Sistema de células fotovoltaicas en tándem (100, 400), que comprende:

electrodos primero (110, 410) y segundo (170, 470); una capa de recombinación (140, 440) entre los electrodos primero (110, 410) y segundo (170, 470), en el que la capa de recombinación se refiere a una capa en una célula en tándem en la que electrones generados a partir de una primera célula se recombinan con huecos generados a partir de una segunda célula; la capa de recombinación (140, 440) comprende un material semiconductor; y una primera capa fotoactiva (130, 430) entre el primer electrodo (110, 410) y la capa de recombinación (140, 440); y una segunda capa fotoactiva (150, 450) entre el segundo electrodo (170, 470) y la capa de recombinación (140, 440); caracterizado porque la capa de recombinación (140, 440) comprende dos capas (442, 444), una capa (444) que comprende una material semiconductor de tipo p y la otra capa (442) que comprende un material semiconductor de tipo n; en el que el material semiconductor de tipo p comprende un polímero seleccionado del grupo que consiste en politiofenos, polianilinas, polivinilcarbazoles, polifenilenos, polifenilvinilenos, polisilanos, politienilenvinilenos, poliisotianaftanenos, policiclopentaditiofenos, polisilaciclopentaditiofenos, policiclopentaditiazoles, politiazolotiazoles, politiazoles, polibenzotiadiazoles, poli(óxidos de tiofeno), poli(óxidos de ciclopentaditiofeno), politiadiazoloquinoxalinas, polibenzoisotiazoles, polibenzotiazoles, politienotiofenos, poli(óxidos de tienotiofeno), poliditienotiofenos, poli(óxidos de ditienotiofeno), politetrahidroisoindoles y copolímeros de los mismos; y en el que el material semiconductor de tipo n comprende un óxido de metal

CAMPO TÉCNICO

La invención se refiere a células fotovoltaicas en tándem que tienen una capa de recombinación, así como a métodos relacionados.

ANTECEDENTES

Las células fotovoltaicas se usan comúnmente para transferir energía en forma de luz en energía en forma de electricidad. Una célula fotovoltaica típica incluye un material fotoactivo dispuesto entre dos electrodos. Generalmente, la luz pasa a través de uno o ambos de los electrodos para interaccionar con el material fotoactivo para generar electricidad. Como resultado, la capacidad de uno o ambos de los electrodos para transmitir luz (por ejemplo, luz a una o más longitudes de onda absorbidas por un material fotoactivo) puede limitar la eficacia global de una célula fotovoltaica. En muchas células fotovoltaicas, se usa una película de material semiconductor (por ejemplo, óxido de estaño e indio) para formar el/los electrodo(s) a través del cual/de los cuales pasa la luz porque, aunque el material semiconductor puede tener una conductividad eléctrica inferior que materiales eléctricamente conductores, el material semiconductor puede transmitir más luz que muchos materiales eléctricamente conductores.

Hay un interés creciente en el desarrollo de la tecnología fotovoltaica debido principalmente a un deseo de reducir el consumo de y la dependencia de fuentes de energía basadas en combustibles fósiles. La tecnología fotovoltaica también es vista por muchas personas como una tecnología de energía respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, para que la tecnología fotovoltaica sea una tecnología de energía comercialmente viable, los costes del material y la fabricación de un sistema fotovoltaico (un sistema que usa una o más células fotovoltaicas para convertir la luz en energía eléctrica) deben

poder recuperarse a lo largo de algún intervalo de tiempo razonable. Pero en algunos casos los costes (por ejemplo, debidos a los materiales y/o la fabricación) asociados con sistemas fotovoltaicos diseñados de manera práctica tienen una disponibilidad y un uso limitados.

El documento DE 103 26 547 Al, que se considera la técnica anterior más cercana, se refiere a una célula solar que comprende al menos dos capas fotoactivas. Las células solares o los elementos fotovoltaicos de este tipo se denominan células solares en tándem o multicélulas fotovoltaicas. Las células en tándem están compuestas, en esencia, por una conexión en serie eléctrica y óptica de dos capas fotoactivas. El documento DE 103 26 547 A1 se refiere particularmente a células solares en tándem orgánicas que comprenden al menos un electrodo compartido, que se coloca entre dos capas fotovoltaicamente activas y que está hecho, en esencia, de material orgánico.

El artículo “Asymmetric tandem organic photovoltaic cells with hybrid planar-mixed molecular heterojunctions” de J. Xue et al., Applied Physics Letters, vol. 85, n.º 23, 2004, páginas 5757 a 5759, describe células fotovoltaicas orgánicas de alta eficacia apilando dos células de heterounión molecular mixtas planas híbridas en serie. Se maximiza la absorción de luz incidente ubicando la subcélula sintonizada para que absorba luz de longitud de onda larga más próxima al ánodo transparente, y sintonizando la segunda subcélula más cercana al cátodo de metal reflectante para que absorba preferentemente energía solar de longitud de onda corta.

El artículo “Multi-junction III-V solar cells: current status and future potential” de M. Yamaguchi et al., Solar Energy 79 (2005), páginas 78 a 85, describe que se ha mejorado la eficacia de conversión de InGaP/InGaAs/Ge hasta el 31-32% (AM1.5) como resultado del desarrollo de tecnologías tales como unión de túnel de hetero-banda prohibida ancha doble, célula inferior de estructura de heterocara de InGaP-Ge, y ajuste preciso (“lattice-matching”) de célula central de InGaAs al sustrato de Ge añadiendo indio en la capa de GaAs convencional.

El documento WO 2004/042824 Al describe un método y un dispositivo solar de multiunión que tiene una célula solar central de heterounión de banda prohibida alta. En un ejemplo, un dispositivo solar de triple unión incluye células superiores, centrales e inferiores. La célula inferior tiene un sustrato de germanio y una capa de tampón, en la que la capa de tampón se dispone sobre el sustrato de Ge. La célula central contiene una estructura de heterounión, que incluye además una capa emisora y una capa de base que se disponen sobre la célula inferior. La célula superior contiene una capa emisora y una capa de base dispuestas sobre la célula central.

SUMARIO

La invención se refiere a un sistema de células fotovoltaicas en tándem según la reivindicación 1 y a un método para preparar el mismo según la reivindicación 7. Las realizaciones preferidas se describen en las reivindicaciones dependientes.

En un aspecto, esta invención se refiere a un sistema que incluye electrodos primero y segundo, una capa de recombinación entre los electrodos primero y segundo, una primera capa fotoactiva entre el primer electrodo y la capa de recombinación, y una segunda capa fotoactiva entre el segundo electrodo y la capa de recombinación. La capa de recombinación incluye un material semiconductor. El sistema se configura como un sistema fotovoltaico.

En otro aspecto, esta invención se refiere a un sistema que incluye electrodos primero y segundo, capas fotoactivas primera y segunda entre los electrodos primero y segundo, y una tercera capa entre las capas fotoactivas primera y segunda. La primera capa fotoactiva incluye un primer material semiconductor y la segunda capa fotoactiva incluye un segundo material semiconductor. La tercera capa incluye un tercer material semiconductor diferente del material semiconductor primero o segundo. El sistema se configura como un sistema fotovoltaico.

En otro aspecto, esta invención se refiere a un sistema que incluye electrodos primero y segundo, capas fotoactivas primera

y segunda entre los electrodos primero y segundo, una tercera capa que incluye un material semiconductor de tipo n, y una cuarta capa que incluye un material semiconductor de tipo p. La primera capa fotoactiva está entre el primer electrodo y la tercera capa, que está entre las capas fotoactivas primera y segunda. La segunda capa fotoactiva está entre el segundo electrodo y la cuarta capa, que está entre la segunda capa fotoactiva y la tercera capa. El sistema se configura como un sistema fotovoltaico.

En otro aspecto, esta invención se refiere a un sistema que incluye electrodos primero y segundo, una capa de recombinación entre los electrodos primero y segundo, una primera capa fotoactiva entre el primer electrodo y la capa de recombinación, y una segunda capa fotoactiva entre el segundo electrodo y la capa de recombinación. Al menos uno de los electrodos primero y segundo incluye un electrodo de malla. La capa de recombinación incluye un material semiconductor. El sistema se configura como un sistema fotovoltaico.

Todavía en otro aspecto, esta invención se refiere a un método que incluye preparar un sistema fotovoltaico que tiene una capa de recombinación mediante un procedimiento de rollo a rollo. Las realizaciones pueden incluir una o más de las siguientes características.

El material semiconductor en la capa de recombinación incluye un material semiconductor de tipo p y un material semiconductor de tipo n.

El material semiconductor de tipo p incluye un polímero seleccionado del grupo que consiste en politiofenos (por ejemplo, poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT)), polianilinas, polivinilcarbazoles, polifenilenos, polifenilvinilenos, polisilanos, politienilenvinilenos, poliisotianaftanenos, policiclopentaditiofenos, polisilaciclopentaditiofenos, policiclopentaditiazoles, politiazolotiazoles, politiazoles, polibenzotiadiazoles, poli(óxidos de tiofeno), poli(óxidos de ciclopentaditiofeno), politiadiazoloquinoxalinas, polibenzoisotiazoles, polibenzotiazoles, politienotiofenos, poli(óxidos de tienotiofeno), poliditienotiofenos, poli(óxidos

de ditienotiofeno), politetrahidroisoindoles y copolímeros de los mismos.

En algunas realizaciones, el material semiconductor de tipo p incluye un óxido de metal. Por ejemplo, el óxido de metal puede incluir un óxido seleccionado del grupo que consiste en óxidos de cobre, óxidos de cobre y estroncio, y óxidos de titanio y estroncio. En determinadas realizaciones, el material semiconductor de...

1. Sistema de células fotovoltaicas en tándem (100, 400), que comprende: electrodos primero (110, 410) y segundo (170, 470); una capa de recombinación (140, 440) entre los electrodos primero (110, 410) y segundo (170, 470), en el que la capa de recombinación se refiere a una capa en una célula en tándem en la que electrones generados a partir de una primera célula se recombinan con huecos generados a partir de una segunda célula; la capa de recombinación (140, 440) comprende un material semiconductor; y

una primera capa fotoactiva (130, 430) entre el primer electrodo (110, 410) y la capa de recombinación (140, 440); y una segunda capa fotoactiva (150, 450) entre el segundo electrodo (170, 470) y la capa de recombinación (140, 440); caracterizado porque la capa de recombinación (140, 440) comprende dos capas (442, 444), una capa (444) que comprende una material semiconductor de tipo p y la otra capa (442) que comprende un material semiconductor de tipo n; en el que el material semiconductor de tipo p comprende un polímero seleccionado del grupo que consiste en politiofenos, polianilinas, polivinilcarbazoles, polifenilenos, polifenilvinilenos, polisilanos, politienilenvinilenos, poliisotianaftanenos, policiclopentaditiofenos, polisilaciclopentaditiofenos, policiclopentaditiazoles, politiazolotiazoles, politiazoles, polibenzotiadiazoles, poli(óxidos de tiofeno), poli(óxidos de ciclopentaditiofeno), politiadiazoloquinoxalinas, polibenzoisotiazoles, polibenzotiazoles, politienotiofenos, poli(óxidos de tienotiofeno), poliditienotiofenos, poli(óxidos de

ditienotiofeno), politetrahidroisoindoles y copolímeros de los mismos; y en el que el material semiconductor de tipo n comprende un óxido de metal.

2. Sistema de células fotovoltaicas en tándem según la reivindicación 1, en el que el material semiconductor de tipo n comprende un material seleccionado del grupo que consiste en fulerenos, nanopartículas inorgánicas, oxadiazoles, cristales líquidos discóticos, nanovarillas de carbono, nanovarillas inorgánicas, polímeros que contienen grupos CN, polímeros que contienen grupos CF3 y combinaciones de los mismos.

3. Sistema de células fotovoltaicas en tándem según la reivindicación 1 ó 2, en el que la primera (130, 430) o segunda capa fotoactiva (150, 450) comprende un material donador de electrones y un material aceptor de electrones.

4. Sistema de células fotovoltaicas en tándem según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la primera capa fotoactiva (130, 430) tiene una primera banda prohibida y la segunda capa fotoactiva (150, 450) tiene una segunda banda prohibida diferente de la primera banda prohibida.

5. Sistema de células fotovoltaicas en tándem según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además una capa portadora de huecos (120, 420) entre la primera capa fotoactiva (130, 430) y el primer electrodo (110, 410).

6. Sistema de células fotovoltaicas en tándem según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además una capa de bloqueo de huecos (160, 460) entre la segunda capa fotoactiva (150, 450) y el segundo electrodo (170, 470).

7. Método, que comprende: preparar un sistema de células fotovoltaicas en tándem (100, 400) según una de las reivindicaciones 1 a 6 que tiene una capa de recombinación (140, 440) mediante un procedimiento de rollo a rollo.

8. Método según la reivindicación 7, en el que el método comprende además disponer la capa de recombinación (140, 440) sobre una capa fotoactiva (130, 430).

9. Método según la reivindicación 8, en el que la disposición comprende disponer una primera capa (442) que contiene un primer material semiconductor sobre la capa fotoactiva

(430) y disponer una segunda capa (444) que contiene un segundo material semiconductor sobre la primera capa (442), siendo el segundo semiconductor diferente del primer semiconductor.

10. Método según la reivindicación 9, en el que uno de los materiales semiconductores primero y segundo es un material semiconductor de tipo n y el otro de los materiales semiconductores primero y segundo es un material semiconductor de tipo p.

11. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que se dispone la capa de recombinación (140, 440) sobre la capa fotoactiva (130, 430) usando al menos un procedimiento seleccionado del grupo que consiste en recubrimiento en disolución, impresión por chorro de tinta, recubrimiento por rotación, recubrimiento por inmersión, recubrimiento con cuchilla, recubrimiento con barra, recubrimiento por pulverización, recubrimiento con rodillo, recubrimiento por ranuras, recubrimiento por grabado y serigrafía.