Uso de material modificado en su topografía superficial en dispositivos que generen una corriente eléctrica a partir de luz incidente.

La presente invención se basa en el hecho observado por los inventores, de que la modificación de la topografía superficial de materiales, mediante la fabricación de una red ordenada de cavidades rellenas de otro material, con diferente índice de refracción, genera bandas fotónicas en la superficie del material, que alteran el índice de refracción del material sobre el que están fabricadas. Esa variación del índice de refracción permite, en función del ángulo de incidencia y la longitud de onda de la luz, favorecer o inhibir la transmisión y reflexión de la luz. En base a esta nueva propiedad observada, se ha modificado la topografía de una célula solar mediante la fabricación de una red ordenada de cavidades rellenas de aire, y se ha comprobado una mayor generación de corriente eléctrica a partir de luz incidente que en una célula solar de iguales características pero sin modificación de la topografía superficial

Uso de material modificado en su topografía superficial en dispositivos que generen una corriente eléctrica a partir de luz incidente.

Sector de la técnica

La presente invención se enmarca dentro del sector de la tecnología física y la microelectrónica. Más concretamente, la presente invención se refiere tanto a la fabricación de nuevos materiales con una mayor transmisión de la luz, como a su aplicación en dispositivos que generan una corriente eléctrica a partir de la luz incidente, como foto-detectores, células solares y dispositivos termo-fotovoltaicos.

Estado de la técnica

Existen numerosos dispositivos que transforman la energía procedente de la luz que incide sobre ellos, en energía eléctrica. En estos dispositivos un incremento de la cantidad de luz que llega al interior del material semiconductor produce un aumento en la corriente eléctrica generada. Por ello se han utilizado numerosos procedimientos para fomentar la transmisión de luz en estos materiales y reducir la pérdida de luz por reflexión sobre su superficie, como la fabricación de capas antirreflectantes o la estructuración de la superficie.

La utilización de capas antirreflectantes permite que una mayor cantidad de luz penetre en el material sobre el cual están depositadas. Estas capas deben de tener el espesor y el índice de refracción adecuado para que se produzca una interferencia constructiva y se evite la perdida de luz por reflexión. Estas condiciones de interferencia constructiva sólo se verifican en un rango pequeño de ángulos, con lo que esta tecnología sólo funciona cuando los rayos de luz inciden dentro de un ángulo pequeño, que suele estar por debajo de 30º respecto a la normal.

En el caso de la estructuración, se crea una rugosidad en la superficie del material favoreciendo la reflexión múltiple de la luz en la superficie, de forma que una mayor cantidad de luz acaba penetrando en el material. La rugosidad creada tiene dos efectos complementarios: el primero es reducir la cantidad de luz reflejada por la superficie, mientras que el segundo consiste en incrementar el camino óptico total que recorre la luz dentro del material. Es una técnica habitualmente usada en células solares, en las que un camino óptico más largo da lugar a un incremento en la eficiencia en que la luz se transforma en electricidad.

En general, la luz incidente sobre un material, semiconductor o no, puede transmitirse al interior del mismo, reflejarse o absorberse. El grado de transmisión, absorción o reflexión depende de las propiedades intrínsecas del material, en concreto de su índice de refracción η y de su coeficiente de absorción k, y, en general, estos valores no son fácilmente manipulables. La frecuencia ω de la luz que viaja en el interior del material obedece una relación denominada relación de dispersión:

ω = c / η k

donde κ = 2 π/λ es el denominado vector de onda de la luz incidente y λ es la longitud de onda y η es el índice de refracción. Esta relación se verifica para materiales homogéneos en composición. Cuando una onda plana incide sobre un material homogéneo, su reflexión, refracción y transmisión vienen dadas por la ley de Snell y por los coeficientes de Fresnel (Couny, F., F. Benabid, et al. (2007). "Reduction of fresnel back-reflection at splice interface between hollow core PCF and single-mode fiber". Photonics Technology Letters 19(13-16): 1020-1022). Cuando el material deja de ser homogéneo y se convierte en periódico se originan bandas para fotones o bandas fotónicas (Ohtaka, K. (1979). "Energy-band of photons and low energy photon diffraction" Physical Review B 19(10): 5057-5067 1979). En este caso la luz que se transmite al interior del material viaja dentro del mismo con un índice de refracción que viene dado por las bandas fotónicas, donde ω = ω (k) y se verifica que:

\frac{∂ial ω}{∂ial k} = \frac{c}{n}

Como ahora el índice de refracción es una función complicada de la frecuencia y de la dirección de incidencia (k), su valor va a variar de acuerdo a estas dos magnitudes. Esto puede permitir la introducción de luz en el material con ángulos superiores al de reflexión total, para ciertas frecuencias, o inhibir otras longitudes de onda, que no se propagarán dentro del material.

El método aquí descrito difiere de los anteriores mencionados y de cualquier otro conocido, ya que se basa en razones físicas completamente diferentes, supone una nueva aplicación de las bandas fotónicas como método, para incrementar la transmisión de luz hacia el interior de materiales, especialmente materiales semiconductores.

Descripción de la invención

Un aspecto de la presente invención es el uso del material cuya topografía superficial se ha modificado mediante la fabricación de una red ordenada de cavidades rellenas de otro material con diferente índice de refracción, en adelante material modificado de la invención, en dispositivos que generan una corriente eléctrica a partir de luz incidente.

Un aspecto preferente de la presente invención es el uso del material modificado de la invención, en el que la red de cavidades está rellena de aire con índice de refracción igual a 1, en dispositivos que generan una corriente eléctrica a partir de luz incidente.

Otro aspecto de la presente invención es el uso del material modificado de la invención en células solares, fotodetectores y aparatos termofotovoltáicos.

Otro aspecto de la presente invención es un dispositivo caracterizado porque comprende el material modificado de la invención y una célula solar, de forma que el material modificado de la invención se deposita sobre la superficie del panel fotovoltaico de la célula solar.

Otro aspecto de la presente invención es un dispositivo caracterizado porque comprende el material modificado de la invención y un fotodetector, de forma que el material modificado de la invención se deposita sobre la superficie del fotodetector.

Otro aspecto de la presente invención es un dispositivo caracterizado porque comprende el material modificado de la invención y un aparato termofotovoltaico, de forma que el material modificado de la invención se deposita sobre la superficie del aparato termofotovoltaico.

Otro aspecto de la invención es una célula solar, fotodetector o aparato termofotovoltaico en los que se ha modificado la topografía superficial del mismo según las características del material de la invención.

La presente invención se basa en el hecho, observado por los inventores, de que la modificación de la topografía superficial de materiales, mediante la fabricación de una red ordenada de cavidades rellenas de otro material, con diferente índice de refracción, produce una alteración de la reflexión, transmisión y refracción de la luz, para diferentes longitudes de onda y ángulos de incidencia, en el material. Esta red ordenada de cavidades genera bandas fotónicas en el plano de la superficie del material, las cuales alteran el valor del índice de refracción del material sobre el que están fabricadas. La variación del valor del índice de refracción superficial permite, en función del ángulo de incidencia y de la longitud de onda de la luz, favorecer o inhibir la transmisión y reflexión de la luz.

Esta propiedad que presentan los materiales modificados, mediante la red ordenada de cavidades en su topografía superficial, es totalmente novedosa, siendo los inventores de la presente invención los primeros en observarla y en medir la alteración de la transmisión en dichos materiales (tal y como muestra la figura 4), y plantea nuevos usos de este tipo de materiales modificados.

En base a esta nueva propiedad observada, un aspecto de la presente invención es el uso del material cuya topografía superficial se ha modificado mediante la fabricación de una red ordenada de cavidades rellenas de otro material con diferente índice de refracción, en adelante material modificado de la invención, en dispositivos que generan una corriente eléctrica a partir de luz incidente.

La fabricación de este tipo de materiales modificados está descrita en artículos publicados con anterioridad (Alija, A. R., L. J. Martínez,... [Seguir leyendo]

1. Uso de material modificado en su topografía superficial mediante la fabricación de una red de cavidades rellenas de otro material con un índice de refracción diferente, en dispositivos para la generación de corriente eléctrica a partir de una luz incidente.

2. Uso del material según reivindicación 1 caracterizado por que la red de cavidades del material están rellenas de aire con índice de refracción igual a 1.

3. Uso del material según las reivindicaciones anteriores caracterizado por ser un material semiconductor.

4. Uso del material según la reivindicación 3 caracterizado por ser un material semiconductor III-V.

5. Uso del material según la reivindicación 3 caracterizado porque el material semiconductor es InP, o bien InGaP.

6. Uso del material según las reivindicaciones anteriores en el que las cavidades están espaciadas regularmente en forma de red bidimensional.

7. Uso del material según la reivindicación 5 caracterizado porque las cavidades están separadas al menos 50 nm entre sus centros.

8. Uso del material mencionado en la reivindicaciones anteriores en células solares, fotodetectores y aparatos termofotovoltáicos.

9. Dispositivo caracterizado porque comprende el material mencionado en las reivindicaciones 1-6 y una célula solar, de forma que el material se deposita sobre la superficie de la célula solar.

10. Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque la célula solar es un sustrato de Germanio (Ge) y la lámina de material depositado en su superficie es de fosfuro de Galio e Indio (InGaP).

11. Dispositivo caracterizado porque comprende el material mencionado en las reivindicaciones 1-6 y un fotodetector, de forma que el material se deposita sobre la superficie del fotodetector.

12. Dispositivo caracterizado porque comprende el material mencionado en las reivindicaciones1-6 y un aparato termo-fotovoltaico, de forma que el material se deposita sobre la superficie del aparato.

13. Dispositivo caracterizado por ser una célula solar o fotodetector en el que se ha modificado la topografía superficial del mismo según las características del material mencionado en las reivindicaciones 1-6.