Células solares de nanohilos en tándem amorfocristalinas.Un dispositivo fotovoltaico que incluye una pluralidad de nanoestructuras alargadas dispuestas sobre la superficie de un substrato,

y una película multicapa depositada de modo conforme sobre las nanoestructuras alargadas, formando una pluralidad de uniones fotoactivas. Un procedimiento para fabricar tales dispositivos fotovoltaicos incluye generar una pluralidad de nanoestructuras alargadas sobre la superficie de un substrato y depositar de modo conforme una película multicapa formando una pluralidad de uniones fotoactivas. La pluralidad de uniones fotoactivas se diseña para capturar diferentes longitudes de onda de la luz. Un panel solar incluye, al menos, un dispositivo fotovoltaico

Células solares nanoestructuradas en tándem amorfocristalinas.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere, generalmente, a células solares y más específicamente a células solares tales que incluyen conjuntos de multiunión apilados, montados de modo conforme sobre nanoestructuras alargadas.

Antecedentes de la invención

Actualmente, el silicio (Si) es el material utilizado más habitualmente en la fabricación de células solares, utilizándose tales células para convertir la luz solar en electricidad. Para este fin, se utilizan células solares de unión p-n sencilla y múltiple, pero ninguna de ellas es suficientemente eficiente para reducir significativamente los costes involucrados en la producción y utilización de esta tecnología. Consecuentemente, la competencia de las fuentes convencionales de electricidad obstaculiza el uso generalizado de tal tecnología de células solares.

La mayoría de los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos necesitan la formación de una unión. Por ejemplo, un material de un tipo de conductividad se pone en contacto con un material diferente, del tipo opuesto de conductividad, para formar una heterounión. Alternativamente, se pueden emparejar dos capas diferentemente dopadas, fabricadas en un único tipo de material, para generar una unión p-n (u homounión). El curvado abrupto de la banda en una heterounión debido a un cambio en el tipo de conductividad y/o a variaciones en el espacio libre de bandas puede conducir a una alta densidad de estados de la interfase que da como resultado la recombinación de los portadores de carga. Los defectos introducidos en la unión durante la fabricación pueden actuar, adicionalmente, como sitios para la recombinación de portadores de carga, lo que degrada el rendimiento del dispositivo.

Las células solares existentes pierden eficiencia debido al hecho de que un electrón fotoexcitado pierde rápidamente cualquier energía por encima del espacio libre de bandas como resultado de las interacciones con las vibraciones de la red, conocidas como fonones, lo que da como resultado un aumento de la recombinación. Esta pérdida por sí misma limita la eficiencia de conversión de una célula estándar a, aproximadamente, el 44%. Además, la recombinación de los electrones fotogenerados y de los huecos con los estados de trampa en el cristal semiconductor, asociados con defectos puntuales (impurezas intersticiales), agregados metálicos, defectos lineales (dislocaciones), defectos planos (defectos de apilamiento), y/o limites de grano reduce adicionalmente la eficiencia. Aunque esta última reducción en eficiencia se puede superar utilizando otros materiales con las propiedades adecuadas (longitudes de difusión de los portadores fotogenerados particularmente largas), esto todavía no conduce a una paridad en costes de esta tecnología con los de las fuentes de energía eléctrica más convencionales.

Se incurre en pérdidas adicionales debido al hecho de que los semiconductores generalmente no absorberán luz con una energía inferior a la del espacio libre de bandas del material utilizado. Con todas estas pérdidas fotovoltaicas tomadas en consideración, Shockley y Queisser fueron capaces de demostrar que el rendimiento de una célula de unión sencilla estaba limitado a poco más del 30% de la eficiencia para una célula óptima con el espacio libre de bandas de 1,45 electronvoltios (eV) (Shockely and Queisser, "Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells", J. Appl. Phys., 1961, 32(3), pp 510-519). Cálculos más recientes han mostrado que la "eficiencia límite" de una unión sencilla debe ser el 29% (Kerr et al. "Lifetime and efficiency of limits of crystalline silicon solar cells", Proc. 29^th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002, pp. 438-441).

La capacidad de absorción de los materiales con los que se fabrica un dispositivo PV puede afectar, asimismo, a la eficiencia de la célula. Se ha descrito una célula solar de película delgada p-i-n que tiene una capa absorbente de semiconductor de tipo i constituida por un material de espacio libre de bandas variable, en el que dicha capa i se sitúa entre una capa de semiconductor tipo p y una capa de semiconductor tipo n. Véase la patente norteamericana nº 5.252.142. Una capa absorbente i de banda prohibida variable proporciona una eficiencia de conversión fotoeléctrica mejorada.

Las células solares de unión múltiple han demostrado, asimismo, tener eficiencias mejoradas. El rendimiento mejorado se puede alcanzar incorporando uniones apiladas con diferentes espacio libre de bandas para capturar un área más amplia del espectro luminoso. Tales dispositivos se construyen típicamente con uniones p-n apiladas o uniones p-i-n apiladas. Cada tanda de uniones de este conjunto se denomina a menudo como una célula. Una célula solar multiunión típica incluye dos o tres células apiladas entre sí. Los espacios libre de bandas óptimas y las eficiencias teóricas de las células solares multiunión en función del número de células en el apilamiento han sido analizadas teóricamente por Marti y Araujo (A. Marti y G. y Araujo, Sol. Ener. Mater. Sol. Cells, 1996, 43 (2), pp. 203-222).

Nanoestructuras

Se han descrito nanohilos de silicio en conjuntos de diodos de unión p-n (Peng et al., "Fabrication of large-area silicon nanowire p-n junction diode arrays", Adv. Mater., 2004, vol. 16, pp. 73-76). Tales conjuntos, sin embargo, no estaban configurados para su uso en dispositivos fotovoltaicos, ni se sugería de qué modo podrían ser utilizados tales conjuntos para incrementar la eficiencia de las células solares.

Se han descrito nanoestructuras de silicio en dispositivos de células solares (Ji et al., "Silicon nanostructures by metal induced growth (MIG) for solar cell emitters", Proc. IEEE, 2002, pp. 1314-1317). En tales dispositivos se pueden formar nanohilos de Si, embebidos en películas delgadas de Si microcristalino, por pulverización PBI de Si sobre una capa previa de níquel (Ni), cuyo espesor será el que determine si los nanohilos de Si crecen dentro de la película o no. Sin embargo, tales nanohilos no son elementos fotovoltaicos (PV) activos; tan sólo otorgan una capacidad anti-reflectante.

Células solares que comprenden nanoestructuras de silicio, en las cuales las nanoestructuras son elementos PV activos, han sido descritas en la solicitud de patente norteamericana nº 11/081967 comúnmente asignado a la patente, depositada el 16 de marzo de 2005. En esa solicitud particular, las uniones separadoras de carga están contenidas en su mayor parte dentro de las nanoestructuras propiamente dichas, lo que requiere generalmente cambios en el dopaje durante la síntesis de tales nanoestructuras.

Como resultado de lo anterior, la incorporación de células multiunión sobre un andamiaje de nanoestructuras puede conducir a células solares con eficiencias parejas a las de las fuentes de electricidad más tradicionales. Así pues, existe una necesidad continua de explorar nuevas configuraciones para dispositivos PV. Este es el caso, especialmente, de los dispositivos de nanoestructuras, los cuales se pueden beneficiar del atrapamiento mejorado de la luz y de distancias más cortas para el transporte de carga tras la absorción de luz.

Descripción de la invención

En algunas realizaciones, un dispositivo fotovoltaico incluye una pluralidad de nanoestructuras alargadas, dispuestas sobre la superficie de un sustrato, y una película multicapa, depositada de modo conforme sobre las nanoestructuras alargadas. La película multicapa comprende una pluralidad de uniones fotoactivas. El conjunto de uniones fotoactivas construidas sobre las nanoestructuras alargadas pueden proporcionar medios para la captura de un amplio espectro de luz. La nanoestructura alargada puede proporcionar medios para crear múltiples pasos de luz con el fin de optimizar la absorción de la misma.

En algunas realizaciones, un procedimiento para fabricar un dispositivo fotovoltaico incluye generar una pluralidad de nanoestructuras alargadas sobre la superficie de un sustrato y depositar una película multicapa de modo conforme. La película multicapa comprende una pluralidad de uniones fotoactivas.

En algunas realizaciones, un panel solar incluye, al menos, un dispositivo fotovoltaico, en el que el panel solar aísla cada uno de tales dispositivos de su entorno atmosférico circundante y permite la generación de energía eléctrica.

Con...

1. Un dispositivo fotovoltaico que comprende:

un substrato;

una pluralidad de nanoestructuras alargadas dispuestas sobre una superficie del substrato del dispositivo fotovoltaico; y

una película multicapa depositada de modo conforme sobre la pluralidad de nanoestructuras alargadas que forman una pluralidad de uniones fotoactivas, caracterizado porque la película multicapas comprende al menos una unión túnel.

2. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la película multicapa comprende uno o más de los siguientes: un óxido metálico, silicio amorfo, germanio-silicio amorfo (SiGe), silicio nanocristalino, y carburo de silicio amorfo (SiC).

3. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de nanoestructuras alargadas comprende nanohilos de silicio.

4. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que una capa de la película multicapa comprende un espesor relativo en el rango de 5 Å a 50.000 Å.

5. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 4, en el que el espesor relativo se escoge para ajustar las corrientes.

6. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de uniones fotoactivas comprende, al menos, una unión p-n.

7. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de uniones fotoactivas comprende al menos una unión de p-i-n.

8. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de nanoestructuras alargadas se integran en una primera unión fotoactiva.

9. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de nanoestructuras alargadas son conductores.

10. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente;

un material conductor transparente MCT, dispuesto de modo conforme sobre la película multicapa de modo tal que el MCT rellena los espacios entre cada una de la pluralidad de nanoestructuras alargadas, así como proporciona una superficie plana sobre la pluralidad de nanoestructuras alargadas.

11. El dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 10, que comprende adicionalmente;

unos contactos superior e inferior utilizables para conectar el dispositivo fotovoltaico a un circuito externo;

en el que el contacto superior está dispuesto sobre el MCT, y el contacto inferior está dispuesto sobre una superficie del substrato opuesta a las nanoestructuras alargadas o integrado dentro del substrato.

12. Un procedimiento para fabricar un dispositivo fotovoltaico, procedimiento que comprende los pasos de:

generar una pluralidad de nanoestructuras alargadas sobre la superficie de un substrato; y

depositar de modo conforme una película multicapa sobre la pluralidad de nanoestructuras alargadas formando, por ello, una pluralidad de uniones fotoactivas, caracterizado porque la película multicapas comprende al menos una unión túnel.

13. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que una o más de la pluralidad de uniones fotoactivas formadas comprende una o más de las siguientes uniones: una unión p-n, una unión p-i-n.

14. El procedimiento de la reivindicación 12, que comprende adicionalmente el paso de:

depositar un material transparente conductor de modo conforme sobre la película multicapa de modo tal que el MCT rellene los espacios entre cada una de la pluralidad de nanoestructuras alargadas, así como proporcione una superficie plana sobre la pluralidad de nanoestructuras alargadas.

15. El procedimiento de la reivindicación 12, que comprende adicionalmente el paso de:

establecer contactos superior e inferior utilizables para conectar el dispositivo fotovoltaico a un circuito externo.

16. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que las nanoestructuras alargadas se proporcionan haciéndolas crecer mediante un procedimiento seleccionado de entre un grupo que consiste en CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, deposición de capas atómicas, deposición electroquímica, deposición química en disolución, y combinaciones de éstas.

17. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que las nanoestructuras alargadas se proporcionan mediante crecimiento catalítico a partir de nanopartículas metálicas.

18. El procedimiento de la reivindicación 17, en el que las nanopartículas metálicas residen en una plantilla nanoporosa.

19. El procedimiento de la reivindicación 17, en el que las nanopartículas metálicas comprenden un metal seleccionado de entre un grupo que consiste en oro, indio, galio, y hierro.

20. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que el paso de depositar de modo conforme la película multicapa se realiza utilizando una técnica seleccionada de entre un grupo que consiste en CVD, MOCVD, PECVD, HWCVD, pulverización de partículas con bombardeo iónico y combinaciones de éstas.

21. Un panel solar que comprende, al menos, un dispositivo fotovoltaico de la reivindicación 1, en el que el panel solar aísla tales dispositivos de su ambiente atmosférico circundante y permite la generación de energía eléctrica.