WO2011045462A2 - Dispositivo fotovoltaico y panel fotovoltaico - Google Patents

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WO2011045462A2
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Juan Carlos Jimeno Cuesta
Antonio Luque Lopez
Federico RECART BARAÑANO
Rosa Lago Aurrekoetxea
Ruben Gutierrez Serrano
Kenneth Varner
Carmen Ikaran Salegi
Fernando Hernando Briongos
María José SAENZ NOVALES
Joseba Ezquerra Ventosa
Maria Velia Rodriguez Cuesta
Víctor MARTINEZ SANTOS
Susana Uriarte Del Rio
Vanesa Fano Leston
Nekane Azkona Estefania
Eneko Cereceda Moris
Cristina Montalban Florez
Itziar Hoces Fernandez
Lourdes Perez Mansano
Aloña OTAEGI AIZPEOLEA
Jorge Martin Real
Iratxe Freire Velasco
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Universidad Del Pais Vasco - Euskal Herriko Unibertsitatea
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the crystalline silicon solar cells have dominated the market of the photovoltaic sector since the beginning and currently account for between 80 and 90% of it.
  • the reasons for the success of this technology are based on the abundance and relative low cost of silicon as the base material for cell manufacturing, reasonable efficiency and very stable and relatively simple manufacturing technology.
  • the photovoltaic modules made with silicon cells are stable for long periods of time, and both the materials and the processes used in their manufacture are very environmentally friendly.
  • Industrially manufactured solar cells for inclusion in flat panel photovoltaic solar modules typically have efficiencies of light to electricity conversion of the order of 15 to 18%, depending on the quality of the starting material used and the complexity of the manufacturing process of the solar cell In the laboratory, using the best complex and very careful manufacturing substrates and manufacturing processes, solar cells with efficiencies of up to 24.7% have been obtained at the University of New South Wales in Australia, UNSW, in 1999.
  • Concentrated solar cells allow to increase the efficiency of solar cells, basically because although the operating current increases proportionally to the level of concentration, the voltage at which the cell operates also tends to increase slightly, which causes the power generated ( IxV) increases more than the level of the incident light.
  • Cells or devices called tandem or multi-union are some of the best candidates for the realization of photovoltaic assemblies of very high efficiency.
  • different layers or solar cells made of different semiconductor materials that have different widths of their prohibited band are stacked.
  • the width of the prohibited band of a semiconductor determines the minimum energy of the photons that can be absorbed by that material, which will appear as transparent for less energetic photons.
  • the width of the prohibited band is linked to the voltage at which the solar cell can operate, so that higher tensions are usually obtained as this width of the prohibited band increases.
  • the cell with the highest bandwidth is located at the top of the structure, exposed directly to the sun's rays, while the cell with the lowest bandwidth is located at the bottom.
  • the upper cell absorbs the most energetic photons, being transparent to the rest, which affect the following structure.
  • the process is repeated until there are only those photons whose energy is less than the minimum bandwidth forbidden in the tandem set.
  • Each cell is connected with the immediate superior and inferior joining the negative terminal of one with the positive of the other and vice versa.
  • each solar cell works at a different voltage, the total voltage of the tandem cell being the sum of all of them, but all of them must work at the same current, since it crosses the entire tandem structure. This situation makes the tandem cells very sensitive to the spectrum of the incident light and also to the manufacturing process itself, since the cell that produces the lowest photocurrent will limit the current delivered by the entire assembly.
  • Tandem cells have been manufactured based on very different materials, such as those based on amorphous silicon and other materials ll-VI or l-lll-VI, such as CdSe on CIGS. But the most evolved are those based on semiconductors lll-V. With these materials, cells with efficiencies greater than 40% have recently been made. For structures with 4 semiconductor levels, conversion efficiencies of the order of 50% are expected, the theoretical limit being above 60% for structures with an unlimited number of solar cell layers. A drawback of this type of devices is its enormous complexity. For example, a Fraunhofer-ISE cell with an efficiency of 41.1% at 454 soles of concentration, contains a total of 19 semiconductor layers.
  • Silicon cells are capable of producing a photogenerated current in the band of 34 to 41 mA / cm 2 of material. Below 1, 1 eV of energy, which silicon is capable of absorbing, only the solar spectrum of the order of 20 mA / cm 2 remains that could be converted into electricity at reasonable voltage values. This means that the design of a tandem cell with silicon and germanium in its last two levels would require the use of one or two more cells in the upper part of the tandem structure, capable of removing the silicon cell from 14 to 21 mA cm 2 of photons that cannot be used in this structure and convert them into electricity at other higher voltages.
  • Figure 1 reflects an example of an equivalent circuit of a tandem photovoltaic cell structure according to the state of the art. It can be considered that what is called a tandem cell 100 is actually a photovoltaic device composed of a plurality of solar cells 101-103 (sometimes called “sub cells", to differentiate them from the "global” cell 100) connected in series and configured to receive sunlight L.
  • a tandem cell 100 is actually a photovoltaic device composed of a plurality of solar cells 101-103 (sometimes called “sub cells", to differentiate them from the "global” cell 100) connected in series and configured to receive sunlight L.
  • Each of said solar cells corresponds to a layer of the structure of the device, and the cells / layers are superimposed so that at a first end (which is usually referred to as "upper end", since it is the end that, when the device is in use, is located to receive sunlight first) there is a first 101 of said layers, and at a second end, which is usually referred to as the "lower end", there is a last 103 of said layers, there may be one or more intermediate layers 102. Therefore, each solar cell (101, 102, 103) It corresponds to one of the layers of the structure, and the cells (layers) are connected in series, as reflected in Figure 1.
  • Each cell or layer is of a particular material (or combination of materials) (in Figure 1, m1, m2, m3) and is configured to present a specific prohibited band, which varies between the different layers.
  • the upper layer 101 has the widest prohibited band (for example, in a typical case, of the order of 1, 7 eV), the next layer 102 has a less wide prohibited band (for example, 1, 2 eV), etc. ., so that the bandwidth less wide of all (for example, 0.7 eV) is that of the lower layer 103.
  • the bandwidth less wide of all for example, 0.7 eV
  • the upper solar cell 101 absorbs the photons whose energy exceeds the width of its prohibited band (and produces an energy corresponding to said band, "missing" at least the difference between the photon energy and the width of the prohibited band of the layer), while the rest of the photons pass to the next layer, etc.
  • it is therefore necessary, on the one hand, to configure it so that it has an adequate number of layers and, on the other hand, that the distribution of the widths of the prohibited bands of said layers is adequate, depending on the energy spectrum of sunlight.
  • a problem that arises from the serial connection of photovoltaic or solar cells is that, while each cell operates at a voltage (U1, U2, U3) that is a function of, among other things, the width of its prohibited band and of the intensity and spectrum of light, the current (I) across all cells is the same, so that the cell that produces less current limits the total current of the device, so that, for example, a of the solar cells 101 and 102 it is capable of producing a very high current by absorbing a lot of solar energy, its ability to convert it into electrical energy can be limited by the current produced by another of the layers, for example, the lower layer 103.
  • the lower layers do not they limit the current produced by the upper layer, while achieving an acceptable voltage (for example, the sum of the voltage of the two lower layers) It is indicated that this provision is intended to increase the efficiency of the device, although He comments that there may also be some technical problems that need to be solved.
  • Trupke et al. effectively serve to increase efficiency. However, it also seems to have certain limitations. To begin, it requires at least three layers (the two that must be connected in series, and the third, the upper one). On the other hand, since it is necessary to ensure that the voltage with which the device operates is adequate, it is also necessary to choose the materials for the different layers well, in order to optimize not only the currents that occur, but also the tension, something that imposes a limitation on the designer of the structure in terms of, for example, the choice of materials. It may also be that interconnection between layers may involve certain difficulties, due to the particular combination of parallel and serial connections.
  • a first aspect of the invention relates to a photovoltaic device, comprising a plurality of layers configured to convert light (L) into electrical energy, each layer comprising at least one solar cell, each layer being configured such that it has a prohibited band with a predetermined width, the width of the prohibited band of each layer being different from the width of the prohibited band of the other layers.
  • at least one of said layers comprises at least two solar cells connected in series, said solar cells having series connected bands prohibited with the same width.
  • the layers are connected to each other in parallel, so that the tension on each layer is the same.
  • one of the layers is a crystalline silicon cell (this cell could be made from a silicon substrate, which would be the mechanical support of the entire structure, which would reduce the cost of the total device compared to others that use, for example, germanium or other material as support).
  • a silicon solar cell can produce about 40 milliamps of current for every square centimeter of surface exposed to light under standard lighting conditions ("a sun"). If another solar cell of a less broadband bandwidth material, Germanium for example, was added to the bottom of the silicon cell, and a conventional tandem structure was used, the total device could produce an electrical current of less than 17 milliamps per square centimeter.
  • the current has a linear behavior, being therefore very sensitive to variations in the level luminous or to changes of the spectral components of the light.
  • the voltage at which the different cells operate varies logarithmically with the level of illumination, which makes this parameter, the voltage, have a low sensitivity to the illumination.
  • This quality makes the structure of the invention a much more robust structure than the conventional one due to its greater independence in terms of its operating characteristics with respect to possible variations in the light level, fundamentally those that alter the spectral distribution of light.
  • One of the layers can be silicon, more specifically, crystalline silicon. That is, in that case, the device comprises silicon solar cells, something that serves to reduce the cost.
  • Another layer may be of a material comprising germanium. It has been found that due to their characteristics, including the width of their prohibited bands, the combination of a silicon layer and a germanium-based layer - for example, substantially of germanium or germanium-silicon - can represent an adequate balance between cost and efficiency
  • the silicon layer may comprise a solar cell with an upper face and a lower face, and on said lower face two (2) solar cells of the material comprising germanium, connected in series, may be arranged. It has been found that the 1: 2 ratio between silicon cells and germanium or germanium-silicon cells can be optimal: it allows to produce an acceptable current at an acceptable voltage; if only one germanium cell had been used per silicon cell, the germanium cell would produce more current - because it had a larger surface area - but the voltage would drop, something that would negatively affect the contribution of the silicon cell to the total power produced by the device, resulting in an efficiency worse than that achieved with the ratio of 1: 2.
  • a second of the layers may be a silicon layer comprising a plurality of second solar cells connected in series
  • a third of the layers may be a layer of a material comprising germanium, comprising said third of the layers a plurality of third solar cells connected in series, such that at least one of the third solar cells, connected in series, are arranged on a lower face of each of the second solar cells.
  • an additional layer namely a first of the layers, may be disposed on an upper face of the second of the layers and comprise at least one solar cell having a prohibited band wider than the prohibited silicon band.
  • the material comprising germanium can be, for example, germanium or germanium-silicon.
  • Another aspect of the invention relates to a photovoltaic panel or solar panel, comprising a plurality of photovoltaic devices according to the invention.
  • Figure 2 shows an example of an equivalent circuit of a tandem photovoltaic device structure according to a possible embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows the different absorption coefficients of silicon and germanium.
  • Figure 4 shows the different parts of the solar spectrum that would be absorbed by each of the solar cells.
  • Figure 5 shows a schematic perspective view of a silicon photovoltaic cell with rear contacts.
  • Figure 6 shows a schematic perspective view of the same silicon photovoltaic cell with two germanium cells superimposed on its lower face.
  • Figure 7 shows a cross section of a structure similar to that of Figure 6.
  • Figure 2 reflects how a photovoltaic device according to the invention can comprise two or more layers (1, 12, 13) configured to convert light L into electrical energy.
  • Each layer comprises at least one solar cell, and each layer is configured to have a prohibited band with a predetermined width, the width of the prohibited band of each layer being different from the width of the prohibited band of the other layers.
  • At least one of the layers (12, 13) It comprises at least two solar cells (12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) connected in series, and the layers are connected to each other in parallel, so that the voltage U on each layer (1 1, 12, 13) it's the same.
  • a different current flows through each layer ( ⁇ 11; l 12 , li 3 ), so that the device produces a total current that is the sum (I11 + I12 + I13) of the currents produced by each layer
  • the device may comprise two layers, for example, a layer of crystalline silicon with one or more solar cells in series, and another layer of germanium or silicon-germanium, arranged on the underside of the anterior layer of so that on the "bottom" surface of each silicon solar cell there are two or more germanium cells, connected in series.
  • another layer with a prohibited band greater than that of silicon is deposited on the silicon layer (for example, a prohibited band greater than 2 eV), in which case there may be two or more silicon solar cells arranged in each solar cell of the upper layer.
  • germanium or silicon-germanium can be used, whose bandwidth prohibited can be modulated in the range of 0.65 to 1, 1 eV depending on both of the ratio of silicon to germanium as of the stress of the crystalline network.
  • Figure 3 shows the different absorption coefficients of silicon and germanium. Above 1000 nm, almost all sunlight is absorbed in the germanium or silicon-germanium cells, with small thicknesses of this cell, less than 5 micrometers, being sufficient for the collection of most of the infrared spectrum.
  • Figure 4 shows the different parts of the solar spectrum that would be absorbed by each of the solar cells. In the event that the silicon cell is a rear contact cell, both the structure of the cell and its manufacture are simple.
  • Figure 5 schematically shows a 1 1 A silicon photovoltaic cell, in perspective and with its lower face (that is, the one that does not receive sunlight L) facing up. You can see the positive emitter 21, the negative emitter 22, the positive electrode 23 and the negative electrode 24.
  • Figure 6 you can see the structure of two layers, in which the silicon layer, which can form the support of the structure, two photovoltaic cells 12A and 12B of germanium (or germanium-silicon) have been superimposed, connected in series through the electrode 25 and connected in parallel with the silicon photovoltaic cell 1 1 A through the rear contacts 23 and 24.
  • Figure 7 schematically illustrates a cross section of a structure similar to that of Figure 6, where similar elements bear the same numerical references.
  • the upper part of the photovoltaic cell has a particular configuration typical of those of the TWT type contemplated in WO-A-2006/051 132, but it could be any other: it is not an essential characteristic for the invention.
  • the germanium layer is divided into small portions each covering the type region not the type p corresponding to the interdigitated structure of the rear face of the silicon cell.
  • the nyp type emitters of the front faces of the n + pyp + p, on + nyp + n cells if the germanium is doped type n could be formed from those existing on the rear face of the silicon cell, by diffusion from these.
  • An emitter 30 may be necessary on the rear face of one of the germanium cells in order to complete the p + pn + on + np + structure , depending on the type of germanium deposited.
  • a metal layer 25 is deposited by joining the rear faces of both germanium cells in order to connect in series the structures n + pyp + pn + , on + np + and p + n if the germanium is doped type n. Finally, an insulator 27 between the silicon and germanium cells may be necessary in order to separate the Fermi pseudo-levels from both structures.
  • the germanium cell could collect up to 17 mA / cm 2 , not usable by the silicon cell. As this cell is divided into two halves, then connected in series, the germanium structure could collect up to 8.5 mA / cm 2 and easily above 6 mA / cm 2 . These figures represent an improvement of 12 to 20% on the silicon cell used as support. Taking into account that it is possible to manufacture silicon cells with efficiencies of up to 24.7% measured at 1 sun, the new two-level structure could represent a technologically attainable efficiency located in the band of 27 to 30%. For a structure with three levels, about 10 mA / cm 2 , of those previously collected by the silicon cell, could be obtained at a double voltage. The efficiency attainable for this structure would be in the range of 32 to 36%.
  • the basic structure of two levels is considered, for example, an upper level that is a silicon cell of posterior contacts, and a lower level that is a series set of two germanium cells, such and as can be seen in, for example, figures 6 and 7.
  • This layer can be deposited by chemical vapor deposition, CVD, from GeH 4 , or other chlorinated compounds, such as GeH 2 CI 2 , reacting them with SiH 4 or SiH 2 CI 2 in a hydrogen environment, usually in low pressure Due to the large difference in network constants between silicon and germanium, 4.2%, it may be necessary to use special techniques in order to avoid the appearance of dislocations when, for sufficient thickness, the germanium network relaxes to its size of equilibrium A The usual technique is to deposit a thin layer of Ge at temperatures in the range of 300 to 350 5 , followed by another layer, already thick, deposited above 600 5 , ending the process with an annealing of the entire structure.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the germanium layer can be deposited on the entire posterior surface of the wafer and subsequently delineated by chemical attack or by laser ablation, or it can also be selectively deposited using a thin layer of SiGe as a seed. In this case, the two-temperature deposition process described above could be avoided.
  • an oxidation process in oxygen or water vapor environment may create the silicon oxide layer necessary for the isolation of silicon and germanium cells, using the chemical reaction for this:
  • germanium cells may require diffusion in its posterior face, type p if the deposited germanium is type n or vice versa.
  • This diffusion can be done either by conventional masking techniques, window openings and oven diffusion or by selective doped using screen printing of the dopant.
  • a metallization, performed either in high vacuum or by screen printing will electrically link both germanium structures.
  • the invention is not limited to the specific embodiments that have been described but also covers, for example, the variants that can be made by the average person skilled in the art (for example, in terms of the choice of materials, dimensions , components, configuration, etc.), within what follows from the claims.

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Abstract

El dispositivo fotovoltaico tiene una pluralidad de capas (11, 12, 13) configuradas para convertir luz (L) en energía eléctrica. Cada capa comprende al menos una célula solar (11A; 12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D). Cada capa está configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas. Al menos una de las capas (12, 13) comprende al menos dos células solares (12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie y que tienen bandas prohibidas con la misma anchura. Las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión (U) sobre cada capa (11, 12, 13) es la misma. La invención también se refiere a un panel fotovoltaico.

Description

DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO Y PANEL FOTOVOLTAICO
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La invención se engloba en el campo de la energía solar fotovoltaica y, más específicamente, en el campo de los dispositivos fotovoltaicos tipo "tándem", es decir, que comprenden una pluralidad de capas que presentan bandas de energía prohibidas con diferente anchura.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las células solares de silicio cristalino han dominado desde el comienzo el mercado del sector fotovoltaico y actualmente suponen entre el 80 y el 90% de éste. Las razones para el éxito de esta tecnología se basan en la abundancia y relativo bajo coste del silicio como material base para la fabricación de las células, una eficiencia razonable y una tecnología de fabricación muy estable y relativamente sencilla. Los módulos fotovoltaicos realizados con células de silicio son estables para largos periodos de tiempos, y tanto los materiales como los procesos empleados en su fabricación son muy respetuosos con el medio ambiente.
Las células solares fabricadas industrialmente para su inclusión en módulos solares fotovoltaicos de panel plano presentan típicamente eficiencias de conversión de luz a electricidad del orden del 15 al 18%, dependiendo de la calidad del material de partida empleado y de la complejidad del proceso de fabricación de la célula solar. En laboratorio, empleando los mejores sustratos y procesos de fabricación complejos y muy cuidados, se han obtenido células solares con eficiencias de hasta el 24,7% en la Universidad de Nueva Gales del Sur de Australia, UNSW, en 1999. El uso bajo luz concentrada de las células solares permite aumentar la eficiencia de las células solares, básicamente porque aunque la corriente de operación aumenta proporcionalmente al nivel de concentración, la tensión a la que opera la célula tiende también a aumentar ligeramente, lo que provoca que la potencia generada (IxV) aumenta más que el nivel de la luz incidente. Para luz concentrada, la compañía americana AMONIX, con una célula de contactos posteriores desarrollada por la Universidad de Stanford, en USA, ha conseguido una eficiencia del 27,6% bajo una concentración de 92x. La eficiencia es un parámetro clave en la reducción del coste de la energía solar fotovoltaica. Obtener más energía para la misma superficie de colector fotovoltaico significa reducir los costes asociados al uso de materias primas, vidrios y encapsulados, soportes, cableado, terreno, instalación y mantenimiento, etc.
Las células o dispositivos denominados como tándem o multiunión son unos de los mejores candidatos para la realización de conjuntos fotovoltaicos de eficiencia muy elevada. En estos dispositivos se apilan diferentes capas o células solares realizadas por diferentes materiales semiconductores que presentan diferentes anchuras de su banda prohibida. La anchura de la banda prohibida de un semiconductor determina la energía mínima de los fotones que pueden ser absorbidos por ese material, que aparecerá como transparente para fotones menos energéticos. También la anchura de la banda prohibida está ligada con la tensión a la que puede operar la célula solar, de manera que suelen obtenerse mayores tensiones a medida que aumenta esta anchura de la banda prohibida. En las células o dispositivos tándem la célula de mayor anchura de banda prohibida se sitúa en la parte superior de la estructura, la expuesta directamente a los rayos del sol, mientras que la célula de menor anchura de banda prohibida se sitúa en la parte inferior. De esta manera la célula superior absorbe los fotones más energéticos, siendo transparente al resto, que inciden sobre la siguiente estructura. El proceso se va repitiendo hasta que sólo quedan aquellos fotones cuya energía es inferior a la mínima anchura de banda prohibida existente en el conjunto tándem. Cada célula va conectada con las inmediatas superior e inferior uniendo el terminal negativo de una con el positivo de la otra y viceversa. De esta manera, cada célula solar trabaja a una tensión diferente, siendo la tensión total de la célula tándem la suma de todas ellas, pero todas deben trabajar a la misma corriente, pues ésta atraviesa toda la estructura tándem. Esta situación hace que las células tándem sean muy sensibles al espectro de la luz incidente y también al propio proceso de fabricación, pues la célula que produzca menor fotocorriente limitará la corriente entregada por todo el conjunto.
Las células tándem se han fabricando en base a muy diferentes materiales, como las basadas en silicio amorfo y otras de materiales ll-VI o l-lll-VI, como por ejemplo CdSe sobre CIGS. Pero las más evolucionadas son las que se basan en semiconductores lll-V. Con estos materiales se han realizado recientemente células con eficiencias superiores al 40%. Para estructuras con 4 niveles de semiconductor se esperan eficiencias de conversión del orden del 50%, estando el límite teórico por encima del 60% para estructuras con un número ilimitado de capas de células solares. Un inconveniente de este tipo de dispositivos es su enorme complejidad. Por ejemplo, una célula de Fraunhofer-ISE con una eficiencia de 41 ,1 % a 454 soles de concentración, contiene un total de 19 capas semiconductoras. Además, este tipo de dispositivos frecuentemente usan germanio como material soporte, algo que hace que sean muy caros y sólo puedan ser empleados de una manera económicamente rentable en aplicaciones espaciales o en aplicaciones terrestres con luz concentrada. En este sentido ya existen intentos por sustituir la capa inferior de germanio por otra de silicio, mucho más económica.
La evolución desde las actuales células de silicio hacia otras más eficientes basadas en la estructura tándem antes descrita no es sencilla. Las células de silicio son capaces de producir una corriente fotogenerada en la banda de 34 a 41 mA/cm2 de material. Por debajo de los 1 ,1 eV de energía, que el silicio es capaz de absorber, sólo quedan en el espectro solar del orden de 20 mA/cm2 que pudieran ser convertidos en electricidad a unos valores razonables de tensión. Esto quiere decir que el diseño de una célula tándem con silicio y germanio en sus dos últimos niveles requeriría el empleo de una o dos células más en la parte superior de la estructura tándem, capaces de detraer de la célula de silicio los 14 a 21 mA cm2 de fotones que no pueden ser aprovechados en esta estructura y convertirlos en electricidad a otras tensiones mayores.
Por lo tanto, el empleo de la estructura de célula tándem convencional, con conexión en serie de todos los niveles, requiere de complejas estructuras para mejorar sensiblemente las características eléctricas de las actuales células de silicio.
La figura 1 refleja un ejemplo de un circuito equivalente de una estructura de célula fotovoltaica tándem según el estado de la técnica. Se puede considerar que lo que se llama célula tándem 100 en realidad es un dispositivo fotovoltaico compuesto por una pluralidad de células solares 101 -103 (a veces llamadas "subcélulas", para diferenciarlas de la célula "global" 100) conectadas en serie y configuradas para recibir luz solar L. Cada una de dichas células solares corresponde a una capa de la estructura del dispositivo, y las células/capas están superpuestas de manera que en un primer extremo (al que se suele denominar "extremo superior", puesto que es el extremo que, cuando el dispositivo está en uso, está situado para recibir la luz solar primero) hay una primera 101 de dichas capas, y en un segundo extremo, al que se suele denominar el "extremo inferior", hay una última 103 de dichas capas, pudiendo haber una o más capas intermedias 102. Por lo tanto, cada célula solar (101 , 102, 103) corresponde a una de las capas de la estructura, y las células (capas) están conectadas en serie, tal y como se refleja en la figura 1 .
Cada célula o capa es de un material (o combinación de materiales) determinado (en la figura 1 , m1 , m2, m3) y está configurada para presentar una banda prohibida determinada, que varía entre las diferentes capas. La capa superior 101 presenta la banda prohibida más ancha (por ejemplo, en un caso típico, del orden de 1 ,7 eV), la capa siguiente 102 presenta una banda prohibida menos ancha (por ejemplo, de 1 ,2 eV), etc., de manera que la banda prohibida menos ancha de todas (por ejemplo, de 0,7 eV) es la de la capa inferior 103. De esta manera, tal y como es conocido, cuando luz solar L incide sobre la estructura, los fotones atraviesan las diferentes bandas desde arriba hacia abajo, y son "absorbidos" por las bandas según la energía de los fotones. De esta manera, la célula solar superior 101 absorbe los fotones cuya energía supera el ancho de su banda prohibida (y produce una energía correspondiente a dicha banda, "perdiéndose" al menos la diferencia entre la energía del fotón y el ancho de la banda prohibida de la capa), mientras que el resto de los fotones pasan a la capa siguiente, etc. Para maximizar la eficiencia del dispositivo fotovoltaico, es por lo tanto necesario, por una parte, configurarlo de manera que presenta un número adecuado de capas y, por otra parte, que la distribución de los anchos de las bandas prohibidas de dichas capas sea adecuada, en función del espectro energético de la luz solar.
Un problema que se deriva de la conexión en serie de las células fotovoltaicas o solares es que, mientras que cada célula opera a una tensión (U1 , U2, U3) que es una función de, entre otras cosas, el ancho de su banda prohibida y de la intensidad y espectro de la luz, la corriente (I) a través de todas las células es la misma, de manera que la célula que menos corriente produce limita la corriente total del dispositivo, de manera que si, por ejemplo, una de las células solares 101 y 102 es capaz de producir una corriente muy elevada por absorber mucha energía solar, su capacidad de convertirla en energía eléctrica puede verse limitada por la corriente que produce otra de las capas, por ejemplo, la capa inferior 103. Esto implica una dificultad adicional en el momento de diseñar y producir dispositivos fotovoltaicos de tipo "tándem": no sólo es necesario conseguir una estructura cuya distribución de bandas prohibidas sea óptima (o al menos buena) en función del espectro energético solar, sino que además es importante diseñar el dispositivo para que ninguna de las capas o células fotovoltaicas limiten en exceso el rendimiento de otra de las capas. Esto no sólo dificulta el diseño, sino que también puede aumentar el coste del dispositivo, puesto que puede hacer necesario el uso de un gran número de capas y/o capas de materiales costosos.
Trupke et al., "Improved spectral robustness of triple tándem solar cells by combined series/parallel interconnection", Journal of Applied Physics, Vol. 96, No. 4, 15/8/2004, describe una manera de intentar superar el problema que implica el hecho de que la corriente a través de cada capa o célula del dispositivo tándem tiene que ser la misma. Se describen los problemas que esta limitación en cuanto a la corriente implican en una estructura de tres capas (conocida como "triple tándem solar cell'), y se propone como solución conectar dos de las capas, las que tienen las banda prohibidas de menor anchura (a saber, las dos capas inferiores), en serie entre sí, y luego conectar estas dos capas en paralelo con una capa con una banda prohibida de anchura mayor (a saber, la capa superior). De esta manera, las capas inferiores no limitan la corriente que produce la capa superior, a la vez que se consigue una tensión aceptable (por ejemplo, la suma de la tensión de las dos capas inferiores). Se indica que con esta disposición se prevé aumentar la eficiencia del dispositivo, aunque se comenta que también puede haber algunos problemas técnicos que deben solucionarse.
Es probable que la estructura propuesta por Trupke et al. efectivamente sirva para aumentar la eficiencia. Sin embargo, también parece ser que tiene ciertas limitaciones. Para empezar, requiere al menos tres capas (las dos que se deben conectar en serie, y la tercera, la superior). Por otra parte, ya que es necesario conseguir que la tensión con la que opera el dispositivo sea la adecuada, también es necesario elegir bien los materiales para las diferentes capas, con el fin de optimizar no sólo las corrientes que se producen, sino también la tensión, algo que impone una limitación al diseñador de la estructura en cuanto a, por ejemplo, la elección de materiales. También puede ser que la interconexión entre capas pueda implicar ciertas dificultades, por la particular combinación de conexiones paralelas y serie.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Por ello, se ha considerado que sería de gran interés disponer de una estructura alternativa que igualmente pueda servir para aumentar la eficiencia con respecto a los dispositivos tándem convencionales, pero que ofrezca nuevas posibilidades de diseño del dispositivo, por ejemplo, por no requerir tres capas, por no requerir conexión en serie entre capas, y/o por permitir nuevas combinaciones de materiales a la vez que se consigan corrientes y tensiones adecuadas. Un primer aspecto de la invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico, que comprende una pluralidad de capas configuradas para convertir luz (L) en energía eléctrica, comprendiendo cada capa al menos una célula solar, estando cada capa configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas. De acuerdo con la invención, al menos una de dichas capas comprende al menos dos células solares conectadas en serie, teniendo dichas células solares conectadas en serie bandas prohibidas con la misma anchura. Además, las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión sobre cada capa es la misma.
Dado que las capas están conectadas en paralelo, la corriente que produce una capa no está limitada por la corriente que producen las otras capas, algo que facilita el diseño de un dispositivo eficiente, con, por ejemplo, comparativamente pocas capas y/o materiales menos costosos.
A modo de ejemplo se puede considerar el caso de un dispositivo tándem en el que una de las capas sea una célula de silicio cristalino (esta célula se podría realizar a partir de un sustrato de silicio, que sería el soporte mecánico de toda la estructura, lo que abarataría el coste del dispositivo total frente a otros que empleen, por ejemplo, germanio u otro material como soporte). Una célula solar de silicio puede llegar a producir del orden de 40 miliamperios de corriente por cada centímetro cuadrado de superficie expuesta a la luz en condiciones de iluminación estándar ("un sol"). Si se añadiese en la parte inferior de la célula de silicio otra célula solar de un material de banda prohibida menos ancha, germanio por ejemplo, y se emplease una estructura tándem convencional, el dispositivo total podría llegar a producir una corriente eléctrica inferior a los 17 miliamperios por centímetro cuadrado. Esto es debido a que la fracción del espectro solar que es capaz de ser absorbida por una célula de germanio pero no por una de silicio, a través de la cual ya habría sido filtrado, está en este rango de valores. Por tanto, la corriente en exceso producida por la célula de silicio, los 23 miliamperios por centímetro cuadrado restantes, sería desaprovechada. Para una realización eficiente de esta estructura sería necesario incluir otro material en el extremo superior, capaz de convertir en electricidad al menos otros 17 miliamperios por centímetro cuadrado correspondientes a los fotones más energéticos, capaces de ser absorbidos por un material de mayor ancho de banda, originando un voltaje mayor que el de la célula de silicio. El conjunto podría comenzar por un material con ancho de la banda prohibida de 1 ,7-1 ,8 eV, seguido por silicio y por último germanio. Toda esta estructura se complicaría con todas las capas adicionales colocadas entre cada célula solar y que son necesarias para el correcto funcionamiento de la célula tándem según el estado de la técnica. Para que esta estructura sea eficiente se necesitarían un mínimo de tres capas si es que las dos inferiores son de silicio y germanio.
Este problema queda resuelto con la invención. Por ejemplo, de acuerdo con una realización de la invención se podría añadir la capa de germanio en la parte inferior de la célula de silicio, pero dividiendo la capa de germanio en dos células de áreas idénticas o parecidas (de forma que cada una de estas dos células produzca una corriente aproximadamente igual que la que produce la otra), conectadas en serie entre sí. Por cada centímetro cuadrado del nuevo dispositivo podrían llegar a obtenerse los 40 miliamperios correspondientes a la célula de silicio más otros 8,5 miliamperios de cada célula de germanio, obteniéndose una corriente total de 48,5 miliamperios, lo que supone una ganancia superior al 20% en valor relativo sobre la célula original de silicio.
Con la estructura según el estado de la técnica (es decir, según el concepto ilustrado en la figura 1 ) se mantiene constante la corriente que circula a través de cada capa o célula individual y se suman las tensiones que producen cada célula. La corriente, que es el parámetro común, viene limitada por aquella estructura que proporciona una corriente menor que el resto. Con la estructura según la invención, el parámetro común a todas las capas es la tensión, obtenida como la suma de las tensiones de todas las células solares que vayan unidas en serie en la capa que menor tensión produce. Sin embargo, la corriente total en el dispositivo se obtiene como suma de las corrientes de todas las capas. En el dispositivo según la invención, es la tensión de la capa peor la que limita el funcionamiento de todo el dispositivo. Respecto del nivel de iluminación, bien sea referido para todo el espectro comprendido por la luz solar o para cada uno de los subespectros capaces de ser absorbido por cada capa semiconductora, la corriente tiene un comportamiento lineal, siendo por tanto muy sensible a variaciones del nivel luminoso o a cambios de las componentes espectrales de la luz. Sin embargo, la tensión a la que operan las diferentes células varía logarítmicamente con el nivel de iluminación, lo que hace que este parámetro, la tensión, tenga una baja sensibilidad respecto de la iluminación. Esta cualidad convierte a la estructura de la invención en una estructura mucho más robusta que la convencional por su mayor independencia en cuanto a sus características de funcionamiento respecto de posibles variaciones en el nivel luminoso, fundamentalmente de aquellas que alteran la distribución espectral de la luz. Una de las capas puede ser de silicio, más concretamente, de silicio cristalino. Es decir, en ese caso, el dispositivo comprende células solares de silicio, algo que sirve para reducir el coste.
Otra de las capas puede ser de un material que comprende germanio. Se ha comprobado que debido a sus características, incluyendo la anchura de sus bandas prohibidas, la combinación de una capa de silicio y una capa basada en germanio -por ejemplo, sustancialmente de germanio o de germanio-silicio- puede representar un equilibrio adecuado entre coste y eficiencia.
La capa de silicio puede comprende una célula solar con una cara superior y una cara inferior, y en dicha cara inferior pueden estar dispuestas dos (2) células solares del material que comprende germanio, conectadas en serie. Se ha comprobado que la relación de 1 :2 entre las células de silicio y las células de germanio o germanio-silicio puede ser óptima: permite producir una corriente aceptable a una tensión aceptable; si se hubiera usado sólo una célula de germanio por célula de silicio, la célula de germanio produciría más corriente - por tener una mayor superficie- pero bajaría la tensión, algo que afectaría negativamente a la aportación de la célula de silicio a la potencia total producida por el dispositivo, dando lugar a una eficiencia peor que la que se consigue con la relación de 1 :2.
De acuerdo con una posible realización de la invención, una segunda de las capas puede ser una capa de silicio que comprende una pluralidad de segundas células solares conectadas en serie, una tercera de las capas puede ser una capa de un material que comprende germanio, comprendiendo dicha tercera de las capas una pluralidad de terceras células solares conectadas en serie, de manera que en una cara inferior de cada una de las segundas células solares están dispuestas al menos dos de las terceras células solares, conectadas en serie. Además, una capa adicional, a saber, una primera de las capas, puede estar dispuesta sobre una cara superior de la segunda de las capas y comprender al menos una célula solar que presenta una banda prohibida más ancha que la banda prohibida de silicio.
El material que comprende germanio puede ser, por ejemplo, germanio o germanio-silicio.
Cuando el dispositivo de la invención comprende una capa de silicio, la capa de silicio puede ser una capa de soporte de la pluralidad de capas. Dado que la capa de soporte tiene que cumplir con la función de "soporte", en general comprende más material que las otras capas, por lo que poder fabricarla a partir de silicio puede implicar una reducción de costes. De acuerdo con algunas modalidades de la invención, al menos una de las capas comprende al menos una célula solar de silicio con contactos en la cara inferior, estando depositadas sobre dicha cara inferior al menos dos células solares de germanio o de germanio-silicio, conectadas en serie.
Otro aspecto de la invención se refiere a un panel fotovoltaico o panel solar, que comprende una pluralidad de los dispositivos fotovoltaicos según la invención.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de figuras en el que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un ejemplo de un circuito equivalente de una estructura de dispositivo fotovoltaico tándem según el estado de la técnica.
La figura 2 muestra un ejemplo de un circuito equivalente de una estructura de dispositivo fotovoltaico tándem según una posible realización de la presente invención.
La figura 3 muestra los diferentes coeficientes de absorción del silicio y del germanio.
La figura 4 muestra las diferentes partes del espectro solar que se absorberían por cada una de las células solares.
La figura 5 muestra una vista esquemática en perspectiva de una célula fotovoltaica de silicio con contactos posteriores.
La figura 6 muestra una vista esquemática en perspectiva de la misma célula fotovoltaica de silicio con dos células de germanio superpuestas a su cara inferior.
La figura 7 muestra una sección transversal de una estructura similar a la de la figura 6.
REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
La figura 2 refleja cómo un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la invención puede comprender dos o más capas (1 1 , 12, 13) configuradas para convertir luz L en energía eléctrica. Cada capa comprende al menos una célula solar, y cada capa está configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas. Al menos una de las capas (12, 13) comprende al menos dos células solares (12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie, y las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión U sobre cada capa (1 1 , 12, 13) es la misma. Tal y como se puede ver, por cada capa fluye una corriente diferente (Ι11 ; l12, li3), de manera que el dispositivo produce una corriente total que es la suma ( I11 +I12+I13) de las corrientes producidas por cada capa.
En una realización típica, el dispositivo puede comprender dos capas, por ejemplo, una capa de silicio cristalino con una o más células solares en serie, y otra capa de germanio o silicio-germanio, dispuesta sobre la cara inferior de la capa anterior, de manera que en la superficie "inferior" de cada célula solar de silicio hay dos o más células de germanio, conectadas en serie. También existe la posibilidad de que sobre la capa de silicio esté depositada otra capa con una banda prohibida superior a la de silicio (por ejemplo, una banda prohibida superior a 2 eV), en cuyo caso puede haber dos o más células solares de silicio dispuestas en cada célula solar de la capa superior. No obstante, se considera que puede ser especialmente ventajoso que el soporte de la estructura sea la capa de silicio -entre otras cosas, porque es un material relativamente barato, por lo que el hecho de que constituya una gran parte del material total del dispositivo puede servir para reducir el coste del mismo-, y especialmente preferido que haya una capa de germanio o de silicio-germanio dispuesta sobre la superficie inferior de la capa de silicio, de acuerdo con la estructura descrita, es decir, con dos o más células fotovoltaicas de germanio o de germanio- silicio dispuestos sobre la cara inferior de cada célula fotovoltaica de silicio, algo que proporciona una eficiencia buena a un coste aceptable. Lógicamente, esta estructura puede completarse con capas adicionales, aumentando la eficiencia total del dispositivo pero también, como es lógico, aumentando su complejidad y, en muchos casos, su coste.
Tal y como se ha indicado, para las células de anchura de banda inferior a la de silicio se puede usar germanio o silicio-germanio, cuya anchura de banda prohibida puede modularse en el rango de las 0,65 a 1 ,1 eV dependiendo tanto de la relación de silicio a germanio como del estrés de la red cristalina. La figura 3 muestra los diferentes coeficientes de absorción del silicio y del germanio. Por encima de los 1000 nm casi toda la luz solar se absorbe en las células de germanio o silicio-germanio, siendo suficientes pequeños espesores de esta célula, inferiores a los 5 micrómetros, para la colección de la mayor parte del espectro infrarrojo. La figura 4 muestra las diferentes partes del espectro solar que se absorberían por cada una de las células solares. En el caso de que la célula de silicio sea una célula de contactos posteriores, tanto la estructura de la célula como su fabricación resultan sencillas. La figura 5 muestra de forma esquemática una célula fotovoltaica 1 1 A de silicio, en perspectiva y con su cara inferior (es decir, la que no recibe la luz solar L) hacia arriba. Se pueden ver el emisor positivo 21 , el emisor negativo 22, el electrodo positivo 23 y el electrodo negativo 24. En la figura 6 se puede observar la estructura de dos capas, en la que a la capa de silicio, que puede formar el soporte de la estructura, se han superpuesto dos células fotovoltaicas 12A y 12B de germanio (o germanio-silicio), conectadas en serie a través del electrodo 25 y conectadas en paralelo con la célula fotovoltaica de silicio 1 1 A a través de los contactos posteriores 23 y 24.
La figura 7 ilustra esquemáticamente una sección transversal de una estructura similar a la de la figura 6, donde elementos similares llevan las mismas referencias numéricas. La parte superior de la célula fotovoltaica tiene una configuración particular típica de las del tipo TWT que se contempla en WO-A-2006/051 132, pero podría ser cualquier otra: no es una característica esencial para la invención. Se puede ver el emisor frontal 26 (tipo n o p) y el emisor positivo 21 y negativo 22, así como correspondientes emisores negativo 28 y positivo 29 de las células de germanio, que están conectadas en serie a través del electrodo 25.
Es decir, la capa de germanio está dividida en pequeñas porciones cubriendo cada una la región tipo n o la tipo p correspondientes a la estructura interdigitada de la cara posterior de la célula de silicio. Los emisores tipo n y p de las caras frontales de las células n+p y p+p, o n+n y p+n si el germanio está dopado tipo n, podrían formarse a partir de los existentes en la cara posterior de la célula de silicio, por difusión desde éstos. Un emisor 30 puede ser necesario en la cara posterior de una de las células de germanio a fin de completar la estructura p+pn+ o n+np+, dependiendo del tipo de germanio depositado. Una capa metálica 25 se deposita uniendo las caras posteriores de ambas células de germanio a fin de conectar en serie las estructuras n+p y p+pn+, o n+np+ y p+n si el germanio está dopado tipo n. Por último un aislante 27 entre las células de silicio y germanio podría ser necesario a fin de separar los pseudoniveles de Fermi de ambas estructuras.
En el caso de una célula de tres niveles se podría depositar capas semiconductoras en la cara frontal de la célula de silicio. Estas capas podrían tener una anchura de la banda prohibida del orden de 2 eV o superior, por ejemplo, de 1 ,7 eV o superior, y su tensión de trabajo se podría, en un caso típico, situar entre 1 y 1 ,2 voltios. La célula de silicio, sustrato de la de germanio, se podría dividir en dos y cada mitad deberá conectarse en serie. La célula resultante deberá ser conectada en paralelo con la célula superior. Es decir, se correspondería con la estructura ilustrada en la figura 2, siendo las células de la capa 12 las de silicio y los de la capa 13 las de germanio o germanio-silicio. También se correspondería con la de la figura 6, siendo las células 12A y 12B las de silicio y la célula 1 1 A la de la capa superior (y no viéndose las células de germanio, que se superpondrían a las de silicio).
Para una estructura con dos niveles, el primero de silicio y el segundo de germanio o de silicio-germanio, la célula de germanio podría llegar a colectar hasta 17 mA/cm2, no aprovechables por la célula de silicio. Como esta célula se encuentra dividida en dos mitades, luego conectadas en serie, la estructura de germanio podría llegar a colectar hasta 8,5 mA/cm2 y fácilmente por encima de 6 mA/cm2. Estas cifras suponen una mejora del 12 al 20% sobre la célula de silicio usada como soporte. Teniendo en cuenta que es posible fabricar células de silicio con eficiencias de hasta el 24,7% medidas a 1 sol, la nueva estructura de dos niveles podría representar una eficiencia tecnológicamente alcanzable situada en la banda del 27 al 30%. Para una estructura con tres niveles, podrían obtenerse unos 10 mA/cm2, de los antes colectados por la célula de silicio, a una tensión doble. La eficiencia alcanzable para esta estructura se situaría en la banda del 32 al 36%.
A continuación se considera, a modo de ejemplo, la estructura básica de dos niveles, a saber, un nivel superior que es una célula de silicio de contactos posteriores, y un nivel inferior que es un conjunto en serie de dos células de germanio, tal y como se puede ver en, por ejemplo, las figuras 6 y 7.
La célula superior, de silicio, puede tender una estructura posterior interdigitada, que podrá ser del tipo IBC o PCSC o EWT o TWT (véase WO-A- 2006/051 132) o cualquier otra similar, cuyo proceso de fabricación se encuentra bien descrito en la literatura. Esta célula puede ir ya provista de los dedos metálicos 23 y 24, pues estos quedan al menos parcialmente enterrados debajo de la capa de germanio depositada. Sobre la parte posterior de la célula se puede depositar una capa de germanio de un espesor de entre 1 y 5 micrometros. Esta capa puede ser depositada por deposición química en fase vapor, CVD, a partir de GeH4, u otros compuestos clorados, como GeH2CI2, haciéndolos reaccionar con SiH4 o SiH2CI2 en un ambiente de hidrógeno, por lo general en baja presión. Debido a la gran diferencia de constantes de red entre el silicio y el germanio, 4,2%, puede ser preciso emplear técnicas especiales a fin de evitar la aparición de dislocaciones cuando, para espesores suficientes, la red del germanio se relaje a su tamaño de equilibrio. Una técnica usual consiste en depositar un fina capa de Ge a temperaturas en el rango de 300 a 3505, seguida de otra capa, ya gruesa, depositada por encima de 6005, finalizando el proceso con un recocido de toda la estructura. La capa de germanio puede ser depositada sobre toda la superficie posterior de la oblea y posteriormente ser delineada mediante ataque químico o por ablación por láser, o también puede ser depositada selectivamente usando una fina capa de SiGe como semilla. En este caso podría evitarse el proceso de deposición en dos temperaturas descrito anteriormente.
Bien durante la deposición de la capa de germanio, bien al final de ésta, un proceso de oxidación en ambiente de oxígeno o de vapor de agua podrá crear la capa de óxido de silicio necesaria para el aislamiento de las células de silicio y de germanio, valiéndose para esto de la reacción química:
Ge + 02→ Ge02
Si + Ge02→Si02 +Ge
También puede encontrarse en la bibliografía tecnología para la deposición de Germanio epitaxial sobre finas capas de óxido de silicio. Actualmente hay un gran interés en tecnologías de deposición de germanio y de silicio-germanio para la fabricación de transistores bipolares de alta velocidad y para fotodetectores, por lo que hay mucha tecnología desarrollada para estos fines.
De las dos células de germanio resultantes al menos una de ellas puede necesitar de una difusión en su cara posterior, tipo p si el germanio depositado es tipo n o viceversa. Esta difusión puede realizarse bien mediante técnicas convencionales de enmascarado, aperturas de ventanas y difusión en horno o bien mediante un dopado selectivo usando deposición serigráfica del dopante. Una metalización, realizada bien en alto vacío o por serigrafía unirá eléctricamente ambas estructuras de germanio.
En este texto, la palabra "comprende" y sus variantes (como "comprendiendo", etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos etc.
Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1 .- Dispositivo fotovoltaico, que comprende
una pluralidad de capas (1 1 , 12, 13) configuradas para convertir luz (L) en energía eléctrica, comprendiendo cada capa al menos una célula solar (1 1 A; 12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D), estando cada capa configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas,
caracterizado porque
al menos una de dichas capas (12, 13) comprende al menos dos células solares (12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie, teniendo dichas células solares conectadas en serie bandas prohibidas con la misma anchura;
y porque
las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión (U) sobre cada capa (1 1 , 12, 13) es la misma.
2. - Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1 , en el que una de las capas (1 1 ;
12) es de silicio.
3. - Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 2, en el que otra de las capas (12;
13) es de un material que comprende germanio.
4. - Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 3, en el que la capa de silicio comprende una célula solar (1 1 A) con una cara superior y una cara inferior, y porque en dicha cara inferior están dispuestas 2 células solares (12A, 12B) de dicho material que comprende germanio, conectadas en serie.
5. - Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1 , en el que:
- una segunda de las capas (12) es una capa de silicio que comprende una pluralidad de segundas células solares (12A, 12B) conectadas en serie;
- una tercera de las capas (13) es una capa de un material que comprende germanio, comprendiendo dicha tercera de las capas una pluralidad de terceras células solares (13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie, de manera que en una cara inferior de cada una de las segundas células solares están dispuestas al menos dos de las terceras células solares, conectadas en serie;
- una primera de las capas (1 1 ) está dispuesta sobre una cara superior de la segunda de las capas (12) y comprende al menos una célula solar (1 1 A) que presenta una banda prohibida más ancha que la banda prohibida de silicio.
6. - Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que dicho material que comprende germanio es germanio.
7. - Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que dicho material que comprende germanio es germanio-silicio.
8. - Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 2-7, en el que dicha capa de silicio es una capa de soporte de la pluralidad de capas (1 1 , 12, 13).
9. - Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1 , en el que al menos una de dichas capas (1 1 , 12) comprende al menos una célula solar de silicio con contactos en la cara inferior, estando depositadas sobre dicha cara inferior al menos dos células solares de germanio o de germanio-silicio, conectadas en serie.
10. - Panel fotovoltaico, que comprende una pluralidad de dispositivos fotovoltaicos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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