- Un dispositivo fotovoltaico que comprende un sistema óptico para una recopilación incrementada de luz,

que comprende: - una capa transparente de material (2) dieléctrico, que tiene por un lado un conjunto de microlentes (4) y por el lado opuesto una película (8) reflectante metálica con una matriz de aberturas (6), en el que las microlentes (4) enfocan la luz solar directa que incide sobre las mismas, paralela al eje óptico de dichas microlentes, a través de las citadas aberturas (6), para separar con ello la luz solar directa y la luz solar difusa, y - un primer sistema (16) de célula fotovoltaica para el aprovechamiento de la luz solar directa, situado en el semiespacio opuesto al conjunto de microlentes (4) con respecto al plano de la matriz de aberturas (6); caracterizado porque comprende además: - un segundo sistema (30) de célula fotovoltaica para el aprovechamiento de la luz solar difusa, situado en el mismo semi-espacio que contiene al conjunto de microlentes (4) con respecto al plano de la matriz de aberturas (6)

Campo de la invención

La invención se refiere en general a células solares de película delgada, y a métodos para incrementar la absorción óptica en tales dispositivos.

Más específicamente, la invención está relacionada con dispositivos fotovoltaicos, con un diseño micro-estructurado de tal modo que la absorción óptica, y con ello la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos de película delgada con absorción por otra parte limitada, se incrementa por confinamiento de la luz con una micro-lente de aprovechamiento geométrico, separadores ópticos y espejos. Además, se describe un método para generar tales estructuras de manera directa y barata mediante un procedimiento de auto-alineamiento litográfico. La presente invención se refiere también a un proceso de fabricación de bajo coste para realizar los dispositivos fotovoltaicos de la invención.

Antecedentes de la invención

La conversión directa de la energía radiante procedente del sol en energía eléctrica en tierra, ha sido durante mucho tiempo una de las aplicaciones más deseables para la generación de energía limpia. Según parece incrementarse el calentamiento global y aparecen los contaminantes de CO2 como responsables de éste en una gran parte, las demandas de formas alternativas de combustiones no fósiles son considerablemente requeridas. Las células fotovoltaicas (PV) son muy adecuadas para este propósito. La generación de electricidad por absorción de luz, ha sido bien aprovechada a partir de materiales semiconductores desde los años 1950, cuando se construyó la primera célula fotovoltaica eficaz. Desde entonces, diversos descubrimientos han generado dispositivos nuevos y mejorados, con un buen comportamiento. Las mejores células actuales son aprovechadas como generadores de potencia en aplicaciones de satélite, y alcanzan eficiencias de conversión de potencia muy por encima del 25%. Una razón fundamental de por qué las células eficientes existentes en la actualidad no están proporcionando una fracción importante de la electricidad terrestre, consiste simplemente en su alto coste de fabricación. Aunque el coste ha caído últimamente, los costes son todavía demasiado altos para competir con otras fuentes de generación de potencia. Otros materiales y sistemas fotovoltaicos más nuevos, están siendo también estudiados y desarrollados en la actualidad. Una alternativa potencial a las células caras existentes en la actualidad, son las células fotovoltaicas de película delgada, y en particular las células fotovoltaicas orgánicas. En las células de película delgada, se utiliza por lo general una cantidad muy pequeña de material semiconductor. La eficiencia de las películas fotovoltaicas de película delgada no cristalina, está limitada en gran medida por la movilidad más baja del portador de carga en comparación con su contrapartida cristalina.

En un medio de absorción, la intensidad decrece exponencialmente según avanza el flujo fotónico a través del medio. La mayor parte de la luz incidente es absorbida cuando se utilizan medios absorbentes de mayor espesor. Para alguno de los nuevos materiales fotovoltaicos, no se pueden utilizar sin embargo capas demasiado gruesas, debido a una movilidad del portador de carga demasiado baja. La baja movilidad del portador de carga impedirá por lo general que una gran parte de los portadores de carga generados alcancen los electrodos de extracción de corriente. En este caso, resulta crucial aprovechar algún tipo de mecanismo de aumento de la absorción.

En general, la eficacia de las células solares y la generación de corriente por cantidad de material activo, pueden ser incrementadas mediante el control del flujo de luz. Optimizando la absorción, se puede incrementar el rendimiento cuántico externo, así como la eficacia global de conversión de potencia de la célula. Los materiales de bajo coeficiente de absorción, tal como el Si de banda prohibida indirecta, son en la actualidad dependientes de alguna clase de estructuras de captura de luz que sean eficientes. Una primera razón para aprovechar la luz que se recoge en células solares consiste, como ya se ha expuesto, en que el volumen de semiconductor activo puede ser disminuido. Puesto que la mayor parte de los materiales semiconductores son bastante caros, esto resulta generalmente importante. Una segunda razón consiste en que las células fotovoltaicas se comportan generalmente con una eficiencia más elevada bajo un flujo fotónico más alto o cuando se exponen a fotones con longitudes de recorrido óptico más largas. Al incrementar el flujo fotónico incidente sobre el material activo en una cantidad X determinada, la cantidad de generación de portadores de carga, y con ello la corriente (J), se incrementa generalmente en la misma cantidad.

Además, la tensión VOC en circuito abierto, se incrementa normalmente de forma logarítmica con X. Esto significa, en consecuencia, que la eficacia de conversión de potencia se incrementa más rápidamente que X si el factor de relleno no se ve afectado. Al incrementar también la longitud de recorrido óptico en el interior de la célula haciendo que la luz se desplace más paralela a la película de la capa activa en vez de exactamente perpendicular a la misma, se podrá incrementar la probabilidad de generación de portador de carga por cada fotón incidente. Esto genera también, a su vez, más salida de corriente. El incremento del flujo fotónico, de la longitud de recorrido óptico y de la probabilidad de absorción fotónica, puede realizarse con la incorporación de espejos, lentes o estructuras difusoras en la parte superior o en la parte inferior del material de célula solar activa.

Al confinar la luz mediante concentradores o sistemas de incremento de la longitud de recorrido, las películas delgadas de movilidad más baja absorberán más luz cuanto más significativamente gruesas sean, permitiendo con ello la recogida del portador de carga en los electrodos. Reflejando la luz múltiples veces a través de la película delgada del material fotovoltaico, la longitud del recorrido óptico puede ser incrementada significativamente. Esto se facilita mediante la invención que aquí se incluye.

Técnica anterior

El acoplamiento interno incrementado de luz puede ser obtenido con el uso de rejillas de difracción incorporada en la capa activa o en los electrodos (L. S. Roman, O. Inganas, T. Granlund et al., “Captura de luz en fotodiodos de polímero con rejillas suaves en relieve”, Adv Mater 12 (3), 189-+ (2000)). Éstas son, sin embargo, más adecuadas para intervalos estrechos de longitud de onda, son selectivas en cuanto a polarización, y no son adecuadas para obtener acoplamiento interno de potencia óptica más alta a partir de una fuente de luz de amplio espectro. En vez de estructuras ópticas de difracción, los diseños que utilizan óptica geométrica pueden asegurar que el mecanismo de acoplamiento interno sea operativo para la mayor parte del espectro relevante de la fuente de luz, y lo ha demostrado R. Winston, “Principios de concentradores solares de nuevo diseño”, Energía Solar 16, 89 (1974).

También se ha demostrado cómo se puede utilizar la captura de luz usando cavidades de Winston para aumentar la generación de potencia en células solares de película delgada. Estos dispositivos utilizan normalmente la luz que incide en una superficie que está cubierta de cavidades con reflectores metálicos, con una geometría que dirigirá la luz de modo que sea inyectada en el absorbedor de película delgada con diferentes ángulos respecto a la normal. Esta solución tecnológica requiere la fabricación de muchas cavidades pequeñas, abiertas por ambos lados, y ha sido demostrada con métodos de micro-diseño (P. Peumans, V. Bulovic, y S. R. Forrest, “Recopilación fotónica eficiente a intensidades ópticas altas en diodos fotovoltaicos de doble hetero-estructura orgánica ultra delgada”, Appl. Phys. Lett. 76 (19), 2650-2652 (2000)).

Sin embargo, dos inconvenientes están presentes en la alternativa basada en la fabricación de cavidades reflectoras de Winston. La aceptación angular de la luz es pequeña. Las trayectorias luminosas con grandes ángulos son rechazadas después de múltiples reflexiones, reduciendo considerablemente la luz difusa recopilada por el dispositivo. En segundo lugar, se requiere la definición litográfica precisa de paraboloides abiertos por la parte inferior (es decir, por debajo del nivel del foco), para que la recopilación óptima de la luz directa a través de la abertura inferior represente un reto para la fabricación.

Además, los... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo fotovoltaico que comprende un sistema óptico para una recopilación incrementada de luz, que comprende:

- una capa transparente de material (2) dieléctrico, que tiene por un lado un conjunto de microlentes (4) y por el lado opuesto una película (8) reflectante metálica con una matriz de aberturas (6), en el que las microlentes (4) enfocan la luz solar directa que incide sobre las mismas, paralela al eje óptico de dichas microlentes, a través de las citadas aberturas (6), para separar con ello la luz solar directa y la luz solar difusa, y

- un primer sistema (16) de célula fotovoltaica para el aprovechamiento de la luz solar directa, situado en el semi-espacio opuesto al conjunto de microlentes (4) con respecto al plano de la matriz de aberturas (6);

caracterizado porque comprende además:

- un segundo sistema (30) de célula fotovoltaica para el aprovechamiento de la luz solar difusa, situado en el mismo semi-espacio que contiene al conjunto de microlentes (4) con respecto al plano de la matriz de aberturas (6).

2. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho conjunto de microlentes (4) comprende lentes esféricas o lentes cilíndricas.

3. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dichas lentes esféricas están ordenadas según una matriz hexagonal o cuadrada empaquetadas de forma próxima.

4. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha matriz de aberturas (6) comprende orificios (6) transparentes o líneas transparentes en una película (8) de material reflectante de otro modo.

5. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho primer sistema

(16) de célula fotovoltaica está conectado por medio de una capa (18) de material dieléctrico transparente al conjunto de microlentes (4) y a la matriz de aberturas (6).

6. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicho material (18) dieléctrico transparente comprende un material elastomérico.

7. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho primer sistema

(16) de célula fotovoltaica que aprovecha la luz directa está separado por un espacio (20) de aire o vacío del conjunto de microlentes (4) y de la matriz de aberturas (6).

8. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicha película (8) reflectante metálica comprende un electrodo para el citado primer sistema (16) de célula fotovoltaica que aprovecha la luz directa, o para el citado segundo sistema (30) de célula que aprovecha la luz difusa, o para ambos sistemas citados de célula fotovoltaica.

9. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicho primer sistema

(16) de célula fotovoltaica posee un electrodo (24) trasero transparente o un electrodo (24) trasero reflectante, cuyo electrodo trasero reflectante está opcionalmente modelado con estructuras dispersoras de dos dimensiones o de tres dimensiones, con el fin de desviar los rayos de luz e incrementar además la trayectoria óptica en la capa absorbente de la célula (16) fotovoltaica.

10. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicho electrodo (24) trasero transparente está separado por medio de un segundo separador óptico de un modelo (42) reflectante con estructuras de dispersión de dos dimensiones o de tres dimensiones, con el fin de desviar los rayos de luz e incrementar además la trayectoria óptica en la capa absorbente de la célula (16) correspondiente.

11. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie de dichas microlentes (4) tiene una rugosidad superficial o comprende nanoestructuras adecuadas para incrementar sus propiedades anti-reflectantes.

12. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la superficie de dichas microlentes (4) está recubierta con un recubrimiento de película anti-reflectante.

13. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la absorción fotónica por parte de la primera célula (16) está desplazada hacia el rojo con respecto a la de la segunda célula (30).

14. Un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la banda prohibida para las transiciones ópticas en las capas activas tanto de la primera (16) como de la segunda (30) células fotovoltaicas, están comprendidas en la gama de 0,8 a 2,5 eV, y la banda prohibida del material activo de la segunda célula (30) es mayor que el de la primera célula (16)

15. Un método para la construcción de un dispositivo fotovoltaico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, que comprende las etapas de:

- proporcionar una capa (2) transparente de material dieléctrico que tiene por un lado de la misma un conjunto de microlentes (4);

- aplicar al lado opuesto de dicha capa transparente una película de material (8) conductor reflectante;

- aplicar por encima de dicha película de material conductor reflectante una película de material fotosensible;

- irradiar el citado conjunto de microlentes (4) con una fuente de luz colimada con el fin de exponer a dicha fuente de luz, áreas seleccionadas que forman una matriz en dicha película de material fotosensible, a través de dicho material conductor reflectante;

- revelar el material fotosensible para dejar con ello áreas sin protección; y

- eliminar el material conductor de las áreas sin protección para obtener con ello una matriz de aberturas en el citado material conductor.