ELEMENTO SOLAR DE EFICIENCIA INCREMENTADA Y PROCEDIMIENTO PARA INCREMENTAR LA EFICIENCIA.

Elemento solar con al menos una célula solar (1) que tiene una frecuencia de banda inhábil VBG,

con al menos un elemento luminescente (2) que absorbe radiación electromagnética con frecuencias situadas entre dos frecuencias VLE1 y VLE2 ≥VLE1 y que emite radiación electromagnética con al menos una frecuencia VLE3, y con al menos un convertidor elevador (3a, 3b, 3c) que absorbe radiación electromagnética con frecuencias situadas entre dos frecuencias VHK1 y VHK2 ≥VHK1 y que emite radiación con al menos una frecuencia VHK3, así como con al menos una primera estructura de reflexión selectiva (9a, 9b, 9c) que refleja una parte de la radiación electromagnética incidente y que transmite una parte de la radiación incidente, siendo VLE1 inferior a VBG, siendo aplicable para al menos una de las al menos una frecuencias VLE3, VHK1 ≤ VLE3 ≤ VHK2, y siendo aplicable para al menos una de las al menos una frecuencias VHK3, VHK3 ≥ VBG, caracterizado porque los al menos un elementos luminescentes están dispuestos de forma adyacente a al menos una de las primeras estructuras de reflexión selectiva, respectivamente, y las al menos una primeras estructuras de reflexión selectiva están dispuestas de forma adyacente a al menos uno de los convertidores elevadores, respectivamente, y el al menos un convertidor elevador está dispuesto de forma adyacente a la célula solar

La presente invención se refiere a un elemento solar de eficiencia incrementada, así como a un procedimiento para incrementar la eficiencia de una célula solar.

Más del 20% de la energía contenida en el espectro solar se pierde por las llamadas pérdidas 'sub-bandgap' al convertir la radiación incidente mediante células solares de silicio. Así se denominan las pérdidas que se producen porque la energía de un fotón individual no es suficiente para generar un electrón libremente móvil. Se producen cuando la energía de un fotón queda por debajo de la llamada energía de banda inhábil. Este tipo de pérdidas se producen en todos los tipos de células solares. Su envergadura depende de la energía de banda inhábil del material empleado en la célula solar. Dichas pérdidas se puede reducir convirtiendo, con los llamados materiales convertidores elevadores, varios fotones con energía demasiado baja en un fotón con energía suficiente.

Durante ello, se producen los siguientes problemas: En primer lugar, es bastante estrecho el intervalo de absorción de los convertidores elevadores. Para la conversión elevadora entran en consideración únicamente los pocos fotones en esta región espectral.

Para poder aprovechar más fotones para la conversión elevadora, se puede utilizar una sustancia con propiedades luminescentes especiales. Ésta absorbe en la totalidad o en una parte de la región espectral entre la banda inhábil y el intervalo de absorción del convertidor elevador y emite radiación con una longitud de ondas que puede ser aprovechada por el material convertidor elevador para la conversión elevadora. Sin embargo, las sustancias con propiedades luminescentes correspondientes que entran en consideración absorben también en la región espectral en la que los convertidores elevadores irradian la luz convertida con elevación. Esto hace que sólo una pequeña parte de la radiación convertida con elevación alcance la célula solar. Por lo tanto, sin medidas adicionales, una gran parte de la radiación convertida con elevación se pierde por absorción no deseada.

Otro problema consiste en que la eficiencia de la conversión de dos fotones de baja energía en uno con energía más elevada es muy pequeña. La conversión elevadora es un proceso no lineal en el que está implicado más de un fotón. Por ello, la eficiencia de la conversión elevadora se incrementa, al menos con bajas intensidades, de forma lineal a la densidad de flujo de los fotones que pueden ser aprovechados en principio por el convertidor elevador (A. Shalav, B. S. Richards, T. Trupke y col., Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 13505). El problema de las eficiencias muy bajas de la conversión elevadora puede atenuarse, pues, mediante la concentración de la luz solar incidente. En T. Trupke, M. A. Green, P. Würfel, Journal of Applied Physics, 92, 71 (2002), se menciona la posibilidad de la concentración mediante una lente. Para el análisis experimental de los efectos de la conversión elevadora, generalmente, se usan láseres de alta intensidad (en comparación con el espectro solar en la región espectral correspondiente).

El ensanchamiento de la región espectral aprovechable para la conversión elevadora con colorantes fluorescentes se describe brevemente en C. Strümpel, M. McCann, C. del Cañizo y col., Proceedings of the 20th EUPVSEC (2005), Barcelona. No obstante, no se proponen realizaciones concretas.

Por Strumpel y col. "Modifying the solar spectrum to enhance silicon solar cell efficiency -An overvview of available materials" Solar Energy Materials and Solar Cells, Elsevier Science Publishers, Amsterdam, NL, tomo 91, nº 4, 10 de diciembre de 2006 (2006-12-10), páginas 238-249, XP005882124, ISSN: 0927-0248, se conoce el uso de elementos luminescentes y convertidores elevadores para incrementar la eficiencia de células solares.

La presente invención, en primer lugar, tiene el objetivo de minimizar por absorción la pérdida de la radiación convertida con elevación. Este objetivo se consigue mediante el elemento solar según la reivindicación 1 y mediante el procedimiento según la reivindicación 16. Algunas variantes ventajosas de la célula solar según la invención y del procedimiento según la invención se indican en las reivindicaciones subordinadas correspondientes.

La invención está basada en la idea de separar el convertidor elevador espacialmente de los elementos luminescentes y disponer entre los convertidores elevadores y los elementos luminescentes primeras capas o estructuras de reflexión selectiva y/o de transmisión selectiva. Preferentemente, dichas estructuras de reflexión selectiva reflejan la radiación electromagnética con energías superiores a la energía de banda inhábil de la célula solar. La radiación electromagnética, cuya frecuencia se sitúa entre la menor frecuencia convertible por el convertidor elevador y la frecuencia de banda inhábil de la célula solar debe ser transmitida preferentemente por la estructura de reflexión selectiva. De esta manera, la radiación incide en los elementos luminescentes con una frecuencia inferior a la frecuencia de banda inhábil de la célula solar. Éstos emiten la radiación entonces con frecuencias que pueden ser convertidas por el convertidor elevador. Dicha radiación atraviesa la capa de reflexión selectiva e incide en el convertidor elevador. Éste convierte la radiación incidente y emite radiación con frecuencias superiores a la frecuencia de banda inhábil de la célula solar. Dado que la capa de reflexión selectiva refleja radiación con frecuencias superiores a la energía de banda inhábil, la radiación emitida por el convertidor elevador no puede volver al elemento luminescente y, por tanto, no se absorbe allí.

Según la invención, el elemento solar presenta al menos una célula solar que tiene una frecuencia de banda inhábil νBG. Además, el elemento solar según la invención presenta al menos un elemento luminescente que absorbe radiación electromagnética con frecuencias situadas entre dos frecuencias νLE1 y νLE2 y que emite radiación electromagnética con al menos una frecuencia νLE3. Preferentemente, los elementos luminescentes están dispuestos de tal forma que la radiación procedente de una fuente de luz, como por ejemplo el sol, que debido a su baja energía no se absorbe en la célula solar, irradie a través de ésta hacia los elementos luminescentes. Por tanto, las células solares y los elementos luminescentes están dispuestos unos detrás de otros respectivamente en el sentido de la trayectoria de rayos de la radiación incidente.

El elemento solar según la invención presenta además al menos un convertidor elevador que absorbe radiación electromagnética con frecuencias situadas entre dos frecuencias νHK1 y νHK2 y que emite radiación electromagnética con al menos una frecuencia νHK3. Dicho convertidor elevador está dispuesto de tal forma que la luz que es emitida por el elemento luminescente incida en el convertidor elevador.

Según la invención, entre los elementos luminescentes y los convertidores elevadores está dispuesta al menos una capa de reflexión selectiva que refleja una parte de la radiación electromagnética incidente y que transmite una parte de dicha radiación.

Los elementos luminescentes están elegidos de tal forma que la menor frecuencia νLE1 absorbida por ellos sea menor que la energía de banda inhábil de la célula solar νBG. Según la invención, la radiación νLE3 emitida por los elementos luminescentes se sitúa en el intervalo de frecuencias que puede ser absorbido por el convertidor elevador, es decir entre νHK1 y νHK2. Entonces, el convertidor elevador emite radiación con una frecuencia νHK3 que es superior o igual a la frecuencia de banda inhábil de la célula solar νBG.

Es decir, cuando la luz de una fuente de luz incide en la célula solar, la parte de la luz que tiene una frecuencia superior a la frecuencia de banda inhábil de la célula solar es absorbida por la célula solar, mientras que la radiación con frecuencias inferiores atraviesa la célula solar. Dicha radiación que atraviesa la célula solar incide ahora en los elementos luminescentes que absorben una parte de dicha radiación. Entonces, los elementos luminescentes irradian luz o radiación con al menos una frecuencia determinada o en al menos un intervalo de frecuencias preferentemente estrecho. Esta radiación emitida, normalmente, se emite de forma no direccional. Al menos una parte de esta radiación incide ahora en convertidores elevadores que convierten... [Seguir leyendo]

1. Elemento solar con al menos una célula solar (1) que tiene una frecuencia de banda inhábil νBG, con al menos un elemento luminescente (2) que absorbe radiación electromagnética con frecuencias situadas entre dos frecuencias νLE1 y νLE2 > νLE1 y que emite radiación electromagnética con al menos una frecuencia νLE3, y con al menos un convertidor elevador (3a, 3b, 3c) que absorbe radiación electromagnética con frecuencias situadas entre dos frecuencias νHK1 y νHK2 > νHK1 y que emite radiación con al menos una frecuencia νHK3, así como con al menos una primera estructura de reflexión selectiva (9a, 9b, 9c) que refleja una parte de la radiación electromagnética incidente y que transmite una parte de la radiación incidente, siendo νLE1 inferior a νBG, siendo aplicable para al menos una de las al menos una frecuencias νLE3, νHK1 < νLE3 < νHK2, y siendo aplicable para al menos una de las al menos una frecuencias νHK3, νHK3 > νBG, caracterizado porque los al menos un elementos luminescentes están dispuestos de forma adyacente a al menos una de las primeras estructuras de reflexión selectiva, respectivamente, y las al menos una primeras estructuras de reflexión selectiva están dispuestas de forma adyacente a al menos uno de los convertidores elevadores, respectivamente, y el al menos un convertidor elevador está dispuesto de forma adyacente a la célula solar.

2. Elemento solar según la reivindicación anterior, caracterizado porque los convertidores elevadores presentan como parte de su superficie al menos un área orientada hacia un elemento luminescente y la primera estructura de reflexión selectiva cubre completamente dicha superficie.

3. Elemento solar según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por al menos un espejo (5) dispuesto de forma adyacente o colindante a al menos un elemento luminescente (2), siendo el plano del espejo paralelo a la superficie de éste.

4. Elemento solar según la reivindicación anterior, caracterizado porque las primeras estructuras de reflexión selectiva (9a, 9b, 9c) reflejan radiación electromagnética con frecuencias > νBG y transmiten radiación electromagnética con frecuencias situadas entre νHR1 y νBG.

5. Elemento solar según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos un elemento luminescente (2) está dispuesto de forma directamente colindante con una primera estructura de reflexión selectiva (9a, 9b, 9c) y/o al menos una primera estructura de reflexión selectiva está dispuesta de forma directamente colindante con al menos un convertidor elevador y/o al menos un convertidor elevador está dispuesto de forma directamente colindante con una célula solar.

6. Elemento solar según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en al menos una parte de la superficie de los al menos un elementos luminescentes está dispuesta una segunda estructura de reflexión selectiva (10a, 10b, 10c, 10d) que es adyacente a la célula solar (1) y que refleja una parte de la radiación que incide en ella y que transmite una parte de la radiación que incide en ella.

7. Elemento solar según la reivindicación anterior, caracterizado porque los al menos un elementos luminescentes

(2) presentan como parte de su superficie al menos un área orientada hacia la célula solar (1), y la segunda estructura de reflexión selectiva cubre dicha área totalmente por todas aquellas partes donde no esté dispuesta ninguna estructura de reflexión selectiva (9a, 9b, 9c) ni convertidor elevador (3a, 3b, 3c).

8. Elemento solar según una de las dos reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la segunda estructura de reflexión selectiva (10a, 10b, 10c, 10d) refleja radiación electromagnética con al menos una frecuencia νLE3 y radiación electromagnética con frecuencias situadas entre νLE1 y νBG.

9. Elemento solar según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque la suma de la parte de la superficie de los convertidores elevadores que está orientada hacia la célula solar y la parte de la superficie de los elementos luminescentes que está orientada hacia la célula solar, pero no hacia un convertidor elevador, es superior a la suma de las áreas de superficie con las que los convertidores elevadores están orientados hacia los elementos luminescentes.

10. Elemento solar según una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque la superficie total de las segundas estructuras de reflexión selectiva es mayor que la superficie total de las primeras estructuras de reflexión selectiva.

11. Elemento solar según una de las reivindicaciones 6 a 10, caracterizado porque la parte de las superficies de los elementos luminescentes que está orientada hacia la célula solar es mayor que la parte de las superficies de los elementos luminescentes que está orientada hacia los convertidores elevadores.

12. Elemento solar según una de las reivindicaciones 3 a 11, caracterizado porque están dispuestos espejos (5) en cada una de las superficies de los elementos luminescentes en las que no esté dispuesta ninguna estructura de reflexión selectiva.

13. Elemento solar según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos uno de los al menos un convertidores elevadores (3a, 3b, 3c) está dispuesto entre un elemento luminescente (2) y una célula solar (1).

14. Elemento solar según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos uno de los al menos un convertidores elevadores (3a, 3b, 3c) está dispuesto entre al menos dos elementos luminescentes (2), presentando el convertidor elevador al menos una superficie por la que colinda con la célula solar (1).

15. Elemento solar según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el convertidor elevador (3a, 5 3b, 3c) presenta o está compuesto por fluoruro de sodio e itrio dotado con erbio o por NaYF4:Er3+ .

16. Procedimiento para incrementar la eficiencia de una célula solar que tiene una frecuencia de banda inhábil νBG, siendo conducida la luz con una frecuencia inferior a νBG hacia al menos un elemento luminescente que emite luz, caracterizado porque la luz emitida por el elemento luminescente se conduce a un convertidor elevador que emite luz con una frecuencia superior o igual a νBG, caracterizado porque la luz emitida por el al menos un elemento luminescente se conduce a través de una primera estructura de reflexión selectiva que refleja luz con una frecuencia superior a νBG.

17. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque se usa un elemento solar según una de las reivindicaciones 1 a 15.