DISPOSITIVO PARA CONVERTIR ENERGIA DE RADIACION ELECTROMAGNETICA EN ENERGIA ELECTRICA Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACION DE TAL DISPOSITIVO.

Un dispositivo de célula solar (10) para convertir energía de radiación electromagnética en energía eléctrica,

dispositivo que comprende al menos un elemento fotovoltaico (11) con una superficie sensible a la radiación, en el cual una capa (12) de cobertura de un material que comprende un compuesto de silicio, al cual se ha añadido una tierra rara, está presente en la superficie sensible a la radiación del elemento fotovoltaico (11), caracterizado porque el material de la capa (12) de cobertura comprende un compuesto de silicio y nitrógeno

Dispositivo para convertir energía de radiación electromagnética en energía eléctrica y procedimiento de fabricación de tal dispositivo.

La invención se refiere a un dispositivo para convertir energía de radiación electromagnética en energía eléctrica, dispositivo que comprende al menos un elemento fotovoltaico con una superficie sensible a la radiación, en el cual una capa de cobertura de un material que comprende un compuesto de silicio, al cual se ha añadido una tierra rara, está presente en la superficie sensible a la radiación del elemento fotovoltaico. Tal dispositivo es conocido como una célula solar fotovoltaica y conforma una atractiva fuente de energía alternativa. La invención también se refiere a un procedimiento para fabricar tal dispositivo.

Tal dispositivo y procedimiento se conocen a partir del artículo "Efecto del Eu implantado con iones en la conversión de la célula solar amorfa de silicio", por D. Diaw, publicado en Materiales de Energía Solar y Células Solares, volumen 53, números 3-4, 10 de junio de 1998, págs. 379-383. Se describe en el mismo una célula solar amorfa de silicio, cuya superficie sensible a la radiación está cubierta por una capa de cobertura de un material que comprende dióxido de silicio. Se han añadido átomos de europio a la capa de cobertura de cristal de SiO₂ anti-reflejo, a fin de lograr una emisión en la misma de luz con una longitud de onda cercana a la máxima respuesta espectral de la célula. El europio se introduce en la capa de cobertura en forma de iones de Eu+ por medio de la implantación de iones.

Una desventaja del dispositivo es que esta célula solar aún tiene una razón de conversión insuficiente. Además, la fabricación del dispositivo conocido es menos adecuada para la producción masiva.

Por consiguiente, es un objeto de la presente invención proporcionar un dispositivo de la clase mencionada en el párrafo inicial, que no tenga la desventaja anteriormente mencionada o, al menos, la tenga en un grado mucho menor, es decir, que tenga una razón de conversión relativamente alta, y que sea fácil de fabricar.

Según la invención, un dispositivo de la clase mencionada en el párrafo inicial, a este fin, está caracterizado porque el material de la capa de cobertura comprende un compuesto de silicio y nitrógeno. La invención se basa, primero y principalmente, en el reconocimiento de que un compuesto de silicio y nitrógeno es sumamente adecuado para su uso como un compuesto con una absorción y una emisión en la porción del espectro (solar) que son óptimas para células solares (de silicio). Además, la invención se basa en el reconocimiento de que tal compuesto también puede obtenerse inmediatamente en forma (poli)cristalina, lo que favorece la eficiencia de la absorción y la emisión, mejorando así la razón de conversión de la célula solar.

La invención también se basa en el reconocimiento de que los compuestos de silicio y nitrógeno tienen un índice refractivo superior al de los compuestos de silicio y oxígeno. De esta manera, el índice refractivo del SiO₂ de la capa de cobertura del dispositivo conocido es de aproximadamente 1,4, mientras que el índice refractivo, por ejemplo, de Si₃N₄ está entre 1,7 y 2. Estos valores están cerca de un valor óptimo para el silicio (con índice refractivo de aproximadamente entre 3,4 y 4 en el dominio de longitud de onda de entre 0,5 a 1 micrómetro). Esto significa que es posible, con una capa de Si₃N₄ en silicio, obtener esencialmente tanto la extinción de fase como la extinción de amplitud para una longitud de onda dada de la radiación electromagnética. Esto hace posible una mejora adicional de la razón de conversión de la célula solar si ésta última se dota de una capa de cobertura según la invención, que forme tanto una capa de conversión espectral para una parte del espectro (solar) como una capa anti-reflejo para una parte (distinta) del espectro solar.

Además, tal compuesto de silicio-nitrógeno, posiblemente incorporado en una matriz de materiales tales como Si₃N₄ o SiO₂ y TiO₂, no es tóxico, lo que es una ventaja mayor en comparación, por ejemplo, con una célula solar (parte de) cuya capa de cobertura comprende un compuesto II-VI tal como CdS/Se/Te.

Finalmente, la invención se basa en el reconocimiento de que un dispositivo según la invención también puede fabricarse por medio de una tecnología que sea adecuada para la producción masiva.

En una realización preferida, el compuesto de silicio y nitrógeno, al cual se ha añadido un elemento de tierra rara, tiene una absorción máxima en el dominio de la longitud de onda de entre 350 y 550 nm, y una emisión máxima en el dominio de la longitud de onda de entre 550 y 950 nm. Una mejora considerable en la razón de conversión de la célula solar puede lograrse gracias a ello, mientras se disponga de diversos compuestos de silicio y nitrógeno que cumplan estos requisitos.

En una primera versión, el compuesto de silicio y nitrógeno comprende Sr₂Si₅N₈. Una tierra rara, tal como el europio, ha sido añadida como dopante.

Una segunda versión tiene LaSi₃N₅ como el compuesto de silicio y nitrógeno. Este compuesto, también, está dopado, por ejemplo con europio bivalente. En una modificación de esta versión, un par de La-N es reemplazado por un par de Ba-O.

En una tercera versión, el compuesto de silicio y nitrógeno comprende CaAlSiN₃, por ejemplo, nuevamente dopado con Eu.

El elemento de tierra rara es preferiblemente un elemento escogido entre el grupo que comprende el europio, el cerio y el terbio y, preferiblemente, es el europio el escogido en este grupo.

En una versión favorable, un par de Si-N en el compuesto de silicio y nitrógeno es reemplazado por un par de Al-O. También son posibles otras sustituciones neutras en carga. Así, un par de Si-Sr o un par de Si-Be puede ser reemplazado por un par de Al-La. Parte del Si puede ser reemplazado por Ge y parte del Al, si está presente, puede ser reemplazado por B. Las propiedades deseadas del material de la capa de cobertura, tal como su eficiencia de absorción y/o emisión, y la longitud de onda en la cual estas son máximas, pueden optimizarse de esta manera. Esto puede refinarse adicionalmente en cuanto a que elementos adicionales y/u otros elementos se añadan y/o se sustituyan. Así, por ejemplo, el Sr o parte del mismo en Sr₂Si₅N₈ puede ser reemplazado por elementos bivalentes alternativos tales como el Ca y/o el Ba. Una mezcla de dos o más elementos adecuados también puede usarse ventajosamente.

En otra realización favorable, el compuesto de silicio y nitrógeno está presente dentro de una matriz de Si₃N₄. Es relativamente favorable, en tal matriz, realizar un efecto anti-reflejo de la capa de cobertura. La fabricación de tal capa de cobertura puede tener lugar, por ejemplo, por medio de la PECVD (= Deposición de Vapor Químico Potenciada por Plasma).

Una realización favorable adicional se caracteriza porque el compuesto de silicio y nitrógeno (dopado con un ion de tierra rara) está integrado en una matriz de SiO₂ y TiO₂. El TiO₂, en particular, tiene un índice refractivo relativamente alto, de aproximadamente 2,5. Esto hace más fácil dar al índice refractivo de la capa de cobertura un valor que sea óptimo para una capa anti-reflejo. Las multicapas, por ejemplo, de SiO₂, alternando con TiO₂, también pueden usarse ventajosamente. Es posible, de esta manera, obtener un buen efecto anti-reflejo de la capa de cobertura sobre una porción más amplia del espectro (solar).

En una versión especialmente favorable de un dispositivo según la invención, por lo tanto, tanto el espesor de la capa de cobertura como el índice refractivo del material de la capa de cobertura de conversión espectral se escogen de forma tal que la capa de cobertura actúe a la vez como una capa anti-reflejo. El espesor puede ser mayor que el valor óptimo para lograr un efecto anti-reflejo si esto es necesario para obtener una absorción suficiente.

Los resultados más prometedores pueden lograrse con un dispositivo que tenga un elemento semiconductor de silicio como su elemento fotovoltaico sensible a la radiación. Tal elemento, por ejemplo, es un diodo pn o diodo alfiler en silicio monocristalino, o policristalino o amorfo, o en una combinación...

1. Un dispositivo de célula solar (10) para convertir energía de radiación electromagnética en energía eléctrica, dispositivo que comprende al menos un elemento fotovoltaico (11) con una superficie sensible a la radiación, en el cual una capa (12) de cobertura de un material que comprende un compuesto de silicio, al cual se ha añadido una tierra rara, está presente en la superficie sensible a la radiación del elemento fotovoltaico (11), caracterizado porque el material de la capa (12) de cobertura comprende un compuesto de silicio y nitrógeno.

2. Un dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el compuesto de silicio y nitrógeno absorbe esencialmente entre 350 nm y 550 nm, y emite esencialmente entre 550 y 950 mm.

3. Un dispositivo según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el compuesto de silicio y nitrógeno comprende Sr₂Si₅N₈.

4. Un dispositivo según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el compuesto de silicio y nitrógeno comprende LaSi₃N₅.

5. Un dispositivo según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el compuesto de silicio y nitrógeno comprende CaAlSiN₃.

6. Un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento de tierra rara comprende un elemento del grupo que comprende europio, cerio y terbio, y porque el elemento, preferiblemente, comprende europio.

7. Un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un par de Si-N en el compuesto de silicio y nitrógeno es reemplazado mediante la sustitución por un par de Al-O.

8. Un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el compuesto de silicio y nitrógeno está integrado en una matriz de SiO₂ y TiO₂.

9. Un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el compuesto de silicio y nitrógeno está integrado en una matriz de Si₃N₄.

10. Un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el espesor de la capa de cobertura y el índice refractivo del material de la capa de cobertura se escogen de forma tal que la capa de cobertura actúe como una cobertura anti-reflejo, o bien el espesor se escoge para que sea tan grande que el espesor anteriormente especificado como sea necesario para obtener una absorción suficiente.

11. Un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento fotovoltaico sensible a la radiación comprende un elemento semiconductor de silicio.

12. Un procedimiento de fabricación de un dispositivo (10) de célula solar para convertir la energía de radiación electromagnética en energía eléctrica, dispositivo que comprende al menos un elemento fotovoltaico (11) con una superficie sensible a la radiación, por medio de lo cual la superficie sensible a la radiación del elemento fotovoltaico (11) está dotada de una capa (12) de cobertura de un material que comprende un compuesto de silicio al cual se ha añadido una tierra rara, caracterizado porque se escoge un compuesto de silicio y nitrógeno para el material de la capa (12) de cobertura.

13. Un procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque el material del compuesto de silicio y nitrógeno en la capa de cobertura está conformado para que sea cristalino.

14. Un procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque la capa de cobertura está formada por medio de una técnica de sol-gel.

15. Un procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque el material del compuesto de silicio y nitrógeno en la capa de cobertura está formado para que sea amorfo.

16. Un procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque la capa de cobertura está formada por medio de una técnica de deposición de vapor químico potenciada por plasma.