Disposición fotovoltaica con vitrocerámica ópticamente activa.

Celda solar con como mínimo una zona de capa (1) fotovoltaica que absorbe por lo menos parcialmente losfotones que llegan a ella cuya energía de fotón está por encima de una energía mínima de fotón Emin,

ylibera portadores de carga eléctrica en forma de pares electrón - hueco que pueden ser separadosespacialmente en el interior de la zona de capa (1) fotovoltaica y pueden ser captados por como mínimodos electrodos (2) unidos eléctricamente con la zona de capa (1) fotovoltaica creando una tensión eléctrica,así como con por lo menos una capa interactiva (3, y/o 4) que recubre por lo menos parcialmente la zonade capa (1) fotovoltaica, capa interactiva en la que al menos una parte de los fotones (6) entrantes sufreuna interacción con emisión de fotones de energía más alta o más baja que la de los fotones entrantes,caracterizada porque la como mínimo una capa interactiva (3, y/o 4) está diseñada en forma de unavitrocerámica, en donde la vitrocerámica presenta una matriz de cristal en la que están previstas zonaslocalmente limitadas con material ópticamente activo que posee la estructura y tamaño de nanoparticulascristalinas, con las cuales los fotones (6) entrantes entran en interactividad, y porque el materialópticamente activo presenta elementos de las tierras raras.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DE2008/001507.

Solicitante: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V..

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HANSASTRASSE 27C 80686 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: WEHRSPOHN,RALF BORIS, SCHWEIZER,STEFAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01L31/055 ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › donde la luz es absorbida y re-emitida en una longitud de onda diferente por el elemento óptico directamente asociado o integrado con la célula fotovoltaica, p. ej. mediante el uso de material luminiscente, concentradores fluorescente o disposiciones de conversión ascendente.

PDF original: ES-2391130_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Disposición fotovoltaica con vitrocerámica ópticamente activa

Campo técnico

El invento se refiere a una celda solar así como a un procedimiento para la fabricación de una celda solar, que como mínimo presenta una zona de capa fotovoltaica y una capa interactiva, en la que se produce una conversión up (arriba) y down (abajo) de fotones de tal manera que en la celda solar se puede convertir una gran parte del espectro solar en energía eléctrica.

Estado de la técnica

Las celdas solares transforman directamente la energía de la luz solar en energía eléctrica. Las más extendidas hasta la fecha son las celdas solares sobre la base de semiconductores, que dependiendo del material del semiconductor utilizan ante todo el espectro solar en la zona del campo visible y del vecino campo infrarrojo. Las celdas solares sobre la base de semiconductores se componen esencialmente de una capa semiconductora de tipo p y una de tipo n que están situadas entre dos electrodos. En la superficie limítrofe entre las capas p y n, la transición pn, se forma por difusión de portadores de carga una zona de carga espacial que lleva a una tensión eléctrica que puede ser captada por los electrodos.

Si un fotón llega con suficiente energía a esa zona de carga espacial, es decir, con una energía mayor que la energía Eg de hueco de banda del material semiconductor, es absorbido con una cierta probabilidad de absorción y excita un electrón de la banda de valencia del material semiconductor hacia la banda conductora del material semiconductor. Por ello, en la banda de valencia se crea un hueco. El electrón excitado en la banda conductora y el hueco forman un par llamado electrón – hueco. Debido a la diferencia de potencial existente en la zona de carga espacial el par electrón – hueco es separado espacialmente. Electrón y hueco se desplazan en dirección opuesta hacia los electrodos, con lo que finalmente se produce un flujo de corriente eléctrica.

Como muestran los anteriores comentarios solamente los fotones con una energía mínima que como mínimo se corresponda con la energía de hueco de banda del semiconductor pueden ser transformados en energía, de manera que el rendimiento teóricamente alcanzable para la transformación de la energía de los fotones en energía eléctrica a partir de la luz solar con la ayuda de células solares habituales, está limitado. Además, por ejemplo en la generación de un par electrón -hueco en una célula solar semiconductora con un fotón de alta energía, es decir, un fotón cuya energía sea claramente mayor que la del hueco de banda, por ejemplo dos veces mayor que Eg, una gran parte de la energía del fotón se pierde por termalización, es decir por la entrega de energía no radiante de los portadores de carga generados. Por estos motivos el rendimiento teóricamente alcanzable, por ejemplo, por las celdas solares de silicio está en un máximo del 30%. El rendimiento prácticamente alcanzable en el que además se tiene en cuenta la probabilidad de absorción, es claramente inferior.

Además de las celdas solares sobre la base de semiconductores se conocen también mezclas para fabricar celdas solares a partir de otros materiales. Como ejemplo podemos nombrar celdas solares orgánicas o celdas solares de colorante. Ciertamente hasta ahora incluso con esto solo se han alcanzado rendimientos bajos.

Por ello se han emprendido diferentes esfuerzos para mejorar el rendimiento de las celdas solares. Una posibilidad para mejorar el rendimiento consiste en la utilización determinada de una parte espectral amplia de la luz solar.

Así se conocen las llamadas celdas tándem, que presentan como mínimo dos diferentes zonas de capa semiconductora situadas una sobre la otra, cada una de las cuales forman dos capas fotovoltaicas, es decir zonas de celda solar con diferentes huecos de banda energéticos. Los fotones cuya energía el menor que la del hueco de banda del primer material semiconductor y que por ello atraviesan casi sin pérdidas a este primer material semiconductor pueden ser absorbidos en la segunda celda solar adjunta con menor hueco de banda, siempre y cuando su energía sea mayor que la del hueco de banda del segundo material semiconductor.

Además se conoce el crear mediante la introducción determinada de puntos de perturbación en el material semiconductor, niveles intermedios energéticos en el hueco de banda, con lo que también fotones con una energía menor que los electrones del hueco de banda pueden ser excitados a través del nivel intermedio a la banda conductora. La desventaja aquí es sin embargo que debido a los niveles intermedios también se crearán canales de recombinación no radiantes para los pares electrón -hueco, con lo que la mejora deseada del aumento de rendimiento sólo es posible de manera limitada.

Otra posibilidad para elevar el rendimiento de las celdas solares consiste en colocar por fuera de la propia celda solar, es decir la zona de capa fotovoltaica en la que se produce la absorción y la separación de cargas, capas en las que tiene lugar una conversión up o una conversión down de la energía de los fotones en el curso de procesos de dos o más fotones. Entonces en la conversión up a partir de fotones de baja energía se producen fotones de energía más alta y en la conversión down a partir de fotones de energía alta se produce como mínimo un fotón de energía baja, con lo que los fotones generados presentan cada uno una energía suficiente, de manera que ellos pueden generar portadores de carga en la capa fotovoltaica.

Sobre esto, del documento WO 03/079457 A1 se desprenden disposiciones en las cuales la propia celda solar está acoplada ópticamente con una capa de conversión up monocristalina con capa reflectora y/o una capa conversión down monocristalina, con lo que se pueden alcanzar aumentos del rendimiento teóricamente alcanzable del hasta 60%. La desventaja es sin embargo que una fabricación de tales capas de conversión monocristalinas es más cara y por tanto aparece económicamente no realizable para la fabricación en serie de módulos solares.

También son conocidos trabajos de Gibart et al., publicados en Japón, J.Appl. Ohys: 35; 1996; 4401, en los cuales una cerámica dotada con elementos de tierras raras fue situada detrás de una celda solar GaAs en dirección de la radiación, con el fin de obtener un aumento del rendimiento o una ganancia cuántica mediante una conversión up de fotones de baja energía (E<Eg) . Ciertamente, Gibart y otros llegan a la conclusión de que no parece efectiva una utilización práctica de la conversión up puesto que con estas medidas y bajo excitación en la zona espectral infrarroja (1W de potencia) solamente pudieron alcanzarse rendimientos del 2, 5%.

En el documento US 2006/169971 A1 se describe una celda solar con una capa interactiva que presenta una matriz de material inorgánico o de una resina de polímero en la que se contienen puntos cuánticos con un tamaño del orden entre 1 y 10 nanómetros y que son capaces de transformar fotones de alta energía en fotones de baja energía que finalmente serán absorbidos por la capa fotoactiva de la celda solar.

En el escrito QIU Et AL: “Fenómenos y mecanismo de fosforescencia duradera en cristales Eu<+2> dopados con aliminiosilicato” JOURNAL OF THE PHYSIC AND THE CHEMISTRY OF SOLIDS ELSEVIER UK, Tomo 59, nr. 9 Septiembre 1998, (1996-09) , paginas 1521 – 1525, XP002514843 ISSN: 0022-3697.se desprenden investigaciones en apariciones fosforescentes duraderas de cristales de silicato dopados con europio. Especialmente mencionadas son las investigaciones sobre cristales de aluminiosilicato dopados con iones de europio.

Además, de la publicación WO 2007/133344 A2 se desprende un elemento fotovoltaica que dispone de una matriz de polímero transparente en la que para la conversión de las longitudes de onda se contienen fósforos que están dopados con tierras raras.

La publicación STRÜMPEL C ET AL: “Modificando el espectro solar para mejorar la eficiencia de las celdas solares. Una perspectiva de los materiales disponibles”. SOLAR ENERGY MATERIALS & SOLAR CELLS 91 238 – 249 30, octubre 2006, publica la utilización de tierras raras en nanopartículas sobre no en una matriz de cristal.

Representación del invento

La misión consiste en una celda solar con como mínimo una zona de capa fotovoltaica que absorbe como mínimo parcialmente los fotones que caen sobre ella y cuya energía... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Celda solar con como mínimo una zona de capa (1) fotovoltaica que absorbe por lo menos parcialmente los fotones que llegan a ella cuya energía de fotón está por encima de una energía mínima de fotón Emin, y libera portadores de carga eléctrica en forma de pares electrón – hueco que pueden ser separados espacialmente en el interior de la zona de capa (1) fotovoltaica y pueden ser captados por como mínimo dos electrodos (2) unidos eléctricamente con la zona de capa (1) fotovoltaica creando una tensión eléctrica, así como con por lo menos una capa interactiva (3, y/o 4) que recubre por lo menos parcialmente la zona de capa (1) fotovoltaica, capa interactiva en la que al menos una parte de los fotones (6) entrantes sufre una interacción con emisión de fotones de energía más alta o más baja que la de los fotones entrantes, caracterizada porque la como mínimo una capa interactiva (3, y/o 4) está diseñada en forma de una vitrocerámica, en donde la vitrocerámica presenta una matriz de cristal en la que están previstas zonas localmente limitadas con material ópticamente activo que posee la estructura y tamaño de nanoparticulas cristalinas, con las cuales los fotones (6) entrantes entran en interactividad, y porque el material ópticamente activo presenta elementos de las tierras raras.

2. Celda solar según la reivindicación 1, caracterizada porque el material ópticamente activo presenta nanofosforos.

3. Celda solar según la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque la zona de capa (1) fotovoltaica presenta una zona de absorción dependiente de la energía de los fotones, y porque el material ópticamente activo esta elegido de tal manera que los fotones emitidos en el marco de la interacción presentan energías de fotones que caen en la zona de absorción de la zona de capa (1) fotovoltaica.

4. Celda solar según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la zona de capa (1) fotovoltaica prevé dos superficies laterales opuestas entre sí a las cuales está unida directa o indirectamente una capa interactiva (3, 4) que recubre por lo menos parcialmente a la correspondiente superficie lateral, porque una de las como mínimo dos superficies interactivas (3) contiene material ópticamente activo mediante el cual, en el curso de la interacción, se pueden emitir fotones con energía más baja que la energía de fotones de los fotones (6) entrantes, y porque la otra de las como mínimo dos capas alternativas (4) contiene material ópticamente activo mediante el cual en el curso de la interacción se pueden emitir fotones de energía más alta que la energía de fotones de los fotones (6) que entran.

5. Celda solar (1) según la reivindicación 4, caracterizada porque la otra capa interactiva (4) está recubierta con una capa o es vecina de una capa reflectora (5) no unida galvánicamente que refleja, por lo menos parcialmente, los fotones de energía más alta y/o los fotones (6) que entran.

6. Procedimiento para la fabricación de una celda solar acorde con las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la como mínimo una capa interactiva (3) ha sido preparada en forma de una capa vitrocerámica que presenta una matriz de cristal, y en esa matriz de cristal están contenidos nanocristales ópticamente activos, en los que se han insertado elementos de las tierras raras, y porque la como mínimo una capa interactiva (3 y/o 4) es aplicada como mínimo parcialmente directa o indirectamente sobre una superficie técnica de la zona de capa (1) fotovoltaica o porque la como mínimo una capa interactiva (3 y/o 4) sirve como sustrato para la aplicación de la zona de capa (1) fotovoltaica.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque se prepara una primera capa interactiva , porque la primera capa interactiva es aplicada como mínimo parcialmente directa o indirectamente sobre una superficie técnica de la zona de capa fotovoltaica o porque la primera capa interactiva (3 y/o 4) sirve como sustrato para la aplicación de la zona de capa (1) fotovoltaica y porque una segunda capa interactiva está aplicada como mínimo parcialmente directa o indirectamente sobre una segunda superficie técnica de la capa (1) fotovoltaica.

8. Procedimiento según la reivindicación 6 o 7, caracterizado porque la como mínimo una capa interactiva (3 y/o 4) está preparada en forma de una vitrocerámica de alta temperatura, porque la capa interactiva sirve como material de sustrato sobre la que se aplican o separan directamente, en el marco de un proceso de fabricación de la zona de capa (1) fotovoltaica, las capas semiconductoras que forman la zona de capa fotovoltaica (1) .

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque la como mínimo una capa interactiva (3 y/o 4) se obtiene mediante la fabricación de una fundición de vidrio, en la que se mezcla el material ópticamente activo en forma de nanopartículas cristalinas.

10. Procedimientos según la reivindicación 9, caracterizado porque la fundición de vidrio es una fundición de vidrio fluorado a la que se añaden iones de bario y cloro así como iones del grupo de las tierras raras, y porque mediante tratamiento térmico en la fundición de vidrio se forman nanopartículas cristalinas a las que

se adhieren como mínimo una parte de los iones del grupo de las tierras raras o en las que se introducen como mínimo una parte de los iones del grupo de las tierras raras.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque a una capa interactiva en la que fotones de energía más baja se transforman en fotones de energía más alta, se le añaden iones de erbio.

12. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque a una capa interactiva en la que fotones de energía más alta se transforman en fotones de energía más baja en el marco de un proceso de un fotón, se le añaden iones de europio.

13. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque a una capa interactiva en la que fotones de

energía más alta se transforman en fotones de energía más baja en el marco de un proceso de dos 10 fotones, se le añaden iones de europio y gadolinio.


 

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