Una célula solar en tándem, que comprende al menos dos capas de células solares,

las capas primera y segunda, - un primer filtro (100) de fotones dispuesto entre la primera capa (200) de la célula solar y la segunda capa (201) de la célula solar, - la primera célula solar (200) está dispuesta con el filtro (100) de fotones en el lado opuesto al lado incidente de la luz solar, - el filtro (100) de fotones está dispuesto para reflejar fotones de cierta energía (λ2) de nuevo hacia la primera célula solar (200), - el filtro (100) de fotones está dispuesto para ser transparente a los fotones de otras energías (λ1) no dispuestos para ser reflejados, y estos fotones están dispuestos para entrar en la segunda célula solar (201), caracterizada porque, el filtro (100, 101) de fotones está dispuesto para enfocar (120, 121) los referidos fotones de otras energías (λ1), y los referidos fotones entran a través de pequeñas aberturas (140, 141) procedentes del lado del filtro (100, 101) de fotones opuesto al lado incidente de la luz solar (150), estando dispuesto dicho lado opuesto al lado incidente de la luz solar para comprender un reflector (150) de fotones

Campo técnico de la invención

La invención versa acerca de procedimientos y medios para mejorar la energía generada y la eficacia de las células solares.

Antecedentes

Las células solares fotovoltaicas son el nuevo procedimiento descubierto más recientemente de producción de energía, datando de los sistemas de alimentación de los satélites estadounidenses y soviéticos de la década de 1950. Las células solares fotovoltaicas producen electricidad con un impacto medioambiental muy bajo, y por ello son deseadas por el público. El problema de las células solares fotovoltaicas actuales es que no producen suficiente energía para que su coste las haga económicamente viables.

Por lo tanto, se han sugerido muchas tecnologías para mejorar la eficacia de las células solares. El documento EP 1724841 A1 describe una célula solar de múltiples capas, en la que hay incorporados múltiples módulos de la célula solar y están laminados integralmente, de forma que bandas de longitudes de onda de distinta sensibilidad son tales que, cuanto más corta sea la longitud de onda central en la banda de longitudes de onda de sensibilidad, más cerca está ubicado el módulo al lado incidente de la luz solar. Este documento se cita aquí como referencia. En la actualidad no se conoce cuáles son todos los factores que provocan un punto flaco en la eficacia de la célula solar de múltiples capas. Sin embargo, en base a los estudios del solicitante, la célula solar general en tándem es la más perjudicada por los procedimientos de fotón-fonón que tienen lugar fuera de la banda de máxima eficiencia cuántica de la célula solar, es decir, esto es cuando en un intervalo de frecuencia la célula genera mucho calor. También se enumeran los factores individuales relativos a las desventajas en las columnas 1 y 2 del documento US 6689949.

El documento US 6689949 da a conocer una cavidad reflectante fotovoltaica con varias células solares en la cavidad. Las células solares dentro de la cavidad se encuentran bajo filtros que filtran la luz, de forma que el flujo luminoso entrante de fotones es más apropiado para la eficiencia cuántica de la célula solar, es decir, más apropiado para su respuesta o la respuesta del detector.

La NASA y JPL (Jet Propulsion Laboratory) también han propuesto una técnica alternativa, denominada “Rainbow” en la que se utilizan divisores y concentradores de haz para dividir el espectro solar en distintas bandas y enfocar las distintas bandas de luz en distintas células solares diferenciadas que pueden gestionar mejor el espectro dividido y enfocado. Este sistema requiere una disposición óptica muy complicada, y no se ha materializado en nada práctico hasta ahora.

El documento US 5021100 comprende una célula solar en tándem con un filtro, pero este filtro no es unidireccionalmente transparente ya que un fotón que ha pasado a través del mismo de la primera célula a la segunda célula puede regresar a través del mismo filtro de la segunda capa de la célula a la primera capa sin ningún impedimento ni atrapamiento, creando de ese modo un ruido térmico innecesario en la primera capa de la célula solar.

Resumen

La invención bajo estudio está dirigida hacia un sistema y un procedimiento para solucionar de forma eficaz los problemas de la técnica anterior y conseguir una célula solar más potente.

Un objeto más particular de la invención es presentar el sistema mencionado anteriormente de células solares, que tiene un coste elevado de capital en su diseño, pero en última instancia un coste reducido de producción con grandes economías de escala. Para conseguir esto, la invención introduce una célula solar en tándem en la que cada capa de célula solar trabaja con fotones a energías en las que esa capa de célula solar tiene la máxima eficiencia cuántica.

Un aspecto de la invención implica una célula solar con un reflector de fotones en el lado opuesto al lado incidente de la luz solar. El reflector está dispuesto para reflejar fotones con longitudes de onda adecuadas a la función de eficiencia cuántica de la célula solar de nuevo hacia la célula solar.

En un aspecto de la invención, hay una célula solar en tándem con dos capas de célula solar. Hay un filtro de fotones entre las dos células solares. La célula solar que es incidente a la luz solar está expuesta, y esta capa de célula solar tiene, normalmente, la anchura de banda que es de mayor energía. Los fotones solares entran en esta primera célula solar, y es probable que la parte de mayor energía del espectro solar sea convertida en corriente fotoeléctrica. Algunos fotones de alta energía no interactúan con el semiconductor, y solo pasan a través del mismo

o se disocian en fotones y fonones de menor energía por medio del procedimiento de fotón-fonón. Aquellos fotones que aún tienen una energía lo suficientemente elevada para convertirse en corriente fotoeléctrica en la primera capa, es decir E > Ebg1 de la anchura de banda de la primera célula solar, son reflejados de nuevo hacia la primera capa

de la célula solar por medio del filtro de fotones. Estos fotones tendrán una segunda oportunidad de convertirse en corriente fotoeléctrica. Preferentemente, la primera capa de la célula solar es muy delgada y muy pura, de forma que hay menos tiempo y espacio para los procedimientos no absorbentes, es decir, la conversión de calor por fotones que no coinciden con la anchura de banda. Ahora se hace pasar a los fotones con una energía E < Ebg1 de la 5 anchura de banda a través del filtro hasta la segunda capa de la célula solar que tiene una anchura de banda menor Ebg2. Una gran porción de estos fotones puede interactuar ahora con la segunda anchura de banda. El filtro de fotones recogerá los fotones de menor energía y luego enfocará los fotones de menor energía hacia la segunda capa de la célula solar a través de aberturas muy pequeñas en el otro lado del filtro. Estas pequeñas aberturas son permeables a los fotones. El resto del área en el otro lado del filtro de fotones también está cubierta con un material 10 reflector. Esto es debido a que en la parte inferior de la segunda capa de la célula solar también hay un reflector que refleja fotones que tienen la capacidad de convertirse en corriente fotoeléctrica en la segunda capa de la célula solar volviendo a la segunda capa de la célula solar. Algunos fotones que son reflejados desde este reflector siguen sin ser absorbidos después de haber pasado a través de la segunda capa de la célula solar la segunda vez en su viaje de retorno. Estos fotones son enviados de nuevo por el material reflector que rodea las pequeñas aberturas mencionadas anteriormente. Los reflectores en el lado opuesto del lado incidente de la luz solar del filtro de fotones y en la parte inferior del sistema de célula solar en tándem atrapan los fotones que tienen capacidad para producir corriente fotoeléctrica en la segunda capa de la célula solar, es decir fotones típicamente de E > Ebg2. Estos fotones rebotan una y otra vez hasta que son absorbidos o se disocian en fotones de energía inferior a Ebg2.

En un aspecto de una realización inventiva la célula solar en tándem comprende varias capas de célula solar, y entre dos capas hay un filtro de fotones. Estos filtros de fotones están sintonizados de forma que atraparán solo aquellos fotones que se encuentren a una energía en la que está trabajando la capa de la célula solar con una buena eficiencia cuántica (QE), idealmente cerca de 1. El resto de fotones son pasados simplemente a la siguiente capa por medio del filtro de fotones. De hecho, puede haber muchas capas que son, preferentemente, muy delgadas, o puede estar diseñado de otra manera, de forma que haya una interacción mínima entre la célula solar y la población de fotones a energías en las que la eficiencia cuántica NO es tan buena, es decir alejada de la unidad.

Por eficiencia cuántica se significa su significado general según se define en la Larousse Dictionary of Science and Technology: eficiencia cuántica (Fís): “Número de electrones liberados en una célula fotoeléctrica por fotón de radiación incidente de longitud de onda especificada”. El inventor destaca adicionalmente que este parámetro puede ser normalizado para producir la escala típica de 100-0% cuando sea necesario. La eficiencia cuántica es una medida sumamente buena de cuán bien convierte fotones la célula fotoeléctrica en electricidad. La respuesta del detector o la respuesta es la eficiencia cuántica como una función de la... [Seguir leyendo]

1. Una célula solar en tándem, que comprende al menos dos capas de células solares, las capas primera y segunda,

- un primer filtro (100) de fotones dispuesto entre la primera capa (200) de la célula solar y la segunda capa (201) de la célula solar,

- la primera célula solar (200) está dispuesta con el filtro (100) de fotones en el lado opuesto al lado incidente de la luz solar,

- el filtro (100) de fotones está dispuesto para reflejar fotones de cierta energía (λ2) de nuevo hacia la primera célula solar (200),

- el filtro (100) de fotones está dispuesto para ser transparente a los fotones de otras energías (λ1)

no dispuestos para ser reflejados, y estos fotones están dispuestos para entrar en la segunda célula solar

(201),

caracterizada porque, el filtro (100, 101) de fotones está dispuesto para enfocar (120, 121) los referidos fotones de otras energías (λ1), y los referidos fotones entran a través de pequeñas aberturas (140, 141) procedentes del lado del filtro (100, 101) de fotones opuesto al lado incidente de la luz solar (150), estando dispuesto dicho lado opuesto al lado incidente de la luz solar para comprender un reflector (150) de fotones.

2. Una célula solar en tándem como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizada porque las referidas ciertas energías (λ2) son energías en las que la primera capa (200) de la célula solar tiene una mayor eficiencia cuántica (QE) que la segunda capa (201) de la célula solar, y/o las otras referidas energías (λ1) son energías en las que la segunda capa (201) de la célula solar tiene una mayor eficiencia cuántica (QE) que la primera capa (200) de la célula solar.

3. Una célula solar en tándem como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizada porque, la segunda célula solar (201) está dispuesta con un reflector de fotones en el lado opuesto al lado incidente de la luz solar (111) y en el lado incidente (150) de la luz solar.

4. Una célula solar en tándem como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizada porque, el filtro (100, 101, 102, 103) de fotones es un filtro de pila dieléctrica y/o un filtro Rugate y/o una combinación de ambos filtros.

5. Una célula solar en tándem como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizada porque, la segunda célula solar (201) está dispuesta con un segundo filtro (101) de fotones en el lado opuesto al lado incidente de la luz solar.

6. Una célula en tándem como se reivindica en la reivindicación 5, caracterizada porque,

- el segundo filtro (101) de fotones está dispuesto para ser transparente a los fotones que no se encuentran a energías en las que la segunda célula solar (201) tiene una eficiencia cuántica (QE) elevada,

- los referidos fotones transparentes están dispuestos para entrar en una tercera célula solar (202).