APARATO FOTOVOLTAICO CON PARTICULAS SEMICONDUCTORAS ESFERICAS.

Un aparato fotovoltaico (1) que comprende:

(a) una pluralidad de elementos de conversión fotoeléctrica (2),

cada uno de los cuales es de una forma aproximadamente esférica e incluye una primera capa semiconductora (7) y una segunda capa semiconductora (8), que está situada por fuera de la primera capa semiconductora (7), a fin de generar una fuerza electromotriz entre las primera y segunda capas semiconductoras (7, 8), de tal modo que la segunda capa semiconductora (8) tiene una abertura (9) a través de la cual queda expuesta o al descubierto una porción (10) de la primera capa semiconductora (7); y

(b) un soporte (3), que incluye un primer conductor (13), un segundo conductor (14) y un aislante (15), dispuesto entre el primer y el segundo conductores (13, 14), a fin de aislar eléctricamente los primer y segundo conductores (13, 14) uno de otro, de tal manera que el primer conductor (13) está conectado eléctricamente a las segundas capas semiconductoras (8) de los elementos de conversión fotoeléctrica (2), y el segundo conductor (14) está conectado eléctricamente a las porciones expuestas de las primeras capas semiconductoras (7), caracterizado por que el soporte (3) tiene una pluralidad de rebajes (17) que están dispuestos adyacentes unos a otros y cuyas superficies internas están constituidas por el primer conductor (13) o un revestimiento formado sobre él, estando dispuestos los elementos de conversión fotoeléctrica (2) en los respectivos rebajes (17), de tal modo que los elementos de conversión fotoeléctrica (2) son iluminados con luz reflejada por parte del primer conductor (13) o por el revestimiento formado sobre él, que constituye el rebaje (17)

Aparato fotovoltaico con partículas semiconductoras esféricas.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a un aparato fotovoltaico y a un aparato de producción a gran escala para la producción a gran escala de partículas semiconductoras esféricas, adecuadas para la fabricación de aparatos fotovoltaicos y similares.

En la divulgación que aquí se describe, el término "unión pin" debe ser interpretada de manera que incluye una estructura tal, que se forman capas semiconductoras de tipo n, I [intrínseco] y p en un elemento de conversión fotoeléctrica aproximadamente esférico, de tal modo que se disponen en este orden, en sentido hacia fuera desde el interior del elemento de conversión fotoeléctrica aproximadamente esférico, o hacia dentro desde el exterior.

Una práctica típica de la técnica relacionada proporciona un aparato fotovoltaico que comprende un elemento de conversión fotoeléctrica, compuesto de una oblea semiconductora de silicio cristalino. El aparato fotovoltaico de la técnica relacionada es de un coste oneroso debido a que la etapa de producir un cristal es compleja. Además, la etapa de fabricar una oblea semiconductora no sólo es compleja como consecuencia de que incluye el corte de un único cristal de una pieza, su troceado o rebanado y su pulido, sino que también la etapa es desperdiciadora debido a que los residuos de cristal producidos por el corte, el rebanado, el pulido, etc. ascienden a aproximadamente el 50% en volumen, o más, del cristal individual inicial de una pieza.

Otra práctica de la técnica relacionada proporciona un aparato fotovoltaico que comprende un elemento de conversión fotoeléctrica compuesto de una delgada película de silicio amorfo (abreviadamente, "a-Si"), que resuelve los problemas anteriormente mencionados. Puesto que se forma una capa de conversión fotoeléctrica de película delgada mediante el método CVD (deposición química de vapor -"chemical vapor deposition") de plasma, este aparato fotovoltaico de la técnica relacionada presenta ventajas por cuanto que las etapas que se requieren de manera convencional, tales como el corte de un cristal individual de una pieza, su rebanado y su pulido, no son necesarias y es posible utilizar una película depositada, en su totalidad, como capas activas del dispositivo. El aparato fotovoltaico de silicio amorfo, sin embargo, presenta una desventaja por cuanto que el semiconductor tiene un cierto número de defectos cristalinos (esto es, estados de separación o salto) en el seno del semiconductor, debido a la estructura amorfa, y la batería solar de silicio amorfo tiene el problema de que la eficiencia de la conversión fotoeléctrica se reduce como consecuencia de un fenómeno de deterioro inducido fotónicamente. Con el fin de resolver este problema, se ha desarrollado, convencionalmente, una técnica de desactivación de los defectos cristalinos por medio de la aplicación de un tratamiento de hidrogenación, mediante la cual se ha llevado a cabo la fabricación de dispositivos electrónicos tales como baterías solares de silicio amorfo.

Sin embargo, ni siquiera dicho tratamiento es capaz de eliminar completamente los efectos adversos de los defectos cristalinos, y, por ejemplo, la batería solar de silicio amorfo sigue teniendo un punto débil por cuanto que la eficiencia de la conversión fotoeléctrica se reduce entre el 15% y el 25%.

Una técnica recientemente desarrollada para suprimir el deterioro inducido fotónicamente ha producido una batería solar del tipo de apilamiento o pila en la que una capa de tipo i [semiconductor intrínseco] fotoeléctricamente activa se ha hecho extremadamente delgada y se emplean células solares de 2 uniones o de 3 uniones, y ha tenido éxito por lo que respecta a la supresión del deterioro inducido fotónicamente hasta aproximadamente el 10%. Se ha puesto de manifiesto que el grado de deterioro inducido fotónicamente se reduce cuando la temperatura de funcionamiento de las células solares es alta. Si bien se está desarrollando en este momento una técnica modular en la que las células solares se hacen funcionar en tal estado, ésta no satisface todos los requisitos y se requieren mejoras adicionales.

Aún otra práctica de la técnica relacionada en la que se elimina el problema anterior, se divulga la Publicación de Patente Japonesa Examinada Nº JP-B2 7-54855 (1995). De acuerdo con esta práctica de la técnica relacionada, se forma una matriz solar de la siguiente manera. Se incluyen o embuten partículas esféricas, cada una de las cuales tiene una esfera de silicio de tipo p y una cubierta o cáscara de silicio de tipo n, en el seno de una lámina plana de hoja de aluminio, provista de orificios. Las esferas internas de silicio de tipo p se dejan expuestas o al descubierto mediante eliminación por ataque químico superficial de las cáscaras de silicio de tipo n de la cara o lado trasero de la hoja de aluminio. Las esferas de silicio de tipo expuesto se unen a otra lámina de hoja de aluminio.

En esta práctica de la técnica relacionada, con el fin de reducir los costes disminuyendo la cantidad de silicio de alta pureza utilizado, es necesario reducir el espesor medio del dispositivo en su conjunto mediante la reducción del diámetro exterior de las partículas. Para aumentar la eficiencia de la conversión, es necesario agrandar la superficie de recepción de luz, y, con este fin, se requiere disponer las partículas unas más cerca de las otras. En suma, se necesita disponer densamente un cierto número de partículas que tienen un diámetro exterior pequeño, y unirlas a las láminas de hoja de aluminio. Esto hace compleja la etapa de unir las partículas a las láminas de hoja de aluminio, con el resultado de que no se consigue una reducción suficiente del coste.

Tales partículas semiconductoras esféricas son necesarias para fabricar una matriz o conjunto ordenado solar tal como el que se describe en el documento JP-B2 7-54855. En dicho conjunto ordenado solar, puede obtenerse fuerza foto-electromotriz generada por la aplicación de luz a partículas semiconductoras esféricas de silicio, conectando eléctricamente las partículas semiconductoras esféricas de silicio al conjunto ordenado de hoja metálica.

Según se describe, por ejemplo, en la Patente norteamericana Nº 5.012.619, dichas partículas esféricas se fabrican de una manera tal, que un material de estado sólido se tritura hasta obtener partículas que tienen formas externas irregulares, y las partículas resultantes se colocan en un cilindro que está provisto de un revestimiento interior para el amolado, de manera que se establece un flujo espurio o parásito de gas dentro del cilindro, a fin de hacer chocar con ello las partículas con el revestimiento interior o unas con otras.

Esta práctica de la técnica relacionada requiere mucho tiempo y trabajo para fabricar partículas semiconductoras esféricas y, en consecuencia, es inferior en el aspecto de reducción de costes.

Aún otra práctica de la técnica relacionada se divulga en la Publicación de Patente Japonesa No Examinada Nº JP-A 8-239298 (1996). En esta práctica de la técnica relacionada, se fabrica una delgada barra de silicio de la siguiente manera. Una porción de punta de una barra de silicio, perteneciente a una barra de silicio que se sujeta verticalmente, se funde por calentamiento a alta frecuencia. Una vez que un cristal de silicio nuclear o de semilla se une por fusión a la barra de silicio fundida, el cristal de silicio de semilla y la barra de silicio son desplazados en alejamiento uno de otro en dirección vertical, con lo que se obtiene una delgada barra de silicio que tiene menos de 1 mm de espesor. Con arreglo a esta práctica de la técnica anterior, se fabrica una delgada barra de silicio a una velocidad de, por ejemplo, entre 5 mm/minuto y 10 mm/minuto. Es deseable que se fabrique un gran número de partículas semiconductoras esféricas a una velocidad mucho mayor.

Se aprecia que las publicaciones de Patentes norteamericanas Nos. US 4.521.640 y US 5.466.301 describen un aparato fotovoltaico que comprende una pluralidad de esferas semiconductoras dispuestas en un soporte que tiene una capa semiconductora generalmente plana, que está conectada eléctricamente a la capa exterior de las esferas semiconductoras.

Sumario de la invención

Es un propósito de la presente invención proporcionar un aparato fotovoltaico altamente fiable y altamente eficiente que pueda ser producido a gran escala con facilidad,...

1. Un aparato fotovoltaico (1) que comprende:

(a) una pluralidad de elementos de conversión fotoeléctrica (2), cada uno de los cuales es de una forma aproximadamente esférica e incluye una primera capa semiconductora (7) y una segunda capa semiconductora (8), que está situada por fuera de la primera capa semiconductora (7), a fin de generar una fuerza electromotriz entre las primera y segunda capas semiconductoras (7, 8), de tal modo que la segunda capa semiconductora (8) tiene una abertura (9) a través de la cual queda expuesta o al descubierto una porción (10) de la primera capa semiconductora (7); y

(b) un soporte (3), que incluye un primer conductor (13), un segundo conductor (14) y un aislante (15), dispuesto entre el primer y el segundo conductores (13, 14), a fin de aislar eléctricamente los primer y segundo conductores (13, 14) uno de otro, de tal manera que el primer conductor (13) está conectado eléctricamente a las segundas capas semiconductoras (8) de los elementos de conversión fotoeléctrica (2), y el segundo conductor (14) está conectado eléctricamente a las porciones expuestas de las primeras capas semiconductoras (7), caracterizado por que el soporte (3) tiene una pluralidad de rebajes (17) que están dispuestos adyacentes unos a otros y cuyas superficies internas están constituidas por el primer conductor (13) o un revestimiento formado sobre él, estando dispuestos los elementos de conversión fotoeléctrica (2) en los respectivos rebajes (17), de tal modo que los elementos de conversión fotoeléctrica (2) son iluminados con luz reflejada por parte del primer conductor (13) o por el revestimiento formado sobre él, que constituye el rebaje (17).

2. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los elementos de conversión fotoeléctrica (31) tienen un diámetro exterior de entre 0,5 mm y 2,0 mm.

3. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la abertura (9) de la segunda capa semiconductora (8) tiene un ángulo central ?1 de entre 45º y 90º.

4. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los rebajes (17) del soporte (3) tienen respectivas aberturas (18) de un polígono, del cual las que son adyacentes entre sí son continuas, de tal manera que cada uno de los rebajes (17) se estrecha hacia un fondo del mismo, y la primera capa semiconductora (7) y la segunda capa semiconductora (8) de cada uno de los elementos de conversión fotoeléctrica (2) están conectadas eléctricamente al segundo conductor (14) y al primer conductor (13), respectivamente, en el fondo del rebaje (17) o en las proximidades del mismo.

5. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual el primer conductor (13) está dotado de un primer orificio de conexión circular (39) formado en el fondo del rebaje (17) o en las proximidades del mismo, y el aislante (15) está provisto de un segundo orificio de conexión circular (40) que tiene una línea axial común con el primer orificio de conexión (39), una porción del elemento de conversión fotoeléctrica (2), situada en las proximidades de la abertura (9) de la segunda capa semiconductora (8), se ajusta en el primer orificio de conexión (39), y una porción de superficie exterior, situada por encima de la abertura (9) de la segunda capa semiconductora (8), está conectada eléctricamente a una cara de extremo del primer orificio de conexión (39) del primer conductor (13) o a una porción del mismo situada en las proximidades de la cara de extremo, y la porción expuesta o al descubierto de la primera capa semiconductora (7) del elemento de conversión fotoeléctrica (2) está conectada eléctricamente al segundo conductor (14) a través del segundo orificio de conexión (40).

6. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 5, en el cual

un diámetro exterior D1 de los elementos de conversión fotoeléctrica (2),

un diámetro interior D2 de las aberturas (9) de las segundas capas semiconductoras (8), y

un diámetro interior D3 de los primeros orificios de conexión (39), y

un diámetro interior D4 de los segundos orificios de conexión (40) satisfacen la relación D1 > D3 > D2 > D4.

7. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual una relación x de captación de luz, que es igual a S1/S2, se seleccionada de modo que está comprendida en el intervalo entre 2 y 8,

donde S1 es un área de abertura (18) de cada uno de los rebajes (17) del soporte (3) y S2 es un área de una sección transversal de los elementos de conversión fotoeléctrica (2) que incluye un centro de los mismos.

8. Un aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual cada uno de los elementos de conversión fotoeléctrica (31) tiene un diámetro exterior de entre 0,5 mm y 2 mm, y una relación x de captación de luz, que es igual a S1/S2, se selecciona de manera que se encuentra dentro de un intervalo entre 2 y 8, donde S1 es un área de abertura (18) de cada uno de los rebajes (17) del soporte (3) y S2 es un área de una sección transversal de los elementos de conversión fotoeléctrica (2) que incluye un centro de los mismos.

9. Un aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual cada uno de los elementos de conversión fotovoltaica (31) tiene un diámetro exterior de entre 0,8 mm y 1,2 mm, y una relación x de captación de luz, que es igual a S1/S2, se selecciona de manera que se encuentra en el intervalo entre 4 y 6, donde S1 es un área de abertura (18) de cada uno de los rebajes (17) del soporte (3) y S2 es un área de una sección transversal de los elementos de conversión fotoeléctrica (2) que incluye un centro de los mismos.

10. Un aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los elementos de conversión fotovoltaica (2) tienen una unión pn de tal manera que la segunda capa semiconductora (65) de uno de los tipos de conductividad, que tiene un salto entre bandas óptico más ancho que el de la primera capa semiconductora (64), que tiene el otro tipo de conductividad, está formada por fuera de la primera capa semiconductora (64).

11. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los elementos de conversión fotovoltaica (2) tienen un unión pin de tal manera que la primera capa semiconductora (68, 73), que tiene uno de los tipos de conductividad, una capa semiconductora intrínseca amorfa (69, 74), y una segunda capa semiconductora amorfa (70, 76) del otro tipo de conductividad, que tiene un salto entre bandas óptico más ancho que el de la primera capa semiconductora (68, 73), están dispuestas hacia fuera en este orden.

12. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 10, en el cual la primera capa semiconductora (68, 73) y la segunda capa semiconductora (70, 76) están hechas, respectivamente, de silicio de tipo n y de silicio amorfo de tipo p.

13. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 12, en el cual el silicio de tipo n del que está hecha la primera capa semiconductora (68, 73), es silicio de un único cristal o mono-cristal de tipo n o silicio microcristalino (µc) de tipo n.

14. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la primera capa semiconductora (7) es una capa semiconductora de salto directo.

15. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 14, en el cual la capa semiconductora de salto directo está hecha de un semiconductor seleccionado de entre el grupo consistente en InAs, GaSb, CuInSe₂, Cu(InGa)Se₂, CuInS, GaAs, InGaP y CdTe.

16. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual se disponen adyacentes entre sí una pluralidad de los soportes (3, 3b), cada uno de los cuales tiene porciones periféricas que se extienden hacia fuera, y se disponen extendiéndose una sobre otra, y eléctricamente conectadas entre sí, una parte del primer conductor (13) situada en la porción periférica de uno de los soportes (3) de cada par de soportes (3, 3b) adyacentes entre sí, y una parte del segundo conductor (14) situada en la porción periférica del otro (3b).

17. El aparato fotovoltaico (1) de acuerdo con la reivindicación 16, en el cual la porción periférica tiene salientes hacia arriba o salientes hacia abajo, y el saliente hacia arriba o el saliente hacia abajo de uno de los soportes de cada par de soportes adyacentes entre sí, y el saliente hacia arriba o el saliente hacia abajo del otro están puestos en contacto uno con otro y conectados eléctricamente entre sí.