El dispositivo fotovoltaico tiene una pluralidad de capas (11,

12, 13) configuradas para convertir luz (L) en energía eléctrica. Cada capa comprende al menos una célula solar (11A; 12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) Cada capa está configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas. Al menos una de las capas (12, 13) comprende al menos dos células solares (12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie y que tienen bandas prohibidas con la misma anchura. Las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión (U) sobre cada capa (11, 12, 13) es la misma.

La invención también se refiere a un panel fotovoltaico.

Dispositivo fotovoltaico y panel fotovoltaico.

Campo técnico de la invención

La invención se engloba en el campo de la energía solar fotovoltaica y, más específicamente, en el campo de los dispositivos fotovoltaicos tipo "tándem", es decir, que comprenden una pluralidad de capas que presentan bandas de energía prohibidas con diferente anchura.

Antecedentes de la invención

Las células solares de silicio cristalino han dominado desde el comienzo el mercado del sector fotovoltaico y actualmente suponen entre el 80 y el 90% de éste. Las razones para el éxito de esta tecnología se basan en la abundancia y relativo bajo coste del silicio como material base para la fabricación de las células, una eficiencia razonable y una tecnología de fabricación muy estable y relativamente sencilla. Los módulos fotovoltaicos realizados con células de silicio son estables para largos periodos de tiempos, y tanto los materiales como los procesos empleados en su fabricación son muy respetuosos con el medio ambiente.

Las células solares fabricadas industrialmente para su inclusión en módulos solares fotovoltaicos de panel plano presentan típicamente eficiencias de conversión de luz a electricidad del orden del 15 al 18%, dependiendo de la calidad del material de partida empleado y de la complejidad del proceso de fabricación de la célula solar. En laboratorio, empleando los mejores sustratos y procesos de fabricación complejos y muy cuidados, se han obtenido células solares con eficiencias de hasta el 24,7% en la Universidad de Nueva Gales del Sur de Australia, UNSW, en 1999. El uso bajo luz concentrada de las células solares permite aumentar la eficiencia de las células solares, básicamente porque aunque la corriente de operación aumenta proporcionalmente al nivel de concentración, la tensión a la que opera la célula tiende también a aumentar ligeramente, lo que provoca que la potencia generada (IxV) aumenta más que el nivel de la luz incidente. Para luz concentrada, la compañía americana AMONIX, con una célula de contactos posteriores desarrollada por la Universidad de Stanford, en USA, ha conseguido una eficiencia del 27,6% bajo una concentración de 92x.

La eficiencia es un parámetro clave en la reducción del coste de la energía solar fotovoltaica. Obtener más energía para la misma superficie de colector fotovoltaico significa reducir los costes asociados al uso de materias primas, vidrios y encapsulados, soportes, cableado, terreno, instalación y mantenimiento, etc.

Las células o dispositivos denominados como tándem o multiunión son unos de los mejores candidatos para la realización de conjuntos fotovoltaicos de eficiencia muy elevada. En estos dispositivos se apilan diferentes capas o células solares realizadas por diferentes materiales semiconductores que presentan diferentes anchuras de su banda prohibida. La anchura de la banda prohibida de un semiconductor determina la energía mínima de los fotones que pueden ser absorbidos por ese material, que aparecerá como transparente para fotones menos energéticos. También la anchura de la banda prohibida está ligada con la tensión a la que puede operar la célula solar, de manera que suelen obtenerse mayores tensiones a medida que aumenta esta anchura de la banda prohibida. En las células o dispositivos tándem la célula de mayor anchura de banda prohibida se sitúa en la parte superior de la estructura, la expuesta directamente a los rayos del sol, mientras que la célula de menor anchura de banda prohibida se sitúa en la parte inferior. De esta manera la célula superior absorbe los fotones más energéticos, siendo transparente al resto, que inciden sobre la siguiente estructura. El proceso se va repitiendo hasta que sólo quedan aquellos fotones cuya energía es inferior a la mínima anchura de banda prohibida existente en el conjunto tándem. Cada célula va conectada con las inmediatas superior e inferior uniendo el terminal negativo de una con el positivo de la otra y viceversa. De esta manera, cada célula solar trabaja a una tensión diferente, siendo la tensión total de la célula tándem la suma de todas ellas, pero todas deben trabajar a la misma corriente, pues ésta atraviesa toda la estructura tándem. Esta situación hace que las células tándem sean muy sensibles al espectro de la luz incidente y también al propio proceso de fabricación, pues la célula que produzca menor fotocorriente limitará la corriente entregada por todo el conjunto.

Las células tándem se han fabricando en base a muy diferentes materiales, como las basadas en silicio amorfo y otras de materiales II-VI o I-III-VI, como por ejemplo CdSe sobre CIGS. Pero las más evolucionadas son las que se basan en semiconductores III-V. Con estos materiales se han realizado recientemente células con eficiencias superiores al 40%. Para estructuras con 4 niveles de semiconductor se esperan eficiencias de conversión del orden del 50%, estando el límite teórico por encima del 60% para estructuras con un número ilimitado de capas de células solares.

Un inconveniente de este tipo de dispositivos es su enorme complejidad. Por ejemplo, una célula de Fraunhofer-ISE con una eficiencia de 41,1% a 454 soles de concentración, contiene un total de 19 capas semiconductoras. Además, este tipo de dispositivos frecuentemente usan germanio como material soporte, algo que hace que sean muy caros y sólo puedan ser empleados de una manera económicamente rentable en aplicaciones espaciales o en aplicaciones terrestres con luz concentrada. En este sentido ya existen intentos por sustituir la capa inferior de germanio por otra de silicio, mucho más económica.

La evolución desde las actuales células de silicio hacia otras más eficientes basadas en la estructura tándem antes descrita no es sencilla. Las células de silicio son capaces de producir una corriente fotogenerada en la banda de 34 a 41 mA/cm² de material. Por debajo de los 1,1 eV de energía, que el silicio es capaz de absorber, sólo quedan en el espectro solar del orden de 20 mA/cm² que pudieran ser convertidos en electricidad a unos valores razonables de tensión. Esto quiere decir que el diseño de una célula tándem con silicio y germanio en sus dos últimos niveles requerirla el empleo de una o dos células más en la parte superior de la estructura tándem, capaces de detraer de la célula de silicio los 14 a 21 mA/cm² de fotones que no pueden ser aprovechados en esta estructura y convertirlos en electricidad a otras tensiones mayores.

Por lo tanto, el empleo de la estructura de célula tándem convencional, con conexión en serie de todos los niveles, requiere de complejas estructuras para mejorar sensiblemente las características eléctricas de las actuales células de silicio.

La figura 1 refleja un ejemplo de un circuito equivalente de una estructura de célula fotovoltaica tándem según el estado de la técnica. Se puede considerar que lo que se llama célula tándem 100 en realidad es un dispositivo fotovoltaico compuesto por una pluralidad de células solares 101-103 (a veces llamadas "subcélulas", para diferenciarlas de la célula "global" 100) conectadas en serie y configuradas para recibir luz solar L. Cada una de dichas células solares corresponde a una capa de la estructura del dispositivo, y las células/capas están superpuestas de manera que en un primer extremo (al que se suele denominar "extremo superior", puesto que es el extremo que, cuando el dispositivo está en uso, está situado para recibir la luz solar primero) hay una primera 101 de dichas capas, y en un segundo extremo, al que se suele denominar el "extremo inferior", hay una última 103 de dichas capas, pudiendo haber una o más capas intermedias 102. Por lo tanto, cada célula solar (101, 102, 103) corresponde a una de las capas de la estructura, y las células (capas) están conectadas en serie, tal y como se refleja en la figura 1.

Cada célula o capa es de un material (o combinación de materiales) determinado (en la figura 1, m1, m2, m3) y está configurada para presentar una banda prohibida determinada, que varía entre las diferentes capas. La capa superior 101 presenta la banda prohibida más ancha (por ejemplo, en un caso típico, del orden de 1,7 eV), la capa siguiente 102 presenta una banda prohibida menos ancha (por ejemplo, de 1,2 eV), etc., de manera que la banda prohibida menos ancha de todas (por ejemplo, de 0,7 eV) es la de la capa inferior 103. De esta manera, tal y como es conocido, cuando luz solar L incide sobre la estructura, los fotones atraviesan las diferentes bandas desde arriba hacia abajo, y son "absorbidos" por...

1. Dispositivo fotovoltaico, que comprende

una pluralidad de capas (11, 12, 13) configuradas para convertir luz (L) en energía eléctrica, comprendiendo cada capa al menos una célula solar (11A; 12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D), estando cada capa configurada de manera que presenta una banda prohibida con una anchura predeterminada, siendo la anchura de la banda prohibida de cada capa diferente de la anchura de la banda prohibida de las otras capas,

caracterizado porque

al menos una de dichas capas (12, 13) comprende al menos dos células solares (12A, 12B; 13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie, teniendo dichas células solares conectadas en serie bandas prohibidas con la misma anchura;

y porque

las capas están conectadas entre sí en paralelo, de manera que la tensión (U) sobre cada capa (11, 12, 13) es la misma.

2. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que una de las capas (11; 12) es de silicio.

3. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 2, en el que otra de las capas (12; 13) es de un material que comprende germanio.

4. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 3, en el que la capa de silicio comprende una célula solar (11A) con una cara superior y una cara inferior, y porque en dicha cara inferior están dispuestas 2 células solares (12A, 12B) de dicho material que comprende germanio, conectadas en serie.

5. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que:

- una segunda de las capas (12) es una capa de silicio que comprende una pluralidad de segundas células solares (12A, 12B) conectadas en serie;

- una tercera de las capas (13) es una capa de un material que comprende germanio, comprendiendo dicha tercera de las capas una pluralidad de terceras células solares (13A, 13B, 13C, 13D) conectadas en serie, de manera que en una cara inferior de cada una de las segundas células solares están dispuestas al menos dos de las terceras células solares, conectadas en serie;

- una primera de las capas (11) está dispuesta sobre una cara superior de la segunda de las capas (12) y comprende al menos una célula solar (HA) que presenta una banda prohibida más ancha que la banda prohibida de silicio.

6. Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que dicho material que comprende germanio es germanio.

7. Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que dicho material que comprende germanio es germanio-silicio.

8. Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones 2-7, en el que dicha capa de silicio es una capa de soporte de la pluralidad de capas (11, 12, 13).

9. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que al menos una de dichas capas (11, 12) comprende al menos una célula solar de silicio con contactos en la cara inferior, estando depositadas sobre dicha cara inferior al menos dos células solares de germanio o de germanio-silicio, conectadas en serie.

10. Panel fotovoltaico, que comprende una pluralidad de dispositivos fotovoltaicos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.