ES2208166T3 - Dospositivo fotovoltaico de pelicula delgada basada en silicio amorfo. - Google Patents
Dospositivo fotovoltaico de pelicula delgada basada en silicio amorfo.Info
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Abstract
Un dispositivo fotovoltaico de película delgada basada en silicio amorfo, que comprende: un sustrato (10; 10, 11) de vidrio; y una estructura laminada formada sobre el sustrato (10) de vidrio y que consta de un electrodo transparente (20), una capa semiconductora (30) que contiene un semiconductor basado en silicio amorfo y un electrodo posterior (40), en el que el sustrato (10; 10, 11) de vidrio tiene una transmitancia de entre 88 y 90% para luz que presente una longitud de onda de 700 nm y de entre 84 y 87% para luz que presente una longitud de onda de 800 nm, y contiene entre 0, 026 y 0, 065% en peso de óxido de hierro.
Description
Dispositivo fotovoltaico de película delgada
basada en silicio amorfo.
La presente invención se refiere a un dispositivo
fotovoltaico de película delgada basada en silicio amorfo.
Es bien sabido en la técnica que un dispositivo
fotovoltaico de película delgada que tiene una unidad fotovoltaica
basada en silicio amorfo, por ejemplo, una batería solar, carece de
estabilidad. Más específicamente, cuando el portador excitado por
la luz irradiada se recombina dentro de la capa semiconductora
amorfa, el estado de los enlaces del átomo de silicio cambia por la
energía liberada en la etapa de recombinación, con el resultado de
que en la banda prohibida se forman centros de recombinación
nuevos. Como consecuencia, se reduce una propiedad de la película
tal como la fotoconductividad de la capa fotovoltaica de silicio,
finalmente se reducirá el rendimiento de conversión. Este fenómeno
se presenta más claramente cuando se consume energía dentro del
dispositivo tal como en un estado de circuito abierto. En relación
con esto, en la técnica se sabe que si el dispositivo fotovoltaico
deteriorado se somete a un tratamiento térmico a aproximadamente
150ºC, el cambio indicado anteriormente es moderado de manera que
se restablece nuevamente la conductividad. Este fenómeno se
denomina efecto Staebler-Wronski.
En la técnica se conoce la formación de, por
ejemplo, una capa amortiguadora entre la capa p y la capa i de una
unidad fotovoltaica de tipo pin para eliminar el deterioro del
dispositivo fotovoltaico de película delgada basada en silicio
amorfo. No obstante, es difícil obtener una formación precisa de la
capa amortiguadora con una concentración de impurezas adecuada.
Por otro lado, el material del sustrato de vidrio
utilizado en el dispositivo fotovoltaico convencional de película
delgada basada en silicio amorfo se selecciona con el fin de
mejorar únicamente las características iniciales o los costes. En
otras palabras, en la selección del material del sustrato de vidrio
no se tiene en cuenta el deterioro de las características. En estas
circunstancias, el deterioro de las características sigue siendo un
problema práctico en el dispositivo fotovoltaico convencional,
aunque puede que sea posible obtener características satisfactorias
al nivel del laboratorio.
El documento EP849808 da a conocer una célula
solar amorfa sobre un sustrato de vidrio; el documento
JP57149845 da a conocer sustratos de vidrio con concentraciones específicas de óxido de hierro.
JP57149845 da a conocer sustratos de vidrio con concentraciones específicas de óxido de hierro.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un dispositivo fotovoltaico estable de película
delgada basada en silicio amorfo que usa un material adecuado de
sustrato de vidrio y que, por lo tanto, presenta unas
características iniciales buenas al mismo tiempo que elimina el
deterioro de las características.
Según la presente invención, se proporciona un
dispositivo fotovoltaico de película delgada basada en silicio
amorfo, tal como se describe en las reivindicaciones.
Este resumen de la invención no describe
necesariamente todas las características necesarias de manera que
la invención también puede ser una combinación secundaria de estas
características descritas.
La presente invención se puede entender más
claramente a partir de la siguiente descripción detallada,
considerada conjuntamente con los dibujos adjuntos, en los
cuales:
la Fig. 1 es una vista en sección transversal que
muestra un ejemplo del dispositivo fotovoltaico de película delgada
de la presente invención; y
la Fig. 2 es una vista en sección transversal que
muestra otro ejemplo del dispositivo fotovoltaico de película
delgada de la presente invención.
Un dispositivo fotovoltaico de película delgada
basada en silicio amorfo de la presente invención comprende un
sustrato de vidrio y una estructura laminada formada sobre el
sustrato de vidrio y que consta de un electrodo transparente, una
capa semiconductora que contiene un semiconductor basado en silicio
amorfo y un electrodo posterior.
Si el sustrato de vidrio tiene una transmitancia
a la luz elevada, dentro de la capa semiconductora basada en
silicio amorfo se genera una gran cantidad de portadores, lo cual
conduce a un aumento de la generación de energía, particularmente
generación de corriente, del dispositivo fotovoltaico. No obstante,
como el número de portadores recombinados dentro de la capa
semiconductora también aumenta, el dispositivo fotovoltaico tiende a
deteriorarse. Por otro lado, si la transmitancia a la luz del
sustrato de vidrio es baja, la generación de energía disminuye,
aunque el dispositivo fotovoltaico se deteriora menos. En estas
circunstancias, en la presente invención se usa un sustrato de
vidrio al que se le ha ajustado la transmitancia a la luz a un valor
óptimo de manera que se elimina el deterioro sin reducir la
generación de energía del dispositivo fotovoltaico.
En la presente invención, se usa un sustrato de
vidrio que tiene una transmitancia a la luz de entre el 88 y el 90%
para una luz que presente una longitud de onda de 700 nm y de entre
el 84 y el 87% para una luz que presente una longitud de onda de
800 nm. La transmitancia de la luz que presenta una longitud de
onda no menor que 700 nm se puede controlar ajustando la composición
del óxido metálico, por ejemplo, óxido de hierro, que constituye el
sustrato de vidrio. Se debería observar que la capa semiconductora
basada en silicio amorfo es considerablemente sensible a una luz
que presente una longitud de onda de hasta aproximadamente 800 nm.
En el caso de que se use un sustrato de vidrio que presente los
valores indicados anteriormente de transmitancia de la luz con una
longitud de onda de entre 700 nm y 800 nm, se puede eliminar el
deterioro sin reducir la generación de energía del dispositivo
fotovoltaico.
Es necesario que el sustrato de vidrio sea
suficientemente grueso como para resistir una presión del viento de
225 kg/m2, según se específica en los estándares IEC 1215. Para
obtener una resistencia mecánica suficientemente alta como para
resistir la presión del viento indicada anteriormente, es necesario
que un sustrato de vidrio con unas dimensiones de 100 cm x 50 cm
tenga un grosor de 4 mm y que un sustrato de vidrio con unas
dimensiones de 100 cm x 100 cm tenga un grosor de 5 mm.
Naturalmente, en la presente invención se usa un
sustrato de vidrio que tiene un grosor de, por ejemplo, 4 mm,
suficientemente grande como para permitir que el sustrato de vidrio
presente la resistencia mecánica que satisface los estándares IEC
en relación con la resistencia a la presión del viento y que además
presenta la transmitancia a la luz descrita anteriormente. El
sustrato de vidrio específico se puede preparar, por ejemplo,
controlando el contenido de óxido de hierro del sustrato de vidrio
o pegando un sustrato de vidrio que tenga un alto contenido en
óxido de hierro a una placa de vidrio de refuerzo con un bajo
contenido en óxido de hierro de tal manera que la estructura tenga
un grosor de, por ejemplo, 4 mm, suficientemente grande como para
permitir que dicha estructura presente una resistencia mecánica
deseada que satisfaga los estándares IEC en relación con la
resistencia a la presión del viento.
El dispositivo fotovoltaico de película delgada
basada en silicio amorfo de la presente invención se construye de
la siguiente manera.
Específicamente, sobre el sustrato de vidrio se
forma un electrodo transparente. Es deseable que el material del
electrodo transparente tenga una transmitancia elevada no inferior
al 80% para una luz que presente una longitud de onda de entre 500
y 1200 nm. El electrodo transparente se forma con un óxido conductor
transparente que incluya, por ejemplo, SnO_{2}, ZnO e ITO. Entre
estos materiales, se desea particularmente el SnO_{2} en términos
de transmitancia, conductividad y estabilidad química. También es
deseable el ITO en términos de trabajabilidad, conductividad y
transmitancia. El electrodo transparente se forma, por ejemplo, con
un procedimiento de deposición en vacío, CVD térmica o bombardeo
iónico. Es deseable que el electrodo transparente tenga una
estructura ventajosa en cuanto al confinamiento óptico, por
ejemplo, una estructura irregular.
Sobre el electrodo transparente se forma una
unidad fotovoltaica realizada con capas semiconductoras que
contienen un semiconductor basado en silicio amorfo, por ejemplo,
una estructura laminada formado por una capa a-Si:H
tipo p, una capa a-Si:H tipo i y una capa Si:H
microcristalina tipo n. Cualquiera de las capas semiconductoras
incluidas en la unidad fotovoltaica se deposita mediante un
procedimiento de CVD por plasma en el que la temperatura del
sustrato de fija a 400ºC o menos. El procedimiento de CVD por
plasma usado en la presente invención incluye, por ejemplo, un CVD
por plasma RF de tipo placa paralela que es ampliamente conocido en
la técnica y un CVD por plasma que usa una fuente de energía de
alta frecuencia comprendida entre una zona RF de una frecuencia de
150 MHz o menos y una zona de VHF. En relación con esto, es posible
irradiar la capa semiconductora depositada con luz de láser en
forma de impulsos (recocido por láser) para controlar la
cristalinidad y la concentración de portadores.
Sobre la unidad fotovoltaica se forma un
electrodo posterior. Es deseable que el electrodo posterior sea una
estructura laminada formado por, por ejemplo, un óxido conductor
transparente y un metal reflectante a la luz, aunque es posible
usar solamente un metal reflectante a la luz. Es deseable usar un
óxido conductor transparente ya que el óxido específico mejora la
adhesividad de la capa metálica reflectante a la luz de manera que
se mejora la eficacia de reflexión y sirve para proteger la unidad
fotovoltaica respecto a un cambio químico. El óxido conductor
transparente usado en la presente invención se selecciona de entre
el grupo formado por ITO, SnO_{2} y ZnO. Es particularmente
deseable usar un óxido conductor transparente basado en ZnO. Es
deseable que la capa de óxido conductor transparente basada en ZnO
tenga un grosor de entre 50 nm y 1 \mum y una resistividad no
mayor que 1,5 x 10^{-3} \Omega\cdotcm. La capa metálica
reflectante a la luz se puede formar mediante un procedimiento de
deposición en vacío o bombardeo iónico. Es deseable que el metal
reflectante a la luz se seleccione de entre el grupo formado por
Ag, Au, Al, Cu, Pt y aleaciones que contengan estos metales. Por
ejemplo, es deseable formar un metal reflectante a la luz mediante
deposición en vapor de Ag con una alta reflectividad a la luz entre
100 y 330ºC, preferentemente entre 200 y 300ºC. También es posible
formar un metal reflectante a la luz mediante un procedimiento de
bombardeo iónico a temperatura ambiente.
A continuación se describirá la presente
invención haciendo referencia a Ejemplos.
En la primera etapa, se prepararon tres tipos de
sustratos de vidrio (a) a (c) que se proporcionan seguidamente.
Cada uno de estos sustratos de vidrio contenía 73% en peso del
componente principal SiO_{2}, entre 14 y 15% en peso de
Na_{2}O, aproximadamente 10% en peso de CaO, MgO, Al_{2}O_{3},
Fe_{2}O_{3} y trazas dde otros componentes. Sobre la
transmitancia de la luz que presenta una longitud de onda no menor
que 700 nm influye enormemente el contenido de Fe_{2}O_{3} del
sustrato de vidrio.
- (a)
- Vidrio plano con bajo contenido en hierro con un grosor de 4 mm
- Contenido de Fe_{2}O_{3}: 0,01% en peso
- Transmitancia a la luz con una longitud de onda de 700 nm: 90,1%
- Transmitancia a la luz con una longitud de onda de 800 nm: 89,3%
- (b)
- Vidrio plano convencional con un grosor de 4 mm
- Contenido de Fe_{2}O_{3}: 0,1% en peso
- Transmitancia a la luz con una longitud de onda de 700 nm: 85,1%
- Transmitancia a la luz con una longitud de onda de 800 nm: 80,8%
- (c)
- Vidrio plano convencional con un grosor de 1.8 mm
- Contenido de Fe_{2}O_{3}: 0,1% en peso
- Transmitancia a la luz con una longitud de onda de 700 nm: 89,6%
- Transmitancia a la luz con una longitud de onda de 800 nm: 86,8%
Se preparó una batería solar amorfa que tenía una
estructura según se muestra en la Fig.1, usando cada uno de estos
sustratos de vidrio. Tal como se muestra en el dibujo, sobre un
sustrato 10 de vidrio se formaron un electrodo transparente 20
realizado con SnO_{2}, una unidad fotovoltaica 30 que consta de
una capa 31 de silicio amorfo de tipo p, una capa 32 de silicio
amorfo de tipo i y una capa 33 de silicio amorfo de tipo n, y un
electrodo posterior 40 que tenía una estructura laminada formada
por una capa 41 de óxido conductor transparente realizada con ZnO y
una capa metálica 42 reflectante a la luz realizada con Ag. La luz
incide sobre el sustrato 10 del dispositivo fotovoltaico.
Se realizaron mediciones respecto al voltaje de
circuito abierto V_{OC}, la densidad de corriente en
cortocircuito J_{SC}, el factor de forma FF y el rendimiento de
conversión E_{ff} de la batería solar formada en cada uno de los
sustratos de vidrio. La medición se realizó inmediatamente después
de la fabricación (características iniciales) y después de
irradiación luminosa en una cantidad correspondiente a la
irradiación luminosa durante un año. La irradiación luminosa
equivalente a la irradiación luminosa durante un año es igual a la
condición en la que la batería solar se irradia con luz de AM 1,5
con una salida de 100 mW/cm^{2} durante 550 horas a 48ºC. La
estabilidad de la batería solar se evaluó calculando la relación
del rendimiento de conversión E_{ff} después de la irradiación
luminosa equivalente a un año respecto al rendimiento de conversión
inicial. La Tabla 1 muestra los resultados.
(Tabla pasa a página
siguiente)
Tal como se pone de manifiesto a partir de la
Tabla 1, la muestra que usa el vidrio plano con bajo contenido en
hierro con una alta transmitancia a la luz es superior en cuanto a
las características iniciales respecto a la muestra que usa el
vidrio plano convencional con una baja transmitancia a la luz, si
cada sustrato de vidrio tiene el mismo grosor (4 mm). No obstante,
la muestra que usa el sustrato de vidrio plano con bajo contenido
en hierro incurre en una reducción notable del E_{ff} y, por lo
tanto, tiene una estabilidad deficiente. Por otro lado, se observó
que la muestra que usa el vidrio plano convencional de un grosor de
1,8 mm es satisfactoria en relación con cada una de las
características iniciales y la estabilidad. Se considera razonable
interpretar que el vidrio plano de un grosor de 1,8 mm presentaba
una transmitancia adecuada a la luz que presenta una longitud de
onda de entre 700 y 800 nm, desembocando en los resultados
satisfactorios.
Para posibilitar que el sustrato de vidrio de un
grosor de 4 mm, el cual tiene una resistencia mecánica
suficientemente alta como para resistir una presión predeterminada
del viento, sea equivalente al sustrato de vidrio de 1,8 mm de
grosor en cuanto a la transmitancia de la luz que presenta una
longitud de onda de entre 700 y 800 nm, es adecuado controlar el
contenido de Fe_{2}O_{3} entre un 0,026 y un 0,065% en
peso.
Como alternativa, tal como se muestra en la Fig.
2, es posible pegar un sustrato 11 de vidrio de refuerzo formado
por, por ejemplo, un vidrio plano con bajo contenido en hierro de
2,2 mm de grosor al sustrato 10 de vidrio formado por un vidrio
plano convencional de 1,8 mm de grosor, en el que se forma una
estructura laminada igual a la de la Fig. 1.
A los expertos en la técnica se les ocurrirán
fácilmente ventajas y modificaciones adicionales. Por esta razón,
la invención en sus aspectos más amplios no se limita a los
detalles específicos y las realizaciones representativas mostrados
y descritos en el presente documento. Por consiguiente, se pueden
realizar varias modificaciones sin desviarse del espíritu o ámbito
del concepto general de la invención según se define mediante las
reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.
Claims (6)
1. Un dispositivo fotovoltaico de película
delgada basada en silicio amorfo, que comprende:
un sustrato (10; 10, 11) de vidrio; y
una estructura laminada formada sobre el sustrato
(10) de vidrio y que consta de un electrodo transparente (20), una
capa semiconductora (30) que contiene un semiconductor basado en
silicio amorfo y un electrodo posterior (40),
en el que el sustrato (10; 10, 11) de vidrio
tiene una transmitancia de entre 88 y 90% para luz que presente una
longitud de onda de 700 nm y de entre 84 y 87% para luz que
presente una longitud de onda de 800 nm, y contiene entre 0,026 y
0,065% en peso de óxido de hierro.
2. El dispositivo fotovoltaico según la
reivindicación 1, en el que dicho sustrato de vidrio consta de una
parte (10) de sustrato de vidrio y una placa (11) de vidrio de
refuerzo en el que la placa (11) de vidrio de refuerzo está pegada
a la parte (10) de sustrato de vidrio y está situada en el lado de
incidencia de la luz y en el que el contenido en hierro de dicha
parte (10) de sustrato de vidrio es mayor que el contenido de
hierro de dicha placa (11) de vidrio de refuerzo.
3. El dispositivo fotovoltaico según la
reivindicación 1 ó 2, en el que dicho sustrato (10; 10, 11) de
vidrio tiene un grosor suficientemente grande como para obtener una
resistencia mecánica suficiente para resistir una presión
predeterminada del viento.
4. El dispositivo fotovoltaico según la
reivindicación 1, 2 ó 3, en el que una capa de óxido conductor
transparente que forma dicho electrodo transparente (20) tiene una
estructura irregular, y dicho electrodo posterior (40) se forma con
una capa metálica reflectante a la luz o una estructura laminada
formada por una capa de óxido conductor transparente y una capa
metálica reflectante a la luz.
5. El dispositivo fotovoltaico según la
reivindicación 4, en el que dicho metal reflectante a la luz se
selecciona de entre el grupo formado por Ag, Au, Al, Cu, Pt y
aleaciones de los mismos.
6. El dispositivo fotovoltaico según la
reivindicación 4 ó 5, en el que dicho óxido conductor transparente
se selecciona de entre el grupo formado por ITO, SnO_{2} y
ZnO.
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