Dispositivo óptico (1) que comprende: un primer electrodo (4);

un segundo electrodo (5), siendo el primer y/o el segundo electrodo (4, 5) por lo menos parcialmente transmisivos en una primera gama de longitudes de onda; un elemento activo (3) que presenta una unión-np que se dispone entre el primer y el segundo electrodo (4, 5); comprendiendo el elemento activo (3) una pluralidad de estructuras semiconductoras (6) que crecen en una dirección longitudinal fuera de una superficie plana sobre el primer electrodo (4) y estando en contacto eléctrico con el primer y el segundo electrodo (4, 5); caracterizado por el hecho de que: cada estructura semiconductora (6) comprende una parte a modo de placa en la cual una anchura de la estructura en una primera dirección a través de la superficie plana es mayor que un grosor de la estructura en una segunda dirección a través de la superficie plana que es ortogonal a la primera dirección, y en el que la parte a modo de placa incluye una zona cónica en la cual la anchura de la estructura disminuye a medida que se aproxima al segundo electrodo (5)

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo óptico y a un procedimiento para fabricar el mismo; además, la invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico, un detector de radiación y un dispositivo emisor de luz.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 5

Hace tiempo que la energía solar largo se considera un potencial candidato de fuente de energía para participar en la sustitución de combustibles fósiles como fuente de energía principal. Sin embargo, hasta la actualidad, la amplia aplicación de la energía solar se ha visto dificultada por la eficacia algo limitada de las células solares o células fotovoltaicas, típicamente no superior a un 20%, combinado con un elevado coste de producción relativo. Por lo tanto, actualmente las células solares se utilizan principalmente allí donde la energía generada convencionalmente no se 10 encuentra disponible o donde el coste de llevar la energía convencional al lugar coincide más con el coste de producción de las células solares.

Las células fotovoltaicas actuales emplean a menudo finas capas de material semiconductor, por ejemplo silicio cristalino, arseniuro de galio, o similares, que incorporan una unión-np para convertir la energía foto-inducida en corriente continua. Aunque la eficiencia de las células fotovoltaicas aumenta, generalmente se cree que las 15 propiedades físicas de estos dispositivos limitará la eficacia a aproximadamente un 30%.

Ajustar de manera precisa los tipos de células fotovoltaicas actuales resulta costoso en términos de costes de desarrollo y, además, dado que se cree que la eficacia máxima que puede obtenerse es limitada, una mejora directa de la tecnología actual no parece ser la estrategia apropiada para proporcionar una célula solar adecuada para un uso amplio como alternativa a combustibles fósiles u otras fuentes de energía convencionales. Como alternativa 20 prometedora, se han propuesto soluciones relativas a células fotovoltaicas basadas en estructuras semiconductoras de tamaño microscópico o nanoscópico como elemento activo.

La patente americana 7.087.833 describe un dispositivo fotovoltaico que incluye nanoestructuras semiconductoras formando parte de por lo menos una capa fotoactiva. Se dispone una primera y una segunda población de nanoestructuras que están realizadas de distintos materiales, las dos poblaciones de nanoestructuras presentan un 25 perfil de energías de desplazamiento de banda tipo II, unas respecto a otras.

Existe en la técnica la necesidad de dispositivos fotovoltaicos mejorados, y en general existe la necesidad de dispositivos ópticos mejorados, y en particular resultarían ventajosos dispositivos que presentasen una elevada relación eficacia-coste.

El documento WO03/028118 describe un dispositivo óptico que incluye algunas monoestructuras. 30

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención pretende proporcionar un dispositivo óptico mejorado, y puede verse como un objetivo de la invención proporcionar nuevo dispositivo óptico que incorpore estructuras semiconductoras de tamaño microscópico o nanoscópico en el elemento activo, o como éste, y en particular dichos dispositivos con una elevada relación eficacia-coste. 35

Otro objetivo de la presente invención es presentar una alternativa a la técnica anterior.

Así, el objetivo descrito anteriormente y varios otros objetivos están destinados a obtenerse en un primer aspecto de la invención con un dispositivo óptico tal como se define en la reivindicación 1. Otras realizaciones ventajosas se definen en las reivindicaciones dependientes.

El primer y el segundo electrodo pueden realizarse de cualquier material conductor eléctrico apropiado capaz de 40 proporcionar una conexión eléctrica desde el exterior al elemento activo.

La transparencia del primer o el segundo electrodo puede oscilar entre un 50% y un 100%, tal como de un 75% a un 90%. En principio, cuanto más elevada sea la transparencia mejor, ya que es óptimo maximizar la intensidad de la radiación entrante. La primera gama de longitudes de onda puede ser en un intervalo de luz ultravioleta a luz infrarroja, tal como un intervalo de aproximadamente 200 nm hasta aproximadamente 3,5 M. La primera gama de longitudes de 45 onda puede abarcar todo el intervalo o puede estar adaptada para abarcar uno o más sub-intervalos determinados. La primera gama también puede configurarse para bloquear la radiación en uno o más intervalos específicos. Los intervalos específicos proporcionados pueden ajustarse a la aplicación específica del dispositivo, o pueden establecerse por medio de una elección de diseño específica, incluyendo la elección de un material específico.

El funcionamiento del elemento activo es por lo menos separar pares de electrón-hueco creados en un procedimiento 50 de interacciones entre la estructura semiconductora y la radiación recibida, tal como un proceso foto-inducido. En una realización alternativa del elemento activo, se inyectan pares de electrón-hueco en la estructura semiconductora donde se recombinan dando lugar a la creación de radiación que se transfiere fuera del elemento activo.

Por lo menos una pluralidad de estructuras semiconductoras presentan una forma geométrica específica, la pluralidad de las estructuras semiconductoras presenta forma general de placa, las estructuras pueden ser en forma de escama con una forma general en punta. En general se hace referencia a una forma o configuración de placa como estructura que es más ancha que gruesa, mientras que se hace referencia a una forma de escama como tipo específico de placa que presenta una forma general en punta. En general, puede haber presente también subpoblaciones de estructuras 5 semiconductoras de formas alternativas. Dependiendo de las condiciones de crecimiento específicas pueden coexistir una serie de poblaciones de formas alternativas. Asimismo también dentro de un tipo específico de población, pueden estar presentes distribuciones de formas y tamaños. En realizaciones puede haber sólo una parte de las estructuras semiconductoras que presenten una forma general de placa. En tal realización, una estructura interna presenta típicamente forma general de placa, y zonas que han crecido desde la estructura en forma de placa interior. 10

La altura de las estructuras semiconductoras puede oscilar entre pocos nanómetros (nm) y algunos micrómetros (m), típicamente de 1 a 25 m. Las anchuras en la mitad inferior de las estructuras semiconductoras pueden oscilar entre 100 nm y 2 m, y el grosor puede oscilar entre 5 nm y 500 nm, típicamente de 25 a 100 nm, tal como de 30 a 80 nm.

En la mitad inferior de la estructura semiconductora, o por lo menos de la parte de la estructura semiconductora, la anchura es substancialmente mayor que el grosor. En general, la relación anchura-grosor puede ser entre 1,5 y 500 o 15 incluso más, por ejemplo entre 3 y 250, tal como entre 5 y 100 por ejemplo entre 10 y 75, por ejemplo entre 25 y 50. La relación específica entre la anchura y el grosor puede depender de las condiciones de crecimiento específicas aplicadas. Típicamente, se obtiene una distribución de la relación entre la anchura y el grosor, para dicha distribución el centro de la distribución puede ser tal que para la relación entre la anchura y el grosor de la parte central de la distribución, la anchura sea substancialmente mayor que el grosor. 20

La estructura semiconductora puede denominarse generalmente como nanoestructura que presenta por lo menos una zona o dimensión característica en el intervalo de nm, aquí por lo menos el grosor de la estructura semiconductora, o por lo menos una parte de la estructura semiconductora, puede estar en el intervalo de manómetros.

La invención resulta particularmente, aunque no exclusivamente, ventajosa para proporcionar un dispositivo óptico con una elevada eficacia. Se cree que la elevada eficacia está relacionada con la geometría de la estructura 25 semiconductora. La dimensión de las estructuras semiconductoras da lugar a una alta probabilidad de que pares de electrón-hueco creados no se recombinen en las proximidades de la creación, en su lugar están separados en los electrodos.

Proporcionando un dispositivo de acuerdo con la invención, solamente se requiere una pequeña cantidad de material costoso. Por otra parte, debido a la forma geométrica global de las estructuras semiconductoras, la mayor parte de la 30 radiación recibida es absorbida por... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo óptico (1) que comprende:

un primer electrodo (4);

un segundo electrodo (5), siendo el primer y/o el segundo electrodo (4, 5) por lo menos parcialmente transmisivos en una primera gama de longitudes de onda;

un elemento activo (3) que presenta una unión-np que se dispone entre el primer y el segundo electrodo (4, 5); 5 comprendiendo el elemento activo (3) una pluralidad de estructuras semiconductoras (6) que crecen en una dirección longitudinal fuera de una superficie plana sobre el primer electrodo (4) y estando en contacto eléctrico con el primer y el segundo electrodo (4, 5);

caracterizado por el hecho de que:

cada estructura semiconductora (6) comprende una parte a modo de placa en la cual una anchura de la estructura en 10 una primera dirección a través de la superficie plana es mayor que un grosor de la estructura en una segunda dirección a través de la superficie plana que es ortogonal a la primera dirección, y en el que la parte a modo de placa incluye una zona cónica en la cual la anchura de la estructura disminuye a medida que se aproxima al segundo electrodo (5).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la superficie plana es una cara de una superficie cristalina y la dirección longitudinal es substancialmente perpendicular a esa superficie. 15

3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que la superficie cristalina es una cara (1 0 0) de un substrato cristalino, y la primera dirección es la dirección [0 -1 1] y la segunda dirección es la dirección [0 -1 -1] de ese substrato.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que la parte cónica presenta unas superficies inclinadas que quedan orientadas substancialmente en la dirección B [1 3 3]. 20

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones, caracterizado por el hecho de que el primer electrodo (4) y/o cada estructura semiconductora (6) es un semiconductor del grupo V/III, un semiconductor del grupo VI/II, un semiconductor del grupo IV o una aleación de los mismos.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el primer electrodo (4) y/o el segundo electrodo (5) es un conductor transparente. 25

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el primer electrodo (4) y/o el segundo electrodo (5) comprende un substrato de capas que presenta dos o más capas.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la estructura semiconductora (6) tiene una absorbancia en el intervalo infrarrojo y/o visual de por lo menos un 70%.

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el elemento activo 30 (3) comprende una región n que tiene una conductividad de tipo n y una región p que tiene una conductividad de tipo p, encontrándose la región n y la región p en la unión n-p, y cuando las estructuras semiconductoras (6) son una de conductividad n o conductividad p y soportan un material semiconductor de la otra conductividad para formar la unión n-p.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que cada estructura 35 semiconductora (6) incluye un elemento interior de un primer material semiconductor (100), presentando el elemento interior la parte a modo de placa y la parte cónica, y un elemento de envoltura de un segundo material semiconductor (101), estando formado el elemento de envoltura sobre el elemento interior.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que el primer y el segundo material semiconductor presentan diferente conductividad, de manera que las estructuras semiconductoras comprenden 40 múltiples regiones n que tienen conductividad n y múltiples regiones p que tienen conductividad p, para formar múltiples uniones n-p.

12. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que el segundo material semiconductor (101) es un compuesto distinto del primer material semiconductor (100).

13. Celda solar, detector de radiación o emisor de luz que comprende un dispositivo según cualquiera de las 45 reivindicaciones anteriores.

14. Procedimiento para fabricar un dispositivo óptico, comprendiendo el procedimiento:

formar una pluralidad de centros de nucleación sobre una superficie plana en un primer electrodo;

depositar material para crecer una pluralidad de estructuras semiconductoras en los centros de nucleación en una dirección longitudinal fuera de la superficie plana en el primer electrodo; y

formar un electrodo de manera que las estructuras semiconductoras se dispongan entre el primer y el segundo electrodo y en contacto eléctrico con los mismos,

caracterizado por el hecho de que: 5

el crecimiento de cada estructura semiconductora incluye:

formar una parte a modo de placa en la que una anchura de la estructura en una primera dirección a través de la superficie plana es mayor que un grosor de la estructura en una segunda dirección a través de la superficie plana que es ortogonal a la primera dirección, y

formar una parte cónica de la parte a modo de placa en la que la anchura de la estructura disminuye a medida que se 10 aproxima al segundo electrodo.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado por el hecho de que el material depositado es cristalino, y el crecimiento de cada estructura semiconductora comprende:

un proceso vapor-líquido-sólido (VLS) o vapor-sólido-sólido (VSS) catalizado en la dirección longitudinal en el centro de nucleación, y un proceso vapor-sólido (VS) epitaxial sobre un par de superficies en lados opuestos del centro de 15 nucleación, estando cada superficie inclinada respecto a la superficie plana y extendiéndose en la primera dirección más que en la segunda dirección.

16. Procedimiento según la reivindicación 14 o 15, caracterizado por el hecho de que comprende depositar un material de relleno eléctricamente aislante sobre las estructuras semiconductoras para formar un elemento sólido activo antes de formar el segundo electrodo en el elemento activo. 20

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, caracterizado por el hecho de que la deposición de material para crecer la pluralidad de estructuras semiconductoras comprende depositar un primer material semiconductor para formar un elemento interior, presentando el elemento interior la parte a modo de placa y la parte cónica, y después depositar un segundo material semiconductor para formar un elemento de carcasa, estando formado el elemento de carcasa sobre el elemento interior. 25

18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado por el hecho de que las estructuras semiconductoras son una de conductividad n o conductividad p y el procedimiento incluye depositar un material semiconductor de soporte de la otra conductividad para formar la unión n-p después de que las estructuras semiconductoras se hayan formado.

19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 18, caracterizado por el hecho de que incluye, 30 después de que hayan crecido las estructuras semiconductoras, dopar el material depositado para formar una zona dopada en cada estructura semiconductora.