Célula fotovoltaica con una eficiencia de conversión elevada.

Célula (100) fotovoltaica monolítica que comprende al menos una unión (120,

124), donde dicha al menos unaunión incluye una base (120) formada por un material semiconductor dopado epitaxialmente de un primer tipo deconductividad y un emisor (124) formado por un material semiconductor dopado de un segundo tipo deconductividad opuesto al primero, estando dicho emisor apilado sobre la base de acuerdo con una primera dirección(x), y teniendo la base de al menos una de dicha al menos una unión un gradiente decreciente de concentración dedopante (C(x)) a lo largo de dicha primera dirección

caracterizada porque

dicha base comprende:

una primera porción lejos del emisor, una segunda porción próxima al emisor, y una tercera porción entre la primeraporción y la segunda porción, donde:

- en la primera porción, dicho gradiente decreciente de concentración de dopante tiene unapendiente cuyo valor medio varía sustancialmente desde -9*1017 cm-3/μm hasta -4*1017 cm-3/μm;

- en la segunda porción, dicho gradiente decreciente de concentración de dopante tiene unapendiente cuyo valor medio varía sustancialmente desde -3*1017 cm-3/μm hasta -9*1016 cm-3/μm; y

- en la tercera porción, dicho gradiente decreciente de concentración de dopante tiene unapendiente cuyo valor medio varía sustancialmente desde -2*1017 cm-3/μm hasta -5*1016 cm-3/μm.

Célula fotovoltaica con una eficiencia de conversión elevada La presente invención se refiere en general al sector de las células fotovoltaicas, y en particular a las células fotovoltaicas para las radiaciones solares (células solares) .

Las células solares son dispositivos electrónicos capaces de convertir la energía electromagnética -como la radiación solar, en electricidad.

Tales dispositivos electrónicos fundamentalmente comprenden materiales semiconductores, que están caracterizados por estructuras cristalinas sólidas que tienen bandas de energía prohibidas ("bandas prohibidas") ubicadas entre las bandas de valencia y las bandas de conducción. Una banda prohibida define un intervalo de energía que normalmente prohibida para los electrones libres. Sin embargo, cuando la radiación solar incide en un material de dicho tipo en una célula solar, los electrones que ocupan bandas de energía más bajas pueden ser excitados hasta el punto de dar un salto energético y superar la banda prohibida, alcanzando bandas de energía más altas. Por ejemplo, cuando los electrones en las capas de valencia de un semiconductor absorben suficiente energía de los fotones de la radiación solar incidente, tales electrones pueden superar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción.

Al alcanzar las bandas de energía más altas, tales electrones dejan posiciones vacías en las bandas de energía más bajas; tales posiciones vacías, que se definen en la jerga con el término "huecos", pueden desplazarse de átomo a átomo en la retícula cristalina. Los huecos actúan así como portadores de carga, del mismo modo que los electrones libres en la banda de conducción, y contribuyen a la conductividad del cristal.

En otras palabras, cada fotón absorbido por el semiconductor origina un par hueco-electrón correspondiente. El conjunto de pares electrón-hueco formados por la absorción de los fotones origina la denominada fotocorriente de la célula solar. Los huecos y los electrones generados de este modo pueden recombinarse unos con otros, restando su contribución al mantenimiento de la fotocorriente. Para evitar (o al menos para reducir tanto como sea posible) este fenómeno para aumentar la eficiencia de la célula solar, se genera un campo eléctrico local dentro del material semiconductor. De este modo, los huecos y los electrones generados después de la absorción de los fotones son acelerados por el campo eléctrico local en sentidos opuestos, y por tanto la probabilidad de que se recombinen antes de alcanzar los terminales de la célula solar disminuye drásticamente. En particular, tal campo eléctrico es generado mediante la generación de una región de carga espacial, como la región de depleción obtenible mediante la generación de una unión pn entre un par de materiales semiconductores con dopajes opuestos.

Las células solares, generalmente utilizadas para aplicaciones espaciales y terrestres, pueden ser del tipo de unión pn o np simple, o células solares de unión simple, o pueden ser del tipo de más de una unión pn o np, o células solares multi-unión.

Las células solares de unión simple están constituidas sustancialmente por la presencia de una única unión pn o np. Inversamente, las células solares multi-unión están implementadas al apilar varias uniones pn o np, actualmente desde dos a cinco uniones. Las diferentes uniones están hechas de diferentes materiales semiconductores, y están eléctricamente conectadas unas a otras en serie por medio de diodos túnel interpuestos entre cada par de uniones adyacentes.

Cada una de las diferentes uniones superpuestas forma una denominada célula elemental, y las varias células elementales son capaces de convertir singularmente las varias porciones del espectro de la radiación solar incidente de un modo más eficiente en comparación con el modo que se obtiene con una única unión.

Las células multi-unión tienen la ventaja de ser capaces de proporcionar un mayor voltaje de salida con relación a las células de unión simple, siendo el voltaje global igual a la suma de los voltajes de las células elementales simples (menos una pequeña caída de voltaje en los diodos túnel que conectan las células en serie) .

Para su fabricación, las diferentes capas de material destinadas a formar las diferentes uniones se obtiene típicamente por medio de la técnica de crecimiento epitaxial a través de deposición (por ejemplo, mediante la técnica de Deposición Química Metal Orgánica en fase Vapor, o MOCVD según sus siglas en inglés) sobre sustratos comerciales de germanio (Ge) o silicio (Si) o arseniuro de galio (GaAs) .

Durante los últimos años, los rendimientos de las células solares basadas en compuestos de elementos de los grupos III y V de la tabla periódica de elementos, es decir, en los componentes III-V, y en particular de células solares de GaAs, han crecido de manera continua, gracias al progreso de tecnologías que permiten desarrollar nuevos materiales para fabricar células de tres, cuatro, y también cinco uniones. El documento US 2009/155952 A describe un dispositivo fotovoltaico monolítico.

El coste de una célula solar multi-unión es mayor que el coste de una de unión simple, y su eficiencia es muy superior (en un estado de iluminación a 25º en atmósfera exterior a la tierra, la eficiencia es aproximadamente igual al 28% para una célula de unión triple, en comparación con el 20% de la de unión simple) ; por este motivo, especialmente para aplicaciones aeroespaciales, el mercado está orientado al uso de estos nuevos dispositivos más eficientes. Por ejemplo, los grandes satélites de telecomunicaciones actuales requieren el uso de células solares de triple unión. Estas células tienen, por otro lado, un uso en aplicaciones terrestres, como los sistemas de concentración óptica.

Como se ha mencionado ya con anterioridad, la eficiencia de una célula solar depende estrictamente del fenómeno de la recombinación de los pares hueco-electrón fotogenerados. Los pares hueco-electrón generados fuera de la región de depleción no están sujetos a la acción de ningún campo eléctrico, y por tanto tienen una elevada probabilidad de recombinarse, restando sus contribuciones de la corriente generada.

Para mejorar la eficiencia de la célula solar, una solución conocida en la técnica consiste en aumentar la profundidad de la región de depleción (y, por tanto, aumentar la porción de material semiconductor que está sujeto al campo eléctrico) mediante la inserción de una porción de un material semiconductor intrínseco (es decir, que no está dopado) entre la porción con dopaje n y la región con dopaje p. Esta solución generalmente aumenta la eficiencia de la célula solar, hasta que el grosor de la región de depleción alcanza un valor tal que limita el voltaje de salida. Más allá de este valor, la eficiencia del dispositivo comienza a disminuir.

De acuerdo con otra solución conocida, las porciones de material semiconductor de la célula solar que no pertenecen a la capa de depleción pueden estar sujetas a campos eléctricos locales obtenidos por medio del uso de gradientes de dopado adecuados. Particularmente, en "Semiconductors y Semimetals, Vol. II", de Harold J. Hovel, la porción de semiconductor del tipo p está dopada de acuerdo con un gradiente de dopado lineal. Gracias a la presencia del gradiente de dopado lineal, la porción de material semiconductor del tipo p está sujeta a un campo eléctrico constante capaz de acelerar los pares de hueco-electrón que se generan dentro de la misma.

En vista de lo anterior, el solicitante ha observado que la solución conocida actualmente en la técnica con relación a la implementación de células fotovoltaicas, y en particular la implementación de células solares, se puede mejorar desde el punto de vista de la eficiencia.

En las reivindicaciones independientes se indican diferentes aspectos de la solución de acuerdo con una realización de la presente invención.

Un aspecto de la presente invención se relaciona con una célula fotovoltaica monolítica. Tal célula comprende al menos una unión; dicha al menos una unión incluye una base formada por un material semiconductor dopado epitaxialmente de un primer tipo de conductividad y un emisor formado por un material semiconductor dopado de un segundo tipo de conductividad opuesta a la primera. El emisor está apilado sobre la base de acuerdo con una primera dirección, y la base de al menos una de dicha al menos una unión tiene un gradiente decreciente de concentración de dopante a lo largo de dicha primera dirección. Dicha base comprende una primera porción lejos del emisor, una segunda porción próxima al emisor, y una tercera porción entre... [Seguir leyendo]

1. Célula (100) fotovoltaica monolítica que comprende al menos una unión (120, 124) , donde dicha al menos una unión incluye una base (120) formada por un material semiconductor dopado epitaxialmente de un primer tipo de conductividad y un emisor (124) formado por un material semiconductor dopado de un segundo tipo de conductividad opuesto al primero, estando dicho emisor apilado sobre la base de acuerdo con una primera dirección (x) , y teniendo la base de al menos una de dicha al menos una unión un gradiente decreciente de concentración de dopante (C (x) ) a lo largo de dicha primera dirección caracterizada porque dicha base comprende:

una primera porción lejos del emisor, una segunda porción próxima al emisor, y una tercera porción entre la primera porción y la segunda porción, donde:

-en la primera porción, dicho gradiente decreciente de concentración de dopante tiene una pendiente cuyo valor medio varía sustancialmente desde -9*1017 cm-3/μm hasta -4*1017 cm-3/μm;

-en la segunda porción, dicho gradiente decreciente de concentración de dopante tiene una pendiente cuyo valor medio varía sustancialmente desde -3*1017 cm-3/μm hasta -9*1016 cm-3/μm; y

-en la tercera porción, dicho gradiente decreciente de concentración de dopante tiene una pendiente cuyo valor medio varía sustancialmente desde -2*1017 cm-3/μm hasta -5*1016 cm-3/μm.

2. La célula fotovoltaica de la reivindicación 1, donde:

-la longitud de la base a lo largo de la primera dirección es igual que una primera magnitud (L) , extendiéndose dicha primera porción a lo largo de la primera dirección desde un primer extremo (0) que corresponde a un extremo de la base lejano del emisor hasta un segundo extremo (x1) , extendiéndose dicha tercera porción a lo largo de la primera dirección desde el segundo extremo a un tercer extremo (x2) , extendiéndose dicha segunda porción a lo largo de la primera dirección desde el tercer extremo hasta un cuarto extremo correspondiente a un extremo de la base próximo al emisor;

-el segundo extremo está ubicado a una primera distancia del primer extremo, y el tercer extremo está ubicado a una segunda distancia del primer extremo a lo largo de la primera distancia, y

-dicha primera distancia tiene un valor que varía desde un quinto hasta un tercio de la primera magnitud, y dicha segunda distancia tiene un valor que varía desde un tercio de la primera magnitud hasta un noveno de la primera magnitud.

3. La célula fotovoltaica de la reivindicación 1 o 2, donde dicho gradiente decreciente de concentración de dopante corresponde a una función lineal al trozos.

4. La célula fotovoltaica de la reivindicación 3, donde dicha función lineal a trozos comprende al menos tres rampas lineales, correspondiendo cada porción de la base a al menos una rampa lineal respectiva.

5. La célula fotovoltaica de la reivindicación 1 o 2, donde dicho gradiente decreciente de concentración de dopante corresponde a una función polinómica.

6. La célula fotovoltaica de la reivindicación 5, donde dicha función polinómica es una función polinómica de al menos cuarto grado.

7. Célula fotovoltaica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde:

- la al menos una unión incluye una primera unión, una segunda unión, y una tercera unión, estando apilada dicha segunda unión sobre la primera unión de acuerdo con la primera dirección y estando apilada dicha tercera unión sobre la segunda unión de acuerdo con la primera dirección, y

- dicha al menos una de dicha al menos una unión es la segunda unión.

8. Célula fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 7 cuando depende de la reivindicación 2, donde la concentración de dopante en el primer extremo es igual a un primer valor comprendido entre 5*1016 cm-3 y 5*1018 cm-3 y la concentración de dopante en el cuarto extremo es igual a un primer valor comprendido entre 5*1015 cm-3 y 5*1017 cm-3.

9. Método para fabricar una célula fotovoltaica que comprende al menos una unión, comprendiendo el método:

generar dicha al menos una unión epitaxialmente formando una base por medio de un material semiconductor dopado de un primer tipo de conductividad y formando un emisor por medio de un material semiconductor dopado de un segundo tipo de conductividad opuesto al primero, estando dicho emisor apilado sobre la base de acuerdo con una primera dirección, incluyendo el paso de formar la base de al menos una de dicha al menos una unión dopar el material semiconductor con un gradiente decreciente de concentración de dopante a lo largo de dicha primera dirección caracterizado porque dicho paso de dopado incluye:

-dopar una primera porción lejos del emisor con un gradiente decreciente de concentración de dopante que tiene una pendiente cuyo valor medio sustancialmente varía desde -9*1017 cm-3/μm hasta -4*1017 cm-3/μm;

-dopar una segunda porción próxima al emisor con un gradiente decreciente de concentración de dopante que tiene una pendiente cuyo valor medio varía sustancialmente desde -3*1017 cm-3/μm hasta -9*1016 cm-3/μm; y

-dopar una tercera porción entre la primera porción y la segunda porción con un gradiente decreciente de concentración de dopante que tiene una pendiente cuyo valor medio varía sustancialmente desde -2*1017 cm-3/μm hasta -5*1016 cm-3/μm.