Células solares y método de fabricación de células solares.

Una célula fotovoltaica de multi-unión (100), que comprende:

al menos dos uniones P-N (120,

120A, 120B) conectadas eléctricamente una a la otra en serie, incluyendo cada unión P-N (120, 120A, 120B) una capa de absorbente de tipo-P (122) y una capa de emisor de tipo-N (121), comprendiendo cada capa de absorbente de tipo-P (122) una pluralidad de capas de película fina alternantes de materiales II-VI y IV-VI, en donde los materiales II-VI y IV-VI tienen anchos de banda respectivos cuando el espesor bruto y el ancho de banda eficaz de cada capa de absorbente de tipo-P se encuentra entre los respectivos anchos de banda,

en la que el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente (122) de la primera de las al menos dos uniones PN (120, 120A, 120B) es diferente de la capa de absorbente (122) de la segunda de las al menos dos uniones P-N (120, 120A, 120B).

Células solares y método de fabricación de células solares Referencia cruzada a las solicitudes relacionadas La presente solicitud reivindica prioridad frente a la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos Nº 61/052.298, titulada "Electrodeposition and Characterization of Ver y Thin Film II-VI Compounds for Novel Superlattice Solar Cells", presentada el 12 de mayo de 2008, incorporada en su totalidad en la presente memoria por referencia.

Campo de la invención La presente invención se refiere a células solares de película fina y a células solares que utilizan estructuras superreticulares. El documento US 2008/092946 A divulga varias estructuras super-reticulares para células solares.

Antecedentes de la invención Las células solares son dispositivos que convierten la energía solar en energía eléctrica liberando las cargas eléctricas que se pueden mover en el semiconductor y finalmente fluyen a través de una carga eléctrica. El fenómeno de producción de corriente, de este modo, se denomina efecto fotovoltaico. Los sistemas fotovoltaicos están diseñados alrededor de las células fotovoltaicas. Debido a que una célula fotovoltaica normal produce menos de 3 vatios a aproximadamente 0, 5 voltios de DC, se deben conectar las células en configuraciones de serieparalelo para producir suficiente energía para las aplicaciones de alta energía. Las agrupaciones de células fotovoltaicas forman un módulo fotovoltaico, también conocido como módulo solar.

Una tendencia en los últimos ha consistido en explorar el uso de un pozo cuántico y estructuras puntuales cuánticas para ajustes de ancho de banda más eficaces y control de transporte. La ventaja de usar estructuras de pozo multicuánticos, por ejemplo, en una célula solar es que se puede ajustar el ancho de banda eficaz por medio de la variación del espesor de las capas de material en lugar de mediante la modificación de la composición del material (un parámetro más difícil de controlar) . La patente de Estados Unidos número 4.688.068 de Chaffin et al., incorporada en su totalidad en la presente memoria por referencia, describe la estructura general de una célula solar de pozo multi-cuántico y describe aplicaciones específicas que usan compuestos de III-V. Normalmente, las estructuras de pozo cuántico de este tipo se someten a crecimiento por epitaxia de haz molecular (MBE) o deposición de vapor química y metalorgánica (MOCVD) . Estas técnicas tienden a ser costosas e implican el uso de sustancias químicas muy tóxicas, al menos en el caso de MOCVD.

Se desea una película fina mejorada y estructuras de pozo cuántico para células solares y métodos de formación de células solares.

Sumario de la invención Un célula fotovoltaica de multi-unión de acuerdo con la invención incluye al menos dos uniones P-N conectadas eléctricamente como se comenta en la reivindicación 1. La reivindicación 16 divulga un método de fabricación del dispositivo de la reivindicación 1. Realizaciones más ventajosas se citan en las reivindicaciones dependientes.

Las características anteriores y otras de la presente invención se comprenderán mejor a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas de la invención que se proporciona junto con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos Los dibujos adjuntos ilustran realizaciones preferidas de la invención, así como otra información pertinente para la divulgación, en la que:

La Figura 1 es una vista lateral de una realización ejemplar de una célula solar de multi-unión de acuerdo con la presente invención; La Figura 2 es un diagrama esquemático de un aparato de electrodeposición para electrodepositar películas finas en la formación de una célula; La Figura 3 es una vista en corte transversal lateral de una estructura de ZnTe/PbTe/ZnTe electrodepositada; La Figura 4 es una vista SEM de una película de ZnTe electrodepositada; La Figura 5 es una vista SEM de una película de PbTE electrodepositada; Las Figuras 6A-6E son curvas que ilustran la raíz cuadrada del coeficiente de absorción óptica multiplicado por la energía del fotón v. energía del fotón para diversas películas; La Figura 7 es una ilustración esquemática de un módulo de célula solar con fines de ensayo; La Figura 8 es un diagrama de tiempo de un voltaje pulsado usado en la deposición de una película de ZnTe; y

La Figura 9 es un diagrama de tiempo de un voltaje pulsado usado en la deposición de una película de PbTe.

Descripción detallada Se pretende que la presente memoria descriptiva de las realizaciones ejemplares se lea junto con los dibujos adjuntos, que se deben considerar parte de la memoria descriptiva escrita completa. En la memoria descriptiva, los términos relativos tales como "inferior", "superior", "horizontal", "vertical", "encima", "debajo", "arriba", "abajo", "superior" e "inferior", así como sus derivados (por ejemplo, "horizontalmente", "en sentido descendente", "en sentido ascendente", etc.) deberían interpretarse como que se refieren a la orientación como se describe más adelante o como se muestra en el dibujo objeto de discusión. Estos términos relativos son, por motivos de conveniencia, para la descripción y no requieren que el aparato esté construido o se opere con una orientación particular. Los términos que se refieren a las uniones, acoplamientos y similares, tales como "conectado" e "interconectado", se refieren a la relación en la cual las estructuras se fijan o unen unas a otras, de forma directa o bien indirecta, a través de las estructuras que toman parte, así como también a uniones o relaciones móviles o rígidas, a menos que se describa expresamente lo contrario.

Como se describe en la presente memoria, se pueden electrodepositar capas de material II/VI y IV/VI (por ejemplo, ZnTe y PbTe) con espesores de película fina, menores que los espesores brutos, que son suficientemente finos para que el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente de la unión P-N resultante se encuentre entre los respectivos anchos de banda del espesor bruto de los materiales II/VI y IV/VI. En realizaciones a modo de ejemplo, las capas II/VI y IV/VI son ZnTe y PbTe, respectivamente, aunque otros materiales tales como ZnSe, ZnS, PbSE y PbS pueden resultar apropiados. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el espesor de las capas de película fina está dentro del orden de 100 nm o menos de modo que las capas alternantes formen una super-reticula composicional. Una estructura a modo de ejemplo tiene capas individuales de espesores dentro del intervalo de 10100 nm, con un espesor total para la super-retícula composicional dentro del intervalo de 1-5 μm. Métodos a modo de ejemplo para la formación de estas estructuras que usan técnicas de electrodeposición también se describen en la presente memoria.

Los científicos han dividido el desarrollo de células solares en tres generaciones. Las células solares fotovoltaicas de primera generación están formadas sobre obleas de silicio o usan polisilicio. La segunda generación de materiales fotovoltaicos está basada en el uso de depósitos de película fina de semiconductores. Independientemente del semiconductor, las películas finas ofrecen posibilidades de una reducción principal en los costes de materias primas por medio de la eliminación de la oblea de silicio usada en las células solares de primera generación. Las películas finas también ofrecen otras ventajas, en particular aumentos en la unidad de fabricación a partir de una oblea de silicio (â100 cm2) hasta una lámina de vidrio (â 1 m2) , que es de aproximadamente 100 veces más grande. En términos de eficacia de conversión energética, esta tecnología de segunda generación con el tiempo debería enlazar en gran medida con el hueco actual existente entre la misma y los productos de primera generación. Para avanzar más, resulta necesario aumentar sustancialmente la eficacia de conversión. El límite de Carnot de conversión de luz solar en electricidad es de aproximadamente un 95 %, mientras que el límite superior teórico es de un 33 % para una célula solar de ancho de banda individual convencional. Esto sugiere que el rendimiento de las células solares se puede mejorar 2-3 veces si se usan conceptos diferentes para producir una tercera generación de productos fotovoltaicos de bajo coste y elevado rendimiento.

Una fuente clave de pérdida en las células solares de primera y segunda generación es cuando el par foto-excitado pierde energía de forma rápida en exceso del ancho de banda. Un fotón rojo de baja energía es justo tan eficaz como un fotón azul de energía mucho mayor. El equilibrado de esta pérdida con la pérdida de fotones de baja energía que pasan rectos a través del... [Seguir leyendo]

1. Una célula fotovoltaica de multi-unión (100) , que comprende:

al menos dos uniones P-N (120, 120A, 120B) conectadas eléctricamente una a la otra en serie, incluyendo cada unión P-N (120, 120A, 120B) una capa de absorbente de tipo-P (122) y una capa de emisor de tipo-N (121) , comprendiendo cada capa de absorbente de tipo-P (122) una pluralidad de capas de película fina alternantes de materiales II-VI y IV-VI, en donde los materiales II-VI y IV-VI tienen anchos de banda respectivos cuando el espesor bruto y el ancho de banda eficaz de cada capa de absorbente de tipo-P se encuentra entre los respectivos anchos de banda, en la que el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente (122) de la primera de las al menos dos uniones P-N (120, 120A, 120B) es diferente de la capa de absorbente (122) de la segunda de las al menos dos uniones P-N (120, 120A, 120B) .

2. La célula fotovoltaica de multi-unión de la reivindicación 1, en la que la capa de emisor de tipo-N (121) es una capa de sulfuro de cadmio.

3. La célula fotovoltaica de multi-unión de cualquiera de las reivindicaciones 1-2, que además comprende un sustrato de vidrio (105) revestido con una capa conductora (110) .

4. La célula fotovoltaica de multi-unión de la reivindicación 3, en la que la capa conductora (110) comprende una capa de óxido de estaño e indio.

5. La célula fotovoltaica de multi-unión de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que además comprende un capa de interconexión (130, 130A) dispuesta entre, y que conecta eléctricamente, las uniones P-N (120, 120A, 120B) juntas, en donde la capa de interconexión (130, 130A) comprende una pluralidad de islas conductoras (135) .

6. La célula fotovoltaica de multi-unión de la reivindicación 5, en la que las islas conductoras (135) comprenden islas de telururo de mercurio o telururo de cobre.

7. La célula fotovoltaica de multi-unión de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en la que la célula fotovoltaica de multi-unión es una célula solar en tándem de dos células, en la que el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente (122) de la primera de las uniones P-N (120, 120A, 120B) es de aproximadamente 1, 0 eV y el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente (122) de la segunda de las uniones P-N (120, 120A, 120B) es de aproximadamente 1, 8 eV, o en la que la célula fotovoltaica de multi-unión es una célula solar en tándem de tres células, en la que el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente (122) de la primera de las uniones P-N (120, 120A, 120B) es de aproximadamente 0, 8 eV, el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente (122) de la segunda de las uniones P-N (120, 120A, 120B) es de aproximadamente 1, 4 eV, y el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente (122) de una tercera de las uniones P-N (120, 120A, 120B) es de aproximadamente 2, 3 eV.

8. La célula fotovoltaica de multi-unión de cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en la que las capas de película fina alternantes forman una super-retícula composicional.

9. La célula fotovoltaica de multi-unión de la reivindicación 8, en la que la super-retícula composicional incluye entr.

3. 40 capas alternantes de telururo de cinc y telururo de plomo, y en la que cada super-retícula composicional tiene un espesor de absorción eficaz de entre aproximadamente 1 y aproximadamente 5 μm y cada una de las capas alternantes de telururo de cinc y telururo de plomo tiene un espesor de entre aproximadamente 100 y aproximadamente 1000 angstroms.

10. La célula fotovoltaica de multi-unión de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en la que los anchos de banda de las capas de absorbente (122) dependen de los espesores de las capas alternantes de materiales II-VI y IV-VI en las uniones P-N.

11. La célula fotovoltaica de multi-unión de cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en la que el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente de la primera de las al menos dos uniones P-N está seleccionado para capturar las longitudes de onda de la luz incidente de aproximadamente 0, 5 μm, y en la que el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente de la segunda de las al menos dos uniones P-N está seleccionado para capturar las longitudes de onda de la luz incidente de aproximadamente 4, 0 μm.

12. La célula fotovoltaica de multi-unión de cualquiera de las reivindicaciones 1-11, que además comprende contactos eléctricos (110, 150) para conducir corriente fuera de dicha células tras su irradiación con radiación que genera un potencial a través de al menos una de dichas uniones P-N.

13. La célula fotovoltaica de multi-unión de cualquiera de las reivindicaciones 1-8, 10-12, en la que los materiales II-VI y IV-VI son telururo de cinc y telururo de plomo, respectivamente.

14. Un método para generar electricidad, que comprende exponer la célula fotovoltaica de multi-unión (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1-13 a radiación solar.

15. Un método de formación de una célula fotovoltaica (100) , que comprende las etapas de:

proporcionar un sustrato de vidrio (105) ; formar una capa de contacto frontal sobre el sustrato de vidrio (110) ; formar una primera unión P-N (120) que comprende una capa de emisor de tipo-N (121) y una capa de absorbente de tipo-P (122) que comprende una super-retícula composicional, en la que la primera etapa que forma la unión P-N incluye:

electrodepositar una capa de emisor de tipo-N (121) sobre la capa conductora (110) ; y electrodepositar una pluralidad de capas alternantes de materiales II-VI y IV-VI, en la que los materiales II-VI y IV-VI tienen anchos de banda respectivos cuando el espesor bruto y el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente de tipo-P (122) está entre los respectivos anchos de banda; y formar una capa de contacto trasera (150) sobre la primera unión P-N.

16. El método de formación de una célula fotovoltaica (100) de la reivindicación 15, en el que la célula fotovoltaica (100) es una célula fotovoltaica de multi-unión (100) , comprendiendo el método la etapa de formación de al menos una segunda unión P-N (120A, 120B) en serie con la primera unión P-N (120) , en donde el ancho de banda eficaz de la capa de absorbente (122) de la primera unión P-N (120) es diferente de la capa de absorbente (122) de la segunda unión P-N (120A, 120B) .