Receptor de célula solar que tiene un diodo de derivación aislado.

Un receptor de célula solar (12) que comprende una célula solar (30) que tiene una o más capas de semiconductor compuesto III-V, un diodo (14) acoplado en paralelo con la célula solar (30) y que se polariza en directa en casos en los que la célula solar (30) no esté generando por encima de un voltaje umbral, un recubrimiento (16) que encapsula substancialmente el diodo (14), un recubrimiento inferior (15) que elimina sustancialmente cualquier espacio de aire entre el ánodo (11) y el cátodo (13) del diodo, y un conector (40) adaptado para acoplarse con otros receptores de célula solar (312).

Receptor de célula solar que tiene un diodo de derivación aislado.

Objeto de la invención

Esta divulgación se refiere a un receptor de célula solar que tiene un diodo de derivación aislado.

Antecedentes de la invención

Típicamente, en un montaje o panel se disponen una pluralidad de células solares, y un sistema de energía solar incluye típicamente una pluralidad de tales paneles. Las células solares de cada panel están conectadas habitualmente en serie, y los paneles de un sistema solar dado están conectados, asimismo, en serie, poseyendo cada panel numerosas células solares. Las células solares de cada panel podrían disponerse, alternativamente, en paralelo.

Históricamente, la energía solar (tanto la espacial como la terrestre) ha sido suministrada predominantemente mediante células solares de silicio. En los pasados años, sin embargo, la fabricación a elevada escala de células solares multiunión de alta eficiencia ha permitido el uso de esta tecnología alternativa para la generación de potencia. Algunas de las células multiunión actuales presentan eficiencias energéticas que superan el 27%, mientras que las tecnologías de silicio generalmente alcanzan tan sólo un eficiencia de, aproximadamente, el 17%.

Hablando de modo general, las células multiunión presentan una polaridad n sobre p y se componen de compuestos III-V de InGaP/(In)GaAs. Las capas de las células solares del tipo multiunión de compuestos semiconductores III-V se pueden crecer mediante deposición química en fase vapor de compuestos organometálicos (MOCVD) sobre sustrato de Ge. Las obleas epi se pueden transformar en dispositivos completos a través de procedimientos robotizados automatizados de fotolitografía, metalización, limpieza y ataque químicos, recubrimiento antirreflectante (AR), cortado y prueba. La metalización de los contactos n y p comprende típicamente Ag predominantemente, con una delgada capa de recubrimiento de Au para proteger la Ag de la oxidación. El recubrimiento AR es, generalmente, una bicapa dieléctrica apilada de TiO_x/Al₂O₃, cuyas características de reflectividad espectral se diseñan para minimizar la reflexión a nivel del recubrimiento vítreo-interconexión-célula (CIC) o montaje de célula solar (SCA), así como para maximizar el rendimiento al final de la vida (EOL) de las células.

En algunas células multiunión, la célula intermedia es una célula de InGaAs, por oposición a una célula de GaAs. La concentración de indio puede estar en el intervalo del 1,5%, aproximadamente, para la célula intermedia de InGaAs. En algunas realizaciones, tal montaje muestra una eficiencia aumentada.

Independientemente del tipo de célula utilizada, un problema conocido de los sistemas de energía solar es que las células solares individuales se pueden dañar o pueden ser ensombrecidas por una obstrucción. Por ejemplo, el daño puede ocurrir como resultado de la exposición de una célula solar a condiciones medioambientales adversas. La capacidad de transporte de corriente de un panel que presenta una o más células solares dañadas o ensombrecidas se reduce, y la salida de otros paneles en serie con ese panel invierte la polarización de las células dañadas o ensombrecidas. El voltaje a lo largo de las células dañadas o ensombrecidas aumenta por lo tanto en una polaridad inversa hasta que la totalidad del voltaje de salida de todos los paneles en serie se aplica a las células dañadas o ensombrecidas del panel en cuestión. Esto provoca la ruptura de las células dañadas o ensombrecidas.

Como un sistema de células solares típico tiene miles de células solares, su voltaje de salida se encuentra normalmente en intervalo de los cientos de voltios, y su corriente de salida se encuentra en el intervalo de las decenas de amperios. En estos niveles de potencia de salida, si los terminales de las células solares no están protegidos tiende a ocurrir una descarga eléctrica incontrolada en forma de chispas, y esto puede dañar las células solares y el sistema completo.

La patente norteamericana nº 6.020.555 describe un sistema de células solares constituido por paneles, cada uno de los cuales incluye múltiples células solares, estando dotada cada célula solar de un diodo conectado entre sus terminales positivo y negativo. La disposición de los diodos, típicamente diodos de derivación Schottky, protege de algún modo a las células solares contra las descargas eléctricas descontroladas mencionadas anteriormente. Desafortunadamente sin embargo, el espacio de aire que queda entre los terminales de cada uno de los diodos no elimina los riesgos de chispas y cortocircuitos, que pueden ocurrir todavía si la humedad o partículas extrañas puentean el espacio de aire de tal diodo. Así pues, aunque el aire es un medio dieléctrico, éste tiene una resistencia dieléctrica baja, lo que significa que cuando un campo eléctrico a través del espacio de aire alcanza aproximadamente los 3 mV/m, la corriente eléctrica puede saltar a través del intervalo de aire y descargar en forma de chispas. Esto se conoce como rotura dieléctrica.

Otra desventaja del sistema de células solares descrito en la patente norteamericana 6.020.555 es la incapacidad de manejar la disipación de calor de los diodos de derivación. En un momento dado, cuando una célula solar está siendo "derivada", el diodo asociado (asumiendo un sistema estándar que funciona a 600-1000 V, 10 A) conducirá 6000-10.000 vatios de potencia eléctrica, algunos de los cuales se irradian como energía térmica. Dado el pequeño tamaño de estos diodos, su vida útil se acortará sustancialmente si no se gestiona bien el calor. Tal desventaja es una preocupación todavía mayor cuando el sistema de células solares se utiliza, por ejemplo, en conexión con un satélite y, por lo tanto, no se puede reparar en tierra. Además, el enfriamiento pasivo utilizando sumideros de calor o similares aumenta el peso y es costoso tanto en materiales como en su montaje/fabricación. El enfriamiento activo, aunque es efectivo a la hora de gestionar el calor generado por los diodos, es muy costoso y pesado, y consume una cantidad sustancial de la energía que genera el sistema de células solares.

Otra desventaja de los receptores de células solares conocidos es que, debido a la necesidad de que tal receptor genere 10 W de potencia a 1000 V por un período de tiempo prolongado de hasta 20 años o más, existe un peligro de chispas en los terminales eléctricos que conectan un receptor de un sistema de células solares con los receptores contiguos.

Breve descripción de la invención

En un aspecto de la invención, un aparato para convertir energía solar en electricidad comprende un sustrato; una célula solar sobre el sustrato, que comprende una o más capas semiconductoras de compuestos III-V, un primer contacto acoplado con una cara de polaridad p de la célula, y un segundo contacto acoplado con una cara de polaridad n de la célula; un diodo sobre el sustrato, que comprende un cuerpo, un contacto del ánodo y un contacto del cátodo, el cátodo del diodo acoplado en antiparalelo con el primer y el segundo contacto de la célula solar de tal modo que el ánodo del diodo se acopla con el segundo contacto, y el cátodo del diodo se acopla con el primer contacto, en el que el cuerpo del diodo comprende una porción superior y una porción inferior, la porción inferior está dispuesta más cerca del sustrato que la porción superior; un recubrimiento dispuesto sobre la porción superior del cuerpo del diodo y que se prolonga hasta el sustrato, recubrimiento que encapsula sustancialmente el cuerpo del diodo, el contacto del ánodo y el contacto del cátodo; un recubrimiento inferior que ocupa substancialmente todo el espacio entre la porción inferior del cuerpo del contacto del diodo y el contacto del sustrato; y terminales de salida acoplados con la célula solar y al diodo.

En algunas implementaciones, el diodo puede funcionar en polarización directa cuando la célula solar no está generando por encima de un voltaje umbral. En algunas implementaciones, el diodo comprende un diodo de derivación Schottky.

En algunas implementaciones, el recubrimiento inferior se dispone de tal manera que no hay espacio de aire entre el diodo y el sustrato. En algunas implementaciones, el recubrimiento inferior se dispone de tal modo que no hay espacio de aire entre el contacto del ánodo y el contacto del cátodo del diodo.

En algunas implementaciones, el recubrimiento inferior y el recubrimiento...

1. Un aparato para convertir energía solar en electricidad caracterizado porque comprende:

un substrato;