contacto superior está en contacto eléctrico con la segunda capa de Si conforme. En algunas u otras modalidades, la presente invención se dirige a un método para hacer un dispositivo fotovoltaico, el método comprende los pasos de: (a) proporcionar nanocables de Si en un substrato conductor transparente, en donde los nanocables Si se orientan substancialmente perpendiculares al plano de la superficie, y en donde los nanocables Si tienen una impurificación de un primer tipo; (b) depositar una primera capa de Si conforme de silicio intrínseco de conformidad con la pluralidad de nanocables para que cualquier espacio vacío entre los nanocables de Si se llene substancialmente, (c) depositar una segunda capa de Si conforme sobre la primera capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme teniendo una impurificación de un segundo tipo para establecer una carga de separación de unión junto con los nanocables de Si y la primer capa de Si conforme, y (d) depositar una capa de material conductor en la segunda capa de Si conforme; en donde el substrato conductor transparente y la capa de material conductor son operables para establecer contacto superior e inferior adecuados para conectar el dispositivo a un circuito externo, en donde el contacto inferior es el substrato conductor transparente en contacto eléctrico con la pluralidad de nanocables de Si y el contacto superior es la capa de material conductor en contacto eléctrico con al segunda capa Si conforme. En algunas modalidades, la presente invención se dirige a ensambles de dispositivos fotovoltaicos o celdas solares (en la forma de módulos o paneles solares), y al uso de tales ensambles en techos de construcción, en donde tales ensambles pueden 1 o conectarse a través de un inversor a ta rejilla de electricidad. Lo anterior delineó las características más ampliamente de la presente invención con el fin de que la descripción detallada de la invención que sigue pueda entenderse mejor. Las características y ventajas adicionales de la invención se describirán aquí más adelante que forman el tema de las reivindicaciones de la invención.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Para un entendimiento más completo de la presente invención, y las ventajas de la misma, ahora se hace referencia a las siguientes descripciones tomadas en conjunto con los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 ilustra una celda fotovoltaica (PV) de película delgada que comprende nanocables de silicio (Si), de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención; La Figura 2 ilustra una celda fotovoltaica (PV) de película delgada que comprende nanocables de silicio (Si), de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención, la celda es operable para la iluminación a través del substrato; La Figura 3 ilustra substratos que comprenden capas múltiples, de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención; La Figura 4 ilustra, en forma de pasos, un método para fabricar una celda fotovoltaica de película delgada que comprende nanocables de Si, de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención; La Figura 5 ilustra, en forma de pasos, un método para fabricar una celda fotovoltaica de película delgada que comprende nanocables de Si, de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención, la celda es capaz de iluminación a través de un substrato transparente; La Figura 6 es una micrografía de microscopía electrónica de barrido (SM) de una capa de Si amorfo conforme en un disposición de nanocable de Si formada a través de una técnica de grabado al agua fuerte; La Figura 7 es una vista de amplificación superior de una región mostrada en la Figura 6; La Figura 8 es una micrografía electrónica de barrido de una capa de Si amorfo conforme en una disposición de nanocable de Si formada a través de deposición de vapor químico (CVD); La Figura 9 es una vista de amplificación superior de una región mostrada en la Figura 8; La Figura 10 es una vista óptica de una celda solar plana (A) y una celda solar de nanocable (B), cada una teniendo dimensiones de un centímetro en cada lado, la celda solar de nanocable pareciendo más oscura debido a que es menos reflectora; La Figura 11 ilustra reflexión especular como una función de longitud de onda para una celda solar plana (¦), una celda solar de nanocable de baja densidad (? ), y una celda solar de nanocable de alta densidad ( A ); La Figura 12 es una micrograf ía electrónica de barrido de vista lateral de una celda solar de película delgada que comprende nanocables de Si, de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención; La Figura 13 es una micrografía electrónica de barrido de vista plana de una celda solar de película delgada que comprende nanocables de Si, de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención; y La Figura 14 ilustra una variación de los revestimientos conformes ilustrados en las Figuras 1 y 2.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN En algunas modalidades, al presente invención se dirige a dispositivos fotovoltaicos (PV) que comprenden nanocables de silicio (Si) (u otras nanoestructuras alargadas) como elementos de PV activos, en donde tales dispositivos típicamente son celdas solares de Si de película delgada. Generalmente, tales celdas solares son del tipo p-i-n y pueden fabricarse para iluminación frontal y/o trasera (es decir, superior y/o trasero). Adicionalmente, la presente invención también está dirigida a métodos para hacer y utilizar tales dispositivos, y a sistemas y módulos (por ejemplo, celdas solares) que emplean tales dispositivos. En la siguiente descripción, los detalles específicos se mencionan tal como cantidades específicas, tamaños, etc., para proporcionar una entendimiento completo de modalidades de la presente invención. Sin embargo, será obvio para aquellos expertos en la técnica que la presente invención puede practicarse sin tales detalles específicos. En muchos casos, los detalles concernientes a tales consideraciones y similares se omitieron puesto que tales detalles no son necesarios para obtener un entendimiento completo de la presente invención están dentro de las habilidades de aquellos expertos en la técnica. Haciendo referencia a los dibujos en general, se entenderá que las ilustraciones son para el propósito de describir una modalidad particular de la invención y no pretende limitar la invención a las mismas. Mientras la mayoría de los términos utilizados serán reconocibles por aquellos expertos en la técnica, las siguientes definiciones sin embrago se mencionan para ayudar al entendimiento de la presente invención. Se debe entender, sin embrago, que cuando no se definen explícitamente, los términos deben interpretarse como adoptando un significado actualmente aceptado por aquellos expertos en la técnica. "Celdas solares de película delgada", como se define aquí, se refiere a una clase de celdas solares que comprenden una capa absorbente de luz que tiene un grosor menor que aproximadamente 20 µ?t?. "Nanoestructuras alargadas", como se define aquí, son nanoestructuras que son a nanoescala en al menos dos dimensiones.

Ejemplos notables nanoestructuras alargadas incluyen, pero no se limitan a, nanocables, nanovarillas, nanotubos, y similares. "Nanocables", como se define aquí, generalmente son nanoestructuras alargadas típicamente de sub-micra (< 1 µ??) en al menos dos dimensiones y que tienen una forma ampliamente cilindrica. "Conforme", como se define aquí, pertenece a revestimientos, que adoptan ampliamente (es decir, se conforman a) la forma o estructura de las estructuras que revisten. Este término debe interpretarse ampliamente, sin embargo, permitiendo el llenado substancial de espacio vacío entre las estructuras revestidas, al menos en algunas modalidades. Una "unión que separa la carga", como se define aquí, comprende un límite entre materiales de diferente tipo (por ejemplo, diferente impurificadores y/o composición voluminosa) que permite la separación de electrones y orificios.. Un "dispositivo fotovoltaico p-i-n", como se utiliza aquí, es un apilamiento de tres materiales con una capa que es de tipo p impurificado (principalmente conducción por orificios), una sin impurificación (es decir, intrínseca), y las otras que son de tipo n impurificado (primordialmente conducción por electrón). "Nanoplantillas", como se define aquí, son películas inorgánicas u orgánicas que comprenden una disposición de poros o columnas que tienen dimensiones a nanoescala. En algunas modalidades, la presente invención generalmente se dirige a un dispositivo fotovoltaico que comprende: (a) una pluralidad de nanocables de Si dispuestos en una orientación substancialmente vertical en un substrato, los nanocables de Si teniendo una impurificación de un primer tipo (p o n); (b) una primer capa de Si conforme de silicio intrínseco amorfo (o nanocristalino) dispuesto en conformidad sobre la pluralidad de nanocables de Si, y que substancialmente ocultan cualquier espacio vacío entre la pluralidad de nanocables para que la primer capa de Si conforme efectivamente absorba una mayoría de luz que golpea al dispositivo fotovoltaico; (c) Una segunda capa de Si conforme de material semiconductor dispuesto en conformidad sobre la primer capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme que tiene una impurificación de un segundo tipo (ya sea p o n, pero diferente de los nanocables de Si), con ello proporciona una unión de separación de carga; (d) una capa de material conductor dispuesta en la segunda capa de Si conforme; y (e) contactos superior e inferior operables para conectar el dispositivo a un circuito externo, en donde el contacto inferior está en contacto eléctrico con la pluralidad de nanocables y el contacto superior está en contacto eléctrico con la segunda capa de Si conforme. En algunas de tales modalidades, el dispositivo fotovoltaico además comprende una plantilla no porosa, que reside en, o es integral con, el substrato, y del cual emana los nanocables de Si. Haciendo referencia a la Figura 1, en algunas modalidades, la presente invención se dirige a un dispositivo fotovoltaico 100 que comprende: (a) una pluralidad de nanocables de Si 101 dispuestos en una orientación substancialmente vertical en un substrato 102, los nanocables de Si teniendo una impurificación de un primer tipo; (b) una primer capa de Si conforme 103 de silicio intrínseco dispuesta en conformidad sobre la pluralidad de nanocables de Si 101, y substancialmente ocupando cualquier espacio vacío en la pluralidad de nanocables para que la primer capa de Si conforme efectivamente absorba una mayoría de cualquier luz que golpea el dispositivo fotovoltaico; (c) una segunda capa de Si conforme 104 de material semiconductor dispuesto en conformidad sobre la primera capa de Si conforme 103, la segunda capa de Si conforme teniendo una impurificación de un segundo tipo, con ello proporciona una unión de separación de carga; (d) un material transparente conductor 105 dispuesto en la segunda capa de Si conforme 104; y (e) contactos superior (106) e inferior (ver Figura 3, vide infra) operables para conectar el dispositivo a un circuito, en donde el contacto inferior está en contacto eléctrico con la pluralidad de nanocables de Si 101 y el contacto superior está en contacto eléctrico con la segunda capa de Si conforme 104. Se debe notar, como se utiliza aquí con referencia a la colocación de contactos, los términos "superior" y "inferior" se refieren a la i nterrelación de las partes mostradas en los dibujos, y no necesariamente coinciden en la dirección en la cual el dispositivo recibe la luz, como en el uso de tales dispositivos. Haciendo referencia a la Figura 2, en algunas otras modalidades, la presente invención se dirige a un dispositivo fotovoltaico 200 que comprende: (a) una pluralidad de nanocables de Si 101 dispuestos en una orientación substancialmente vertical en un substrato conductor transparente 102, los cables de Si teniendo una impurificación de un primer tipo (p o n); (b) una primera capa de Si conforme 103 de silicio intrínseco amorfo (o nanocristalino) dispuesto en conformidad sobre la pluralidad de nanocables de Si, y que substancialmente ocupa cualquier espacio vacío entre la pluralidad de nanocables para que la primera capa de Si conforme efectivamente absorba una mayoría de luz que golpea el dispositivo fotovoltaico; (c) una segunda capa de Si conforme 104 del material semiconductor dispuesto en conformidad sobre la primera capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme teniendo una impurificación de un segundo tipo (ya sea p o n, pero diferente a los nanocables de Si), y con ello proporciona una carga de separación de unión; (d) una capa de material conductor 205 (por ejemplo, metal) dispuesto en la segunda capa de Si conforme para que el substrato conductor transparente y la capa de material conductor proporcionen contactos eléctricos superior e inferior para el dispositivo. Este tipo de dispositivo generalmente es operable para iluminación trasera (es decir, a través del substrato). En algunas de tales modalidades, la capa de material conductor 205 es reflectora. En algunas de las modalidades de los dispositivos anteriores, el substrato 102 comprende subcomponentes. Haciendo referencia a la Figura 3, en algunas modalidades, los nanocables 101 emanan de una plantilla no porosa 102c. En algunas modalidades, una capa conductora 102b (operable como un contacto inferior) se dispone en una capa no conductora 102a. En algunas de tales modalidades que comprenden una capa no conductora inferior 102a, pueden salir en la capa activa para acceder eléctricamente al contacto inferior (por ejemplo, 102b). Substancialmente vertical, de acuerdo con al presente invención, significa que una mayoría de los nanocables de Si se colocan en el substrato para que su longitud forme un ángulo con la superficie de substrato que está entre 45° y 90°. Sin embargo, se debe notar que la orientación de los nanocables puede ser ampliamente aleatoria, los criterios primarios que se extienden ampliamente en la primer capa conforme 103 con el fin de servir como dispositivos de colección para portadores de carga y la capa conforme 103 puede cubrir los cables de conformidad. Como se observa en la Figura 3 en algunas de las modalidades del dispositivo anterior, el dispositivo fotovoltaico descrito anteriormente además comprende una plantilla nanoporosa 102c, que reside en, o es integral con, un substrato, y del cual emanan los nanocables de Si. De forma adecuada tales plantillas incluyen, pero no se limitan a, óxido de aluminio anodizado (AAO), óxido de silicio, nitruro de silicio, nitruro de boro, y similares. Típicamente, los nanocables de Si 101 tienen un diámetro entre aproximadamente 5 nm y aproximadamente 1µ??, y una longitud entre aproximadamente 100 nm y aproximadamente 100µ??. Típicamente, los nanocables de Si son altamente cristalinos, pero también pueden estar compuestos de Si amorfo y/o nanocristalino. Típicamente, los nanocables de Si son p-impurificados, pero se contemplan otras modalidades en donde los nanocables de Si son n-impurificados. En algunas modalidades, el diámetro de los nanocables de Si 101 es lo suficientemente pequeño para que se confinen por cantidad y su espacio de banda aumenta como una función de su diámetro bajo cierto umbral (típicamente aproximadamente 5nm). La ventaja de este espacio de banda superior puede ser de cubierta múltiple: (1) existen manos absorción de luz (y por lo tanto menos perdida), (2) existe un Voc potencial superior para los dispositivos, y (3) el espacio de banda se ajusta más opcionalmente para que el material amorfo, que resulta en menos inclinación de banda. Tales ventajas pueden llevar a una eficiencia aumentada. En algunas de las modalidades de dispositivo anteriores, el substrato 102 comprende un material seleccionado de grupo que consiste de Si amorfo, SiGe amorfo, SiC amorfo, y similares. En otras modalidades, el material de substrato no está particularmente limitado. Generalmente, el substrato puede ser cualquier combinación de conductor o no conductor y transparente o no transparente. En algunas modalidades, el substrato comprende un material de óxido conductor transparente. En algunas de tales modalidades, el material de óxido conductor transparente es óxido de indio-estaño ( ITO). En algunas de las modalidades de dispositivos anteriores, los contactos superiores 106 comprenden un aluminio u oro con titanio como una capa de adhesivo, y una pasta de metal como se utiliza comúnmente en la industria de fotovoltaicos, u otras combinaciones de materiales de contacto adecuadas. Generalmente, el contacto inferior comprende un material conductor. En algunas modalidades, el contacto inferior comprende una película delgada metálica seleccionada en el grupo que consiste de Au, Ti, W, Co, Ta2N, o TiN, o un substrato no conductor. En algunas modalidades, el contacto inferior comprende un material que es transparente, con ello se proporciona para iluminación trasera. En algunas de tales modalidades, el material del cual está compuesto en contacto inferior es tanto conductor como transparente, tal como ZnO impurificado. En algunas modalidades, este material es el substrato 102 (por ejemplo, como en modalidades que utilizan un substrato de hoja metálica), en otros es una porción en capas del substrato (por ejemplo, capa de conducción 102b). Como se mencionó anteriormente, la primer capa conforme 103 es generalmente un Si intrínseco. Típicamente, esta capa puede comprender Si amorfo o nanocristalino. Típicamente, la primer capa conforme 103 tiene un grosor entre aproximadamente 50 nm y aproximadamente 1µ?t?. Típicamente, la segunda capa conforme 104 es n-impurificada. Sin embargo, se contemplan modalidades en donde la segunda capa conforme es p-impurificada (en el caso en que las nanoestructuras sean n-impurificadas). Para proporcionar una unión de separación de carga, sin embargo, es importante que cuando los nanocables se p- impurifiquen, la segunda capa conforme se n-impurifique y viceversa. Típicamente, esta capa puede comprende Si amorfo o nanocristalino. Típicamente, la segunda capa conforme 104 tiene un grosor entre aproximadamente 5 nm y aproximadamente 100 nm. En algunas modalidades, el material transparente conductor 105 es un óxido conductor transparente. En algunas de tales modalidades, el óxido conductor transparente es óxido de indio-estaño (ITO) o ZnO u otro TCO tal como se conoce y utiliza en la técnica. Típicamente, el material transparente conductor tiene un grosor entre aproximadamente 50 nm y aproximadamente 1 µ? . Con respecto a las modalidades de dispositivo que tienen un substrato conductor transparente y una capa de material conductor 205, en algunas de tales modalidades, la capa de material de conductor 205 comprende un metal tal como, pero no limitándose a Mo, Al, Cu. Ag. Ti y similares. La capa de material conductor 205 típicamente tiene un grosor entre aproximadamente 100 nm y aproximadamente 5 µ??. Generalmente, al reflexión de material es un criterio importante para esta capa. Haciendo referencia a la Figura 4, en algunas modalidades, la presente invención se dirige a un método para hacer un dispositivo fotovoltaico, el método que comprende los pasos de (paso 401) que proporciona nanocables de Si en un substrato, en donde los nanocables de Si se orientan substancialmente perpendiculares a plano de la superficie, y en donde los nanocables de Si tienen una impurificación de un primer tipo; (paso 402) depositar una primer capa de Si conforme de silicio intrínseco en conformidad sobre la pluralidad de nanocables para que cualquier espacio vacío entre los nanocables de Si se llene substancialmente; (paso 403) depositar una segunda capa de Si conforme sobre la primera capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme que tiene una impurificación de un segundo tipo para establecer una carga de separación de los nanocables de Si y la primera capa de Si conforme; (paso 404) depositar un material transparente conductor en la segunda capa de Sí conforme; y (paso 405) establecer contacto superior e inferior operable para conectar el dispositivo a un circuito externo, en donde el contacto inferior está en contacto eléctrico con la pluralidad de nanocables de Si y el contacto superior está en contacto eléctrico con al segunda capa Si conforme. Haciendo referencia a la Figura 5, en algunas u otras modalidades, la presente invención se dirige a un método par hacer un dispositivo fotovoltaico, el método que comprende los pasos de: (paso 501) proporcionar nanocables de Si en un substrato conductor transparente, en donde los nanocables de Si se orientan substancialmente perpendiculares al plano de la superficie, y en donde los nanocables de Si tienen una impurificación de un primer tipo; (paso 502) depositar una primer capa de Sí conforme del silicio intrínseco en conformidad sobre la pluralidad de nanocables para que cualquier espacio vacío entre los nanocables de Sí se llene substancialmente; (paso 503) depositar una segunda capa de Si conforme sobre la primer capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme que tiene una impurificación de un segundo tipo para establecer una carga de separación de unión junto con los nanocables de Si y la primer capa de Si conforme; y (paso 504) depositar una capa de material conductor (capa de material conductor) en la segunda capa de Si conforme; en donde el substrato conductor transparente y la capa de material conductor son operables para establecer contacto superior e inferior adecuados para conectar el dispositivo a un circuito externo, en donde el contacto inferior es el substrato conductor transparente en contacto eléctrico con la pluralidad de nanocables de Si y el contacto superior es la capa de material conductor en contacto eléctrico con la segunda capa de Si conforme. En algunas modalidades, los nanocables crecen por un método seleccionado del grupo que consiste de deposición de vapor químico (CVD), deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCDD), deposición de vapor químico aumentado por plasma (PECVD), deposición de vapor químico por cable caliente (HWCDD), deposición de solución por punto crítico, deposición de capa atómica, deposición electroquímica, deposición química de solución, y combinaciones de los mismos. En algunas modalidades, los nanocables de Si se desarrollan de una plantilla no porosa tal como AAO (ver anteriormente). En algunas de tales modalidades, un paso de grabado al agua fuerte se emplea para grabar al agua fuerte hacia atrás o completamente remover la plantilla después de crecimiento. El crecimiento CVD de nanocables en plantillas AAO se describe en Bogart y otros, "Síntesis Controlada de Diámetro de Nanocables de Silicio que Utilizan Membrana de Alumina no Porosa", Adv. Mater. 17, 114 (2005). El crecimiento electroquímico de nanocables en plantillas AAO generalmente se describe en la solicitud de Patente de Estados Unidos copendiente comúnmente asignada Serie No. 11/141,613, presentada el 27 de Mayo, 2005. Para otros métodos para generar tales nanoestructuras alargadas, ver Zhang y otros, "Síntesis de Disposiciones de Nanocable de Silicio de Cristal Individual o de Nada", Adv. Mater., 2001, 13(16), pp. 1238-1241; Cheng y otros, "Nanoestructuras Altamente Ordenadas de Nanocables GaN cristalinos individuales en membranas de alumina anódicas", Mater. Sci. & Eng., 2000, A286, pp. 165-168; y Zhang y otros, "Fabricación de Disposiciones de Nanocable JnSB altamente ordenadas por el otro deposición en membrana de alumina anódicas porosas", J. Electrochem. Soc, 2005, 152(10), pp. C664-C668. En algunas modalidades, los nanocables se desarrollan catalíticamente de nanoparticulas metálicas y/o películas metálicas delgadas. En algunas de tales modalidades, las nanoparticulas metálicas residen en una plantilla no porosa. En algunas de tales modalidades, las nanoparticulas metálicas comprenden un material seleccionado del grupo consiste de oro (Au), Indio (In), galio (Ga), hierro (Fe), y combinaciones de los mismos. La impurificación de nanocables (y también la segunda capa conforme) típicamente se logra al introducir un gas o líquido adecuado (por ejemplo, trimetil boro, B(CH3)3, o diborano (B2H6) para impurificación de tipo p y fosfina (PH3) para impurificación de tipo n), que incluye el procedimiento de crecimiento. En algunas modalidades, la primera y/o segunda capas Si conforme se depositan por un método seleccionado de grupo que consiste de CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, disposición electrónica, deposición electroquímica, evaporación, y combinaciones de las mismas. En algunas modalidades, el material transparente conductor se deposita al utilizar una técnica seleccionada del grupo que consiste de CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, disposición electrónica, evaporación, y combustiones de los mismos. La capa de material conductor 205 también puede depositarse por estos y otros métodos similares. En algunas modalidades, la presente invención se dirige a un sistema o ensamble que comprende el dispositivo(s) fotovoltaico descrito anteriormente 100 y/o 200. Los dispositivos 100 y/o 200 pueden integrarse en un panel solar, por ejemplo. Dependiendo del tamaño del dispositivo y el uso pretendido, cualquier número de un dispositivo PV individual a múltiple tales dispositivos conectados en serie o paralelos pueden utilizarse. En algunas modalidades, el dispositivo(s) fotovoltaico 100 y lo 200 son operables para uso en las aplicaciones que incluyen, pero no se limitan a, sistemas PV integrados de construcción comercial en los cuales los módulos PV que contienen el dispositivo(s) fotovoltaico descrito 100 y/o 200 se colocan en el techo de un hogar, un sistema PV rural, sistemas PV de hogar conectados por rejilla en los cuales los módulos PV que contienen un dispositivo(s) fotovoltaico descrito 100 y/o 200 se colocan en el techo de un hogar, sistemas de energía para electrónica comercial y/o militar, y similares. Los siguientes ejemplos se incluyen para demostrar modalidades particulares de la presente invención. Se debe apreciar por aquellos expertos en la técnica que los métodos descritos en los ejemplos que siguen representan solamente modalidades ilustrativas de la presente invención. Sin embargo, aquellos expertos en la técnica, en vista de la presente descripción, deben apreciar que pueden hacerse muchos cambios en las modalidades especificas descritas e incluso obtener un resultado parecido o similar sin apartarse del espíritu y alcance de la presente invención.

EJEMPLO 1 Este ejemplo sirve para ilustrar la formación de una capa conforme de Si amorfo en nanocables de Si cristalino (formado por un procedimiento de grabado al agua fuerte húmedo), de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención. Se enlaza un disco de silicio a una pieza de hoja metálica o un disco de vidrio metalizado al utilizar métodos de enlace metalúrgicos estándar. El disco después se adelgaza a un grosor deseado en un grabador al agua fuerte de Si estándar tal como una mezcla de ácidos fluorhídrico, acético, y nítrico. Una vez que se alcanza el grosor deseado, típicamente de 5 µ?? a 20 µ?t?, los nanocables (nanoestructuras alargadas representativas) se forman en el silicio por inmersión en una solución de .nitrato de plata/ácido fluorhídrico. La unión i-n conforme se forma por deposición de vapor químico aumentado por plasma (PECVD), seguido por deposición de un óxido conductor transparente superior (TCO). Se establece una guía para contacto trasero y se forman los contactos superior e inferior finales por un procedimiento de eliminación de máscara de sombra. Las Figuras 6 y 7 son imágenes de microscopio electrónico de barrido de capa de Si amorfo conforme en una disposición de nanocable de Si que se formó a través de tal técnica de grabado al agua fuerte, la Figura 7 es una región altamente más magnificada de la Figura 6.

EJEMPLO 2 Este ejemplo sirve para ilustrar la formación de una capa conforme de Si amorfo en nanocables de Si cristalino crecido por CVD, de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención.

Los nanocables de silicio se desarrollan en un material de substrato conductor tal como hoja de acero inoxidable, o un disco de vidrio revestido por ZnO impurificado, después de la deposición de una película delgada de catalizador adecuado o capa de nanoparticula. En una de tales modalidades, primero se establece una capa de plantilla no porosa en la parte superior del material de contacto trasero por anodización y después se coloca un catalizador con los poros de la plantilla electroquímicamente. Una vez que crecen los nanocables, la unión i-n conformes se forman por eliminación de vapor químico mejorado por plasma (PE-CVD), seguido por deposición de un óxido conductor transparente superior (PCO). Un ejemplo de una capa de silicio amorfo grueso eliminada en nanocables de Si depositado por CVD se muestra en las Figuras 8 y 9. Las figuras 8 y 9 son imágenes de microscopio electrónico de barrido de la capa de Si amorfo conforme en una deposición de nano cable de Si que se formo a través de tal técnica de CVD, la Figura 9 e suna región más altamente magnificada de la Figura 8. Las vías se establecen para contacto trasero y los contactos superior e inferior finales se forman por un procedimiento de eliminación de máscara de sombra.

EJEMPLO 3 Este ejemplo sirve para ilustrar un sistema ilustrativo que comprende dispositivos fotovoltaicos 100, de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención. El dispositivo(s) fotovoltaico 100 y/o 200 pueden empacarse en un módulo fotovoltaico para que se aisle físicamente del ambiente. La superficie frontal del módulo se hace de vidrio para permitir que la luz solar penetre, y se establecen guías eléctricas en el lado trasero para incorporación en un sistema de energía PV. En una modalidad, el dispositivo fotovoltaico 100/213 en un substrato de vidrio grande con una capa ZnO impurificada intermedia para que el substrato de vidrio se haga vidrio protector para el módulo PD, la capa de crecimiento original para los nanocables ahora es "el contacto frontal" (en términos de la dirección en los cuales se ilumina). Correspondiendo al "contacto trasero" después se establece la superficie superior original de la capa de nanoestructura alargada.

EJEMPLO 4 Esto ejemplo sirve para ilustrar como una celda solar de nanocable, de acuerdo con modalidades de la presente invención pueden reducir la reflectancia de luz, con ello hacen a la celda solar más eficiente (en relación a celdas solares planas tradicionales). La Figura 10 ilustra una imagen óptica de una celda solar plana tradicional (A) y una celda solar de nanocable (B). La celda solar de nanocable es visiblemente menos reflectora. La Figura 11 cuantifica tal reflexión especular como una función de longitud de onda sobre el rango de 300-1100 nm. La Figura 12 es una micrografía electrónica de barrido de vista lateral de una celda solar de nanocable de película delgada de baja densidad que comprende nanocables de Sí y un revestimiento de ITO en un substrato de Si impurificado de forma degenerativa (tal como se observa en la Figura 10 (B)), de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención. La Figura 13 es una micrografía electrónica de barrido de vista plana de una celda solar de película delgada similar.

EJEMPLO 5 Este ejemplo sirve para ilustrar una aplicación ilustrativa en la cual el dispositivo(s) fotovoltaico 100 y/o 200 pueden encontrar uso, de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención. Los módulos foto voltaicos que contienen dispositivo(s) fotovoltaico 100 y/o 200 típicamente se montan en los techos de las casas para generación de energía conectada por rejilla. Los módulos se montan por varios métodos para generar calidades funcionales y estéticas. El módulo proporciona energía que puede almacenarse o revenderse a la compañía eléctrica para un beneficio como actualmente se hace con módulos de celda solar residenciales estándar. Las celdas solares pueden cortarse en tamaños estándares y montarse en un marco de módulo y conectarse en serie al utilizar esquemas de interconexión a base de soldadura estándar, en algunos casos con diodos de omisión minimizar efectos de sombreado. En casos en donde los nanocables crecen en un material transparente, el substrato de vidrio completo puede utilizarse directamente en el módulo en marco, o el vidrio puede laminarse y utilizarse como el módulo sin la necesidad de un marco. En este caso, un método de escritura por láser típicamente conocido en la técnica puede utilizarse para contacto frontal y trasero para interconectar segmentos de celda solar en serie.

Variaciones Mientras los revestimientos conformes se ilustraron en las Figuras 1 y 2 al ilustrar un llenado substancial de un espacio vacío entre nanocables adyacentes con el material de capa conforme, tales revestimientos conformes pueden parecer aquellos ilustrados en la Figura 14, en donde el dispositivo parcialmente construido 1400 comprende nanocables 101 en el substrato 102 y una primer capa conforme (revestimiento) 1403 y una segunda capa conforme 1404 dispuesta en los nanocables. Mientras los nanocables de Si se utilizaron en muchas de las modalidades descritas anteriormente, son solamente representativas de una clase mayor de nanoestructuras alargadas a base de semiconductor. Por consiguiente, como se reconocerá por un experto en la técnica, muchas de las modalidades descritas anteriormente pueden variar para incluir nanoestructuras alargadas que comprende materiales diferentes a silicio. Tales modalidades variantes tendrán capas conformes correspondientemente diferentes (de silicio). Adicionalmente, para algunas de las modalidades antes descritas, las capas conformes que comprende un material intrínseco pueden incluir A-SiGe:H.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN En resumen, la presente invención se dirige a dispositivos fotovoltaicos (PV) que comprende nanocables de silicio (Si) como elementos PV activos, en donde tales dispositivos típicamente son celdas solares de Si de película delgada. Generalmente, tales celdas solares son del tipo p-i-n. Adicionalmente, la presente invención también está dirigía a métodos para hacer y utilizar tales dispositivos, y a sistemas que emplean tales dispositivos. Al proporcionar nanocables de Si cristalinos en una matriz de Si amorfos, las trayectorias de los orificios se reducen dramáticamente, con ello aumenta la colección de orificios y la eficiencia del dispositivo correspondiente. Las modalidades aquí descritas construidas en la celdas solares de silicio amorfos de la técnica anterior al proporcionar una trayectoria eficiente para portadores de carga eléctrica en los nanocables, mientras proporcionan simultáneamente propiedades ópticas mejoradas. Se entenderá que ciertas de las estructuras, funciones, y operaciones antes descritas de las modalidades antes descritas no son necesarios para practicar la presente invención y se incluyen en la descripción simplemente para complejidad de una modalidad ilustrativa o modalidades. Además, se entenderá que las estructuras, funciones, y operaciones especificas mencionadas en las patentes y publicaciones con referencia descritas anteriormente pueden practicarse en conjunto con la presente invención, pero no son esenciales a su practica. Por lo tanto se debe entender que la invención debe practicarse de forma diferente a una específicamente descrita sin aparatarse realmente del espíritu y alcance de la presente invención como se definió por las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES 1. - Un dispositivo fotovoltaico que comprende: a) una pluralidad de nanocables de Si dispuestos en una orientación substancialmente vertical en un substrato, los nanocables de Si teniendo una impurificación de un primer tipo; b) una primer capa de Si conforme de silicio intrínseco amorfo dispuesto en conformidad con la pluralidad de nanocables de Si, para que la primer capa de Si conforme absorba efectivamente una mayoría de luz que golpea al dispositivo fotovoltaico; c) una segunda capa de Si conforme dispuesta en conformidad con la primer capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme teniendo una impurificación de un segundo tipo, con ello proporciona una carga de separación de unión; d) una capa de material conductor dispuesto en la segunda capa de Si conforme; y e) contactos superior e inferior operables para conectar el dispositivo a un circuito externo, en donde el contacto inferior está en contacto eléctrico con la pluralidad de nanocables y el contacto superior está en contacto eléctrico con la segunda capa de Si conforme. 2. - El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende una plantilla no porosa, que reside en, o que es integral con, el substrato, y de la cual emanan los nanocables de Si. 3. - El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde el substrato es transparente. 4. - El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde los nanocables de Si son p-impurificados. 5.- El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la segunda capa de Si conforme es n-impurificada. 6. - El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde el material de capa conductor es un metal, y en donde la capa de material conductor comprende un grosor entre aproximadamente 50 nm y aproximadamente 2 pm. 7. - El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la capa de material conductor es transparente, y en donde la capa de mátenla conductor comprende un grosor entre aproximadamente 50 nm y aproximadamente 200 nm. 8. - El dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la capa de materila conductor proporciona el contacto superior. 9. - Un método para hacer un dispositivo fotovoltaico, el método comprende los pasos de: a) proporcionar nanocables de Si en un substrato, en donde los nanocables de Si se orientan substancialmente perpendiculares al plano de la superficie, y en donde los nanocables Si tienen una impurificación de un primer tipo; b) depositar una primer capa Si conforme de silicio intrínseco en conformidad con la pluralidad de nanocables; c) depositar una segunda capa de Si conforme sobre la primer capa de Si conforme, la segunda capa de Si conforme tiene una impurificación de un segundo tipo para establecer una unión de separación de carga junto con los nanocables de Si y la primer capa de Si conforme; d) depositar una material transparente conductor en la segunda capa de Si conforme; y e) establecer contactos superior e inferior operables para conectar el dispositivo en un circuito externo, en donde el contacto inferior está en contacto eléctrico con la pluralidad de nanocables de Si y el contacto superior está en contacto eléctrico con la segunda capa de Si conforme. 10.- Un panel solar que comprende al menos un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el panel solar aisla tales dispositivos de su ambiente atmosférico circundante y permite la generación de energía eléctrica.