DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO BASADO EN DISELENIURO DE INDIO COBRE Y PROCEDIMIENTO DE PREPARACION DEL MISMO.
Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio (CIS) que comprende:
una capa de absorción solar basada en CIS (506) que comprende cobre, indio y selenio formada sobre un sustrato (106) que incluye una capa de silicona (306) formada a partir de una composición de silicona y una capa de lámina metálica (312):
en el que dicha composición de silicona comprende una resina de silicona caracterizada por tener:
1) al menos uno de RSiO3/2 o SiO4/2; y
2) al menos uno de HRSiO2/2 o HR2O1/2;
en la que R se selecciona del grupo de un grupo hidrocarbilo de C1 a C10 libre de instauración alifática, un grupo hidrocarbilo sustituido con halógeno de C1 a C10 libre de instauración alifática o hidrógeno
Tipo: Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: W07009359US.
Solicitante: DOW CORNING CORPORATION
ITN ENERGY SYSTEMS, INC.
DOW CORNING TORAY CO., LTD.
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: 2200 WEST SALZBURG ROAD,MIDLAND, MICHIGAN 48686-0994.
Inventor/es: KATSOULIS, DIMITRIS ELIAS, ZHU,BIZHONG, WOODS,LAWRENCE M, ARMSTRONG,JOSEPH H, RIBELIN,ROSINE M, BARNARD,THOMAS DUNCAN, HARIMOTO,YUKINARI, HATANAKA,HIDEKATSU, ITOH,MAKI, SUTO,MICHITAKA.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 11 de Noviembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- C08L83/04 QUIMICA; METALURGIA. › C08 COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION O PRODUCCION QUIMICA; COMPOSICIONES BASADAS EN COMPUESTOS MACROMOLECULARES. › C08L COMPOSICIONES DE COMPUESTOS MACROMOLECULARES (composiciones basadas en monómeros polimerizables C08F, C08G; pinturas, tintas, barnices, colorantes, pulimentos, adhesivos D01F; filamentos o fibras artificiales D06). › C08L 83/00 Composiciones de compuestos macromoleculares obtenido por reacciones que forman un enlace que contiene silicio con o sin azufre, nitrógeno, oxígeno o carbono, solamente en la cadena principal; Composiciones de los derivados de tales polímeros. › Polisiloxanos.
- H01L31/032C
- H01L31/0336C
- H01L31/072 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). › siendo las barreras de potencial únicamente del tipo heterounión PN.
Clasificación PCT:
- C08L83/04 C08L 83/00 […] › Polisiloxanos.
- H01L31/032 H01L 31/00 […] › comprendiendo, aparte de los materiales de dopado u otras impurezas, únicamente compuestos no cubiertos por los grupos H01L 31/0272 - H01L 31/0312.
- H01L31/0336 H01L 31/00 […] › en regiones semiconductoras diferentes, p. ej. Cu 2 X/CdX, hetero-uniones, siendo X un elemento del Grupo VI de la clasificación periódica.
- H01L31/072 H01L 31/00 […] › siendo las barreras de potencial únicamente del tipo heterounión PN.
Fragmento de la descripción:
Dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre y procedimiento de preparación del mismo.
Campo de la invención
La presente invención se refiere, en general, a un dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre y a un procedimiento de preparar el dispositivo fotovoltaico. Más específicamente, la invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico que incluye un sustrato que incluye una capa de polímero.
Antecedentes de la invención
Los dispositivos fotovoltaicos basados en diseleniuro de indio-cobre (CIS) son bien conocidos por generar electricidad a partir de luz solar y otras fuentes de luz. Los dispositivos fotovoltaicos basados en CIS son útiles para proporcionar electricidad para cualquier aplicación en la que los dispositivos queden expuestos a la fuente de luz. Como resultado, las posibles aplicaciones para los dispositivos fotovoltaicos basados en CIS son de largo ámbito.
Hasta la fecha, los dispositivos fotovoltaicos basados en CIS han estado limitados en las aplicaciones para las que se pueden usar debido a la existencia de una correlación inversa entre versatilidad y eficiencia. Más específicamente, con el fin de ser rentables, los dispositivos fotovoltaicos deben generar electricidad a una eficiencia que haga que el coste por unidad de electricidad sea igual o menor que las fuentes de electricidad tradicionales, tales como las baterías. Con el fin de preparar dispositivos fotovoltaicos basados en CIS que tengan una eficiencia adecuada, los dispositivos, que incluyen una capa de CIS o diseleniuro de galio de indio-cobre (CIGS) sobre el sustrato, se someten a procesamiento o recocido a temperaturas superiores a 500ºC, normalmente a una temperatura de aproximadamente 575ºC.
Hasta la fecha, pocos materiales han demostrado ser útiles para el sustrato en los dispositivos fotovoltaicos basados en CIS debido a una incapacidad para resistir suficientemente el agrietamiento y el fallo mecánico a las temperaturas de recocido superiores a 500ºC. Como sustrato se usan varios tipos de vidrio de forma primordial; no obstante, el vidrio añade peso a los dispositivos y normalmente es rígido. La rigidez de los sustratos de vidrio hace que los dispositivos sean inadecuados para las aplicaciones que requieren flexibilidad o las aplicaciones en las que los dispositivos pueden ser sometidos a fuerza brusca que podría agrietar o dañar de otro modo los sustratos de vidrio. Además de limitar las posibles aplicaciones para los dispositivos, los sustratos de vidrio también requieren que los dispositivos se preparen de forma individual. Más específicamente, si se descubriera un sustrato flexible adecuado, puede ser posible la preparación de laminado a laminado de los dispositivos, lo que incrementaría considerablemente la eficiencia de la producción y disminuiría los costes de preparar los dispositivos. Una disminución en el peso del sustrato también constituiría una ventaja por razones obvias.
Recientemente se han desarrollado ciertos sustratos flexibles formados a partir de poliimida para usar en dispositivos fotovoltaicos basados en CIS. Los sustratos de poliimida eliminan las deficiencias de los sustratos de vidrio en cuanto al peso excesivo y la inflexibilidad; no obstante, los sustratos de poliimida son propensos a una degradación intensa a temperaturas superiores a 425ºC, lo que tiene como resultado agrietamiento y fallos mecánicos de los dispositivos. Como tales, los dispositivos que incluyen el sustrato de poliimida no pueden formarse adecuadamente para maximizar la eficiencia de los dispositivos.
Debido a las deficiencias de los dispositivos fotovoltaicos basados en CIS existentes que incluyen sustratos de vidrio o de poliimida, sigue existiendo la oportunidad de proporcionar un dispositivo fotovoltaico basado en CIS que incluya un sustrato que sea tanto flexible como lo suficientemente capaz de aguantar las temperaturas de hibridación superiores a 500ºC para obtener una eficiencia máxima del dispositivo.
Ejemplos de tales disposiciones previas se describen en el documento WO 2005/017058 y el documento EP 0881695; así como en el documento EP 0078541; el documento WO 2005/052078; el documento US 2005/061437; el documento EP 1388572 y el documento EP 1207188.
Resumen de la invención y ventajas
De acuerdo con la presente invención, se proporciona de este modo un dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre (CIS) como se describe en la reivindicación adjunta 1. También se proporciona una matriz que incluye una pluralidad de dichos dispositivos. También se proporciona además un procedimiento para preparar un dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre (CIS) como se describe con más detalle en la reivindicación adjunta 13.
En una forma de realización de la invención, se proporciona un dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre (CIS) y un procedimiento para preparar el mismo en el que el dispositivo basado en CIS incluye una capa de absorción solar basada en CIS que está basada en cobre, indio y selenio. El dispositivo fotovoltaico basado en CIS además incluye un sustrato que incluye una capa de silicona formada a partir de una composición de silicona y que comprende una capa de lámina metálica. El sustrato, debido a la presencia de la capa de silicona y de la capa de lámina metálica es tanto flexible como suficientemente capaz de aguantar las temperaturas de hibridación superiores a 500ºC para obtener una eficiencia máxima del dispositivo.
Breve descripción de las figuras
Otras ventajas de la presente invención se apreciarán fácilmente, a medida que la misma se entienda mejor por referencia a la siguiente descripción detallada cuando se considera en relación con las figuras adjuntas, en las que:
La figura 1 es una fotografía de un dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre (CIS) de la presente invención;
La figura 2 es una vista en planta desde arriba de un dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre (CIS) de la presente invención;
La figura 3 es una vista transversal lateral esquemática de un sustrato para un dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre (CIS) de la presente invención, en el que el sustrato tiene una capa de silicona y una capa de lámina metálica;
La figura 4 es una vista transversal lateral esquemática de un sustrato para un dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre (CIS) de la presente invención; y
La figura 5 es una ilustración esquemática de la integración monolítica de dispositivos fotovoltaicos basados en diseleniuro de indio-cobre (CIS) que incluyen un sustrato que tiene un refuerzo de fibra.
Descripción detallada de las formas de realización preferidas
En referencia a las figuras 1, 2 y 4, la presente invención proporciona un dispositivo fotovoltaico basado en diseleniuro de indio-cobre (CIS) (104) que incluye un sustrato (106). El sustrato incluye una capa de silicona (306) formada a partir de una composición de silicona y una capa de lámina metálica (312). El dispositivo basado en CIS (104) se puede operar para convertir la energía electromagnética incidente (108), tal como luz, en una corriente eléctrica. Se puede proporcionar una matriz (102) que incluya una pluralidad de los dispositivos fotovoltaicos basados en CIS (104). En una forma de realización, los dispositivos fotovoltaicos basados en CIS (104) se integran monolíticamente sobre el sustrato (106) en la matriz (102). La matriz (102) se puede usar para generar corriente eléctrica a partir de energía electromagnética (108) que cae en la matriz (102). La corriente eléctrica generada por la matriz (102), a la que se puede acceder a través de las terminales (110), puede usarse para diversos fines; por ejemplo, la matriz (102) puede usarse para proporcionar potencia eléctrica a naves espaciales o aeronaves de gran altitud.
La capa de silicona (306) proporciona el sustrato (106) con flexibilidad y una capacidad suficiente para aguantar las temperaturas de hibridación superiores a 500ºC sin exhibir agrietamiento considerable. Además, la composición de silicona, una vez curada, tiene normalmente una resistividad eléctrica elevada. Como resultado, los dispositivos fotovoltaicos basados en CIS (104) pueden prepararse de modo que tengan una eficiencia maximizada, como se describe con detalle más adelante, y pueden usarse también en aplicaciones no planares debido a la flexibilidad del sustrato (106).
En la forma de realización de la presente invención,...
Reivindicaciones:
1. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio (CIS) que comprende: una capa de absorción solar basada en CIS (506) que comprende cobre, indio y selenio formada sobre un sustrato (106) que incluye una capa de silicona (306) formada a partir de una composición de silicona y una capa de lámina metálica (312):
en el que dicha composición de silicona comprende una resina de silicona caracterizada por tener:
1) al menos uno de RSiO3/2 o SiO4/2; y
2) al menos uno de HRSiO2/2 o HR2O1/2;
en la que R se selecciona del grupo de un grupo hidrocarbilo de C1 a C10 libre de instauración alifática, un grupo hidrocarbilo sustituido con halógeno de C1 a C10 libre de instauración alifática o hidrógeno.
2. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según la reivindicación 1, en el que dicha capa de lámina metálica (312) está formada a partir de un metal seleccionado del grupo de acero inoxidable, titanio, covar, invar, tántalo, latón, niobio y combinaciones de los mismos.
3. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que dicha capa de lámina metálica (312) tiene un espesor de 12,5 a 1000 µm.
4. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que dicha capa de absorción solar basada en CIS (506) comprende además un metal seleccionado del grupo de galio, aluminio, boro, teluro, azufre y combinaciones de los mismos.
5. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que dicha composición de silicona se define además como una composición de silicona curable por hidrosililación, que comprende:
6. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según la reivindicación 5, en el que dicha resina de silicona tiene la fórmula:
en la que R1 es un grupo hidrocarbilo de C1 a C10 o un grupo hidrocarbilo sustituido con halógeno de C1 a C10, ambos libres de instauración alifática, R2 es R1, un grupo alquenilo o hidrógeno, w es de 0 a 0,9, x es de 0 a 0,9, y es de 0 a 0,99, z es de 0 a 0,85, w+x+y+z= 1, y+z/(w+x+y+z) es de 0,1 a 0,99, y w+x/(w+x+y+z) es de 0,01 a 0,9, con la condición de que dicha resina de silicona tenga un promedio de al menos dos átomos de hidrógeno unidos por silicio.
7. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según la reivindicación 5, en el que dicha resina se define además como una resina de silicona modificada con goma, que comprende el producto de reacción de:
(A) una resina de silicona que tiene la fórmula:
en la que R1 es un grupo hidrocarbilo de C1 a C10 o un grupo hidrocarbilo sustituido con halógeno de C1 a C10, ambos libres de instauración alifática, R2 es R1, un grupo alquenilo o hidrógeno, w es de 0 a 0,9, x es de 0 a 0,9, y es de 0 a 0,99, z es de 0 a 0,85, w+x+y+z= 1, y+z/(w+x+y+z) es de 0,1 a 0,99, y w+x/(w+x+y+z) es de 0,01 a 0,9 y
(D) al menos una goma de silicona seleccionada de gomas que tienen la fórmula:
en la que C y D, cada uno, tienen un valor de 4 a 1000,
en presencia del catalizador de la hidrosililación (c) y,
opcionalmente en presencia de un disolvente orgánico, a condición de que cuando dicha resina de silicona (A) tiene grupos alquenilo unidos por silicio, (D) tiene átomos de hidrógeno unidos por silicio y cuando dicha resina de silicona (A) tiene átomos de hidrógeno unidos por silicio, (D) tiene grupos alquenilo unidos por silicio.
8. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha composición de silicona además incluye una carga inorgánica en forma particulada.
9. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según la reivindicación 12, en el que dicha carga inorgánica además se define como nanopartículas de sílice que tienen al menos una dimensión física inferior a aproximadamente 200 nm.
10. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha resina de silicona comprende hidrogenopolisiloxanos que tienen una fórmula de la unidad de siloxano de [H2SiO2/2]x'''[HSiO3/2]y'''[SiO4/2]z''', en la que x''', y''' y z''' representan fracciones molares, 0,12 = x''' < 1,0, 0 = y'''= 0,88, 0 = z''' = 0,30, y''' y z''' no son 0 de forma simultánea, y x''' + y''' + z'''= 1.
11. Un conjunto (102) que incluye una pluralidad de dichos dispositivos fotovoltaicos basados en diseleniuro de cobre-indio (104) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
12. Un conjunto (102) según la reivindicación 11, en el que dichos dispositivos fotovoltaicos basados en CIS (104) están integrados monolíticamente sobre el sustrato (106).
13. Un procedimiento para preparar un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio que comprende las etapas de:
proporcionar un sustrato (106) que incluye una capa de silicona (306) formada a partir de una composición de silicona y una capa de lámina metálica (312);
formar una capa de absorción solar basado en CIS (506), que comprende cobre, indio y selenio sobre el sustrato (106);
en la que la composición de silicona comprende una resina de silicona que tiene:
1) al menos uno de RSiO3/2 o SiO4/2; y
2) al menos uno de HRSiO2/2 o HR2SiO1/2;
en las que R se selecciona del grupo de un grupo hidrocarbilo de C1 a C10 libre de instauración alifática, un grupo hidrocarbilo sustituido con halógeno de C1 a C10 libre de instauración alifática, o hidrógeno.
14. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicha resina de silicona tiene HSiO3/2.
15. Un dispositivo (104) fotovoltaico basado en diseleniuro de cobre-indio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicha resina de silicona tiene H2SiO2/2.
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