ES2312872T3 - Celula solar que tiene un diodo de derivacion crecido monoliticamente integrado. - Google Patents

Abstract

Un circuito de células solares que comprende: un dispositivo (100) de células solares de unión múltiple que tiene al menos dos células fotovoltaicas; y un primer diodo (206, 208; 1214, 1216) de derivación crecido epitaxialmente sobre dicha parte de células solares de unión múltiple para proteger al menos una primera y una segunda de dichas al menos dos células fotovoltaicas, en el que dichas células fotovoltaicas están formadas por una secuencia de capas p sobre n (o una secuencia de capas n sobre p), y en el que dicho diodo (206, 208; 1214, 1216) de derivación está formado por una capa p sobre una n cuando las células fotovoltaicas están formadas por una secuencia de p sobre n (o por una capa n sobre una p cuando las células fotovoltaicas están formadas por una secuencia de n sobre p), en el que se proporciona una capa (202; 1210) de conexión conductora altamente dopada entre la capa (206, 1214) inferior del diodo (206, 208; 1214, 1216) de derivación y una capa (122; 1208) superior conductora altamente dopada del dispositivo de células solares de unión múltiple, teniendo dicha capa (202; 1210) de conexión el mismo tipo de dopado que la capa inferior del diodo de derivación, teniendo dicha capa (122; 1208) superior un tipo de dopado opuesto al de la capa (202; 1210) de conexión.

Description

Célula solar que tiene un diodo de derivación crecido monolíticamente integrado.

Antecedentes de la invención Campo de la invención

La presente invención se refiere a células solares.

Descripción de la técnica relacionada

Las células fotovoltaicas, denominadas comúnmente células solares, son dispositivos bien conocidos que convierten la energía solar en energía eléctrica. Las células solares se han usado durante mucho tiempo para generar energía eléctrica en ambas aplicaciones terrestres y espaciales. Las células solares ofrecen varias ventajas con respecto a fuentes de energía más convencionales. Por ejemplo, las células solares ofrecen un procedimiento limpio para generar electricidad. Además, las células solares no tienen que reabastecerse con combustibles fósiles. En cambio, las células solares se cargan mediante la energía prácticamente ilimitada del sol. Sin embargo, el uso de células solares se ha limitado debido a que las células solares constituyen un procedimiento relativamente caro de generar electricidad. No obstante, la célula solar es un dispositivo atractivo para generar energía en el espacio, donde no se dispone de fuentes de energías convencionales de bajo coste.

Las células solares normalmente se montan en series de células solares conectadas entre sí en serie, o en paralelo, o en una combinación de en serie y en paralelo. La corriente y la tensión de salida deseadas, al menos en parte, determinan el número de células en una serie, así como la topología de la serie.

Tal como se conoce bien en la técnica, cuando se iluminan todas las células en una serie, cada célula se polarizará directamente. Sin embargo, si se ensombrece una o más células (es decir, si no se iluminan), por una antena de satélite o similar, la célula o células ensombrecida(s) llegará(n) a polarizarse inversamente debido a la tensión generada por las células no ensombrecidas. La polarización inversa de una célula puede producir la degradación permanente en el rendimiento de la célula, o incluso el fallo completo de la célula. Para proteger frente a tal daño, es habitual proporcionar diodos de derivación protectores. Un diodo de derivación puede conectarse a través de varias células, o para aumentar la fiabilidad, cada célula puede tener su propio diodo de derivación. Las células solares de unión múltiple son particularmente propensas a dañarse cuando se someten a una condición de polarización inversa. Por tanto, las células de unión múltiple en particular se benefician de tener un diodo de derivación por célula. Convencionalmente, un diodo de derivación está conectado en una configuración anti-paralela, estando el ánodo y el cátodo del diodo de derivación conectados respectivamente al cátodo y el ánodo de la célula solar, de modo que el diodo de derivación se polarizará inversamente cuando las células se iluminan. Cuando una célula está ensombrecida, la corriente a través de la célula ensombrecida se vuelve limitada y la célula ensombrecida llega a polarizarse inversamente. El diodo de derivación conectado a través de la célula ensombrecida, a su vez, llega a polarizarse inversamente. La mayor parte de la corriente fluirá a través del diodo de derivación en lugar de a través de la célula ensombrecida, permitiendo así que la corriente continúe fluyendo a través de la red. Además, el diodo de derivación limita la tensión de polarización inversa a través de la célula ensombrecida, protegiendo así la célula ensombrecida.

Se han usado varios procedimientos convencionales para proporcionar células solares con protección de diodo de derivación. Cada procedimiento convencional tiene sus inconvenientes. Por ejemplo, en un intento por proporcionar un aumento de la protección de derivación, un procedimiento supone situar un diodo de derivación entre células adyacentes, conectando el ánodo del diodo de derivación a una célula y conectando el cátodo del diodo a una célula adyacente. Sin embargo, esta técnica requiere que las células se monten en una red antes de que pueda añadirse la protección de diodo de derivación. Este procedimiento de montaje es difícil e ineficaz. Además, esta técnica requiere que los diodos de derivación los añada en montador de la red, en lugar del fabricante de la célula. Además, esta técnica requiere que las células estén separadas lo suficiente como para alojar el diodo de derivación. Esta separación da como resultado que la red tenga un factor de empaquetamiento inferior, y por tanto, la red es menos eficaz desde el punto de vista de la zona.

Otra técnica convencional que proporciona un diodo de derivación para cada célula requiere que se forme un rebaje en la parte trasera de la célula en la que se coloca el diodo de derivación. Cada célula está dotada de un primer contacto de polaridad en una superficie frontal de la célula y se proporciona un segundo contacto de polaridad en una superficie trasera de cada célula. Entonces debe soldarse una interconexión con forma de "S" desde un contacto de superficie trasera de una primera célula hasta un contacto de superficie frontal de una célula adyacente. Por tanto, esta técnica requiere desventajosamente que las células estén separadas lo suficiente como para alojar la interconexión que debe pasar entre las células adyacentes. Otras desventajas de este procedimiento incluyen la posibilidad de microgrietas generadas durante la formación del rebaje. Además, esta técnica requiere una línea de unión de adhesivo gruesa, añadiendo así elementos de elevación de la tensión, que aumentan las tensiones generadas durante el ciclo de temperatura. Además, la presente técnica convencional requiere que la conexión de la interconexión con la célula adyacente la realice el montador de la red en lugar del fabricante de la célula.

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Se llama la atención sobre el documento US 4.638.109 que se refiere a un generador de electricidad mediante luz solar que comprende una batería de luz solar amorfa, que comprende: un sustrato conductor, que también constituye un electrodo de salida. Se proporcionan capas semiconductoras amorfas sobre el sustrato y constituyen una estructura de unión p-i-n individual para un elemento de batería solar y un diodo de protección. El electrodo metálico se provee para la conexión con un diodo de conexión. Los diodos de un elemento de batería proporcionan protección para la célula solar de un elemento de batería trasera.

El resumen de patente de los documentos japoneses Vol. 1997 Nº 07, 31-07-1997 y JP-A-09-064397 se refieren a una célula solar y a un módulo de células solares. Se proporciona un elemento de diodo que está situado adyacente a las capas semiconductores de un elemento de células solares.

El documento US 4 759 803 da a conocer un sistema de células solares protegido. Una pluralidad de células solares protectoras monolíticas está conectada eléctricamente en serie. Un diodo de derivación se forma mediante una capa dopada con N adicional en la parte superior de la capa de tipo p de la célula solar.

Por tanto, la secuencia de capas de ambos el diodo de derivación así como de la célula solar es desde arriba hacia abajo: n sobre p sobre n. Por tanto, el diseño de ambos la célula solar así como del diodo de derivación dependen entre sí.

En la presente invención, la célula solar es una célula de unión múltiple. El diodo de derivación se hace crecer monolíticamente sobre al menos una parte de la célula solar. La célula solar está formada de al menos materiales del grupo III, IV o V. El diodo incluye al menos una capa de GaAs de tipo N y una capa de GaAs de tipo P. Todavía en otra realización, el diodo se forma usando materiales de ancho de banda prohibida inferior, tales como germanio o InGaAs.

La célula solar incluye un sustrato de germanio (Ge). El sustrato de Ge puede incluir además una unión fotoactiva. El sustrato es un único cristal.

En otra realización, un conductor de abrazadera en C interconecta al menos un contacto de célula solar con al menos un contacto de diodo de derivación. En otra realización, se usa una capa metalizada de manera integrada para interconectar al menos un contacto de célula solar con al menos un contacto de diodo de derivación. Todavía en otra realización, la capa metalizada de manera integrada se deposita sobre una capa aislante para evitar que la capa metalizada de manera integrada cortocircuite a una o más de otras capas.

Una capa superior interconecta una primera polaridad de diodo con la célula solar. En la realización, el diodo de derivación se hace crecer epitaxialmente sobre una célula solar que tiene una o más uniones. La célula solar puede estar formada de al menos uno o más de los siguientes materiales: GaAs, InP, GalnP_{2} y AlGaAs. En otra realización, se usan otros compuestos III-V para formar al menos una parte de la célula solar.

Breve descripción de los dibujos

Estos y otros aspectos, ventajas y características novedosas de la invención resultarán evidentes con la lectura de la siguiente descripción detallada y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 ilustra una primera etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 2 ilustra una segunda etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 3 ilustra una tercera etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 4 ilustra, una cuarta etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 5 ilustra una quinta etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 6 ilustra una sexta etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 7 ilustra una séptima etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 8 ilustra una octava etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 9 ilustra una novena etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 10 ilustra una décima etapa de procesamiento usada para construir una realización de la presente invención;

la figura 11 ilustra una realización de la presente invención, que incluye una interconexión discreta;

la figura 12 ilustra una realización de la presente invención, que incluye una interconexión integrada;

la figura 13A ilustra una vista en perspectiva de una realización de la presente invención;

la figura 13B ilustra en mayor detalle el diodo de derivación ilustrado en la figura 13A;

la figura 14A ilustra otra célula solar de unión múltiple no reivindicada en esta patente que tiene un diodo de derivación oculto;

la figura 14B ilustra el diseño de la figura 14A una vez realizadas otras actuaciones de procesamiento;

la figura 15A ilustra un primer procedimiento de interconexión de células solares; y

la figura 15B ilustra un segundo procedimiento de interconexión de células solares.

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Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La presente invención se refiere a una célula solar con al menos un diodo de derivación integrado. La célula solar puede ser una célula de unión única o de unión múltiple. Tal como se trata más adelante, en una realización, un diodo de derivación se hace crecer epitaxialmente sobre una célula solar de unión múltiple. El dispositivo de célula solar/diodo de derivación puede interconectarse con otras células solares para formar hileras en serie y/o paralelas de células solares. Las hileras pueden conectarse adicionalmente para formar una red de células solares fiable y robusta. La red de células solares puede montarse en un vehículo espacial, proporcionando así energía al vehículo espacial.

La figura 1 muestra una secuencia de capas 106-122 de III-U que se hacen crecer secuencialmente sobre un sustrato 102 de Ge en una realización de la presente invención para formar una célula 100 solar de unión múltiple. El sustrato 102 de Ge puede incluir además una unión fotoactiva. En una realización, las capas se hacen crecer epitaxialmente, lo que significa que reproducen la estructura cristalina única del material. Los parámetros del crecimiento (temperatura de deposición, tasa de crecimiento, composición de aleación del compuesto y concentraciones dopantes de impurezas) se optimizan preferiblemente para proporcionar capas con las cualidades eléctricas y el espesor deseados, para obtener así el rendimiento global requerido de las células. Las técnicas epitaxiales que pueden usarse para el crecimiento de las capas de células incluyen, a modo de ejemplo, epitaxia por MOCVD (deposición química en fase de vapor con precursores metálico-orgánicos) en ocasiones denominada OMVPE (epitaxia en fase de vapor con precursores metálico-orgánicos), MBE (epitaxia de haces moleculares) y MOMBE (epitaxia de haces moleculares con precursores metálico-orgánicos).

En la realización ilustrada, una capa 106 de base de GaAs dopada con N se hace crecer y se superpone sobre al menos una parte del sustrato 102. En la superficie de contacto entre la capa 102 y la capa 106 se forma una unión fotoactiva. En una realización, la unión fotoactiva es un heterodiodo de N+GaAs/N+Ge. En otra realización, si va a hacerse crecer una configuración N/P, se usa un sustrato 102 de Ge de tipo P y la difusión de As desde la capa 106 forma una unión N/P en el sustrato 102.

Tal como se ilustra en la figura 1, se hace crecer una capa 108 emisora de GaAs altamente dopada con P sobre al menos una parte de la capa 106 de base de GaAs. La capa 106 de base y la capa 108 emisora forman juntas una fase de células inferiores. Una capa 110 de ventana de AlGaAs altamente dopada con P se superpone sobre la capa 108 emisora. Un diodo túnel, que incluye las capas 112, 114 muy altamente dopadas con P y N, se hace crecer sobre la capa 110 de ventana. Una segunda, o fase de células superiores, que incluye una capa 116 de base dopada con N y una capa 118 emisora altamente dopada con P, se forma sobre el diodo túnel.

En una realización, las dos últimas capas que se han hecho crecer para la célula solar son, respectivamente, una ventana 120 de AlGaAs altamente dopada con P, que es una capa delgada, transparente que pasiva (reduce la recombinación de vehículo) la superficie de la capa 118 emisora de la célula de arriba (GaInP_{2}), y una capa 112 superior de GaAs sobre la que se depositan los contactos óhmicos de la superficie frontal. En una realización, los contactos son en forma de dedo de rejilla, para equilibrar la baja resistencia eléctrica y la alta transparencia óptica. Sin embargo, también pueden usarse otros patrones de contacto. En la presente realización, tal como se describe más adelante, el diodo de derivación integrado está incluido en la estructura de célula crecida monolíticamente mediante el crecimiento de varias capas adicionales. La capa 122 superior se elimina selectivamente entre las líneas de rejilla y los recubrimientos antirreflectantes se depositan sobre la capa 120 de ventana de arriba.

El experto en la técnica entenderá que la célula 100 solar de tres células, de tres uniones, ilustrada en la figura 1, sólo es una de las muchas posibles realizaciones de células que pueden usarse con la presente invención. En otra realización, puede usarse una estructura complementaria, con las polaridades de una o más capas cambiadas (es decir, las capas dopadas con N son, en cambio, capas dopadas con P, y las capas dopadas con P son, en cambio, capas dopadas con N). Por ejemplo, pueden cambiarse las configuraciones de célula y diodo ilustradas en las figuras y tratadas más adelante de PIN a NIP. Además, pueden variarse las concentraciones de dopado o los espesores de la capa. Además, en otras realizaciones, la célula 100 solar puede incluir cuatro o más células fotovoltaicas, o sólo una o dos células. De manera similar, la célula solar puede incluir dos o más uniones. A modo de ejemplo, en una realización, la célula 100 puede incluir cuatro uniones.

Además, la célula 100 solar puede incluir células fabricadas de otros materiales, tales como AlGaAs o InP. En otras realizaciones, el sustrato 102 puede formarse usando una variedad de materiales diferentes. Por ejemplo, la célula 100 solar puede usar otros semiconductores, tales como GaAs, Si o InP para el sustrato, en lugar del sustrato 102 de Ge ilustrado en la figura 1. Como alternativa, pueden usarse sustratos aislantes, tales como zafiro. En una realización, el sustrato 102 es un único cristal. Si se desea que la célula 100 solar tenga un uso espacial, tal como en un satélite o vehículo espacial, entonces los materiales de la célula son preferiblemente para que cumplan con los requisitos espaciales para el entorno espacial apropiado. Por ejemplo, la célula 100 solar y el diodo de derivación pueden cumplir con los requisitos espaciales para operar en un entorno de radiación AMO.

Ahora se describirá un procedimiento de fabricación del diodo de derivación según se reivindica. Tal como se ilustra en la figura 2, el diodo 212 de derivación está incluido en la estructura de la célula solar usando cinco capas 202, 204, 206, 208, 210 crecidas.

Tal como se describió anteriormente, en una realización, en primer lugar se hacen crecer las capas 106-122, que comprenden las partes fotovoltaicas de la célula 100 solar de unión múltiple y se continúa el ciclo de crecimiento para hacer crecer las capas 202-210 adicionales. Desde la capa 122 superior de GaAs de tipo P usada para los contactos de rejilla frontales, las capas adicionales son en orden:

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La capa 202 de conexión de GaAs altamente dopada con N usada para reducir la resistencia de contacto a la capa 206 de diodo de N-GaAs y a la capa 122 superior de GaAs altamente dopada.

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La capa 204 de parada del ataque químico (de GaInP o AlGaAs altamente dopada con N) usada para permitir la eliminación controlada del ataque químico de las tres capas 206-210 de diodo.

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La capa 206 de GaAs dopada con N, que comprende la parte dopada negativamente del diodo 212 de derivación.

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La capa 208 de GaAs dopada con P, que comprende la parte dopada positivamente del diodo 212 de derivación.

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La capa 210 superior de GaAs altamente dopada con P, usada para proporcionar un buen contacto metálico con la capa 208 P del diodo 212.

Sin embargo, tal como apreciará un experto en la técnica, otras realizaciones de la presente invención pueden utilizar un número diferente de capas, formadas de diferentes tipos de materiales y que tienen dopantes diferentes a los de la realización descrita anteriormente. Por ejemplo, el uso de la estructura complementaria, es decir, N/P, en lugar de PIN, puede estar constituido de manera similar por células solares de unión múltiple N/P y un diodo de derivación N/P. Además, el diodo 212 puede formarse usando materiales de ancho de banda prohibida inferior, tales como germanio o InGaAs. En otra realización, puede omitirse la capa 202, dejando que la capa 204 proporcione detención del ataque químico y conducción eléctrica.

Ahora se describirá una descripción de un procedimiento de procesamiento de una oblea para formar una realización de la invención. En la presente realización, las etapas del procedimiento se usan para hacer crecer, definir mediante ataque químico mesa e interconectar una realización del diodo 212 de derivación en la célula 100 en cascada (de unión múltiple)

En primer lugar, las capas fotoactivas de la célula solar y las capas del diodo ilustradas en la figura 2 se hacen crecer epitaxialmente usando tecnologías convencionales de MOCVD y/o MBE. Tal como se ilustra en la figura 3, la superficie frontal de la secuencia de capas crecidas se protege con una capa 302 fotorresistente, que se expone a través de una fotomáscara (no mostrada) diseñada para dejar las capas del diodo cubiertas con la capa resistente. Tal como se ilustra en la figura 4, se realiza el ataque químico de la capa 210 superior del diodo y las capas 206, 208 del diodo N y P en sentido descendente hasta la capa 204 de detención del ataque químico. El ataque químico puede realizarse usando ácido cítrico calentado hasta 45ºC. Tal como se ilustra en la figura 5, se elimina la capa 204 de detención del ataque químico cuando la capa 302 fotorresistente no enmascara y se exponen partes apropiadas de la capa 202 de conexión de GaAs dopada con N. Si la capa 204 de detención del ataque químico es AlGaAs, entonces en una realización, la disolución de ataque químico puede ser BHF (ácido fluorhídrico tamponado). Si la capa 204 de detención del ataque químico es GalnP, entonces en otra realización, la disolución de ataque químico puede ser HCl. Tal como se ilustra en la figura 6, la capa 302 fotorresistente se elimina usando acetona. Pueden usarse técnicas de microbanda para eliminar cualquier capa fotorresistente residual que quede tras el proceso de eliminación con acetona.

Una vez eliminada la capa 302 fotorresistente, puede tener lugar el procedimiento de fabricación por contacto frontal, incluyendo las operaciones correspondientes de recubrimiento fotorresistente, cocción, exposición, desarrollo, evaporación del metal y despegue. Se recubre otra capa fotorresistente (no mostrada) sobre toda la superficie. La capa fotorresistente se somete entonces a cocción y se expone con una fotomáscara que deja zonas abiertas en las que han de depositarse los contactos con las pastillas y las líneas de rejilla de la superficie frontal, con una pequeña región de la capa 202 de GaAs dopada con N expuesta y con la capa 210 superior del diodo. Se evaporan metales, incluyendo predominantemente Ag, en las zonas expuestas y sobre la capa fotorresistente restante. Además de las dos zonas 702, 704 ilustradas en la figura 7, la capa fotorresistente también proporciona ranuras abiertas en la capa fotorresistente, para proporcionar líneas de rejilla y contactos de barras/pastillas con la célula. A continuación se lleva a cabo un proceso de despegue. Se sumerge la lámina 100 de célula solar en acetona, haciendo que se hinche la capa fotorresistente y así se rompe la película metálica por todas partes excepto en las regiones designadas para mantener los contactos, incluyendo los contactos 702, 704.

Tal como se ilustra en la figura 8, se evaporan metales, incluyendo predominantemente Ag, sobre la superficie trasera del sustrato 102 de Ge para formar un contacto 802 metálico trasero. Entonces se sinterizan o se tratan térmicamente los contactos 702, 704, 802. Usando los metales 702, 704 de contacto frontal como máscaras de ataque químico, se elimina por ataque químico de la capa 122 superior de GaAs la mayor parte de la superficie frontal expuesta, tal como se ilustra en la figura 9. La capa 122 superior permanece bajo las zonas metalizadas, formando parte de un mecanismo de contacto de baja resistencia.

Tal como se ilustra en la figura 10, los contactos 702, 704 metálicos de pastilla de diodo y los pequeños contactos mostrados alrededor del diodo 212 se protegen con una máscara resistente y sobre el resto de la superficie se deposita una capa 1002 antirreflectante. Tal como se ilustra en la figura 11, el contacto 702 de diodo, de lado P, de arriba, está conectado al contacto 802 de célula trasera (rejilla N) mediante la unión de una interconexión 1102 delgada. Por tanto, en una realización, la conexión eléctrica entre la capa 208 P del diodo 212 de GaAs P/N y el lado trasero del sustrato 102 de Ge dopado con N está formada por una abrazadera 1102 en C, que está unida a ambos el contacto 702 de diodo frontal y el contacto 802 de Ge posterior. Por tanto, el diodo 212 de derivación está conectado a través de ambas células fotovoltaicas. En otras realizaciones, puede usarse el diodo de derivación para derivar una o más células fotovoltaicas. Por tanto, puede usarse una realización de la presente invención para derivar todas las células en una estructura 100 de la célula solar, o menos de todas las células en la estructura 100 de la célula solar.

Puede usarse una variedad de otras técnicas de interconexión para conectar la célula solar con el diodo de derivación. La elección final puede depender de la complejidad adicional y del efecto sobre el rendimiento y el coste de la cé-
lula que resultan del uso de estos enfoques alternativos. A modo de ejemplo, siguen las descripciones de otras varias.

Tal como se ilustra en la figura 12, en una realización, puede usarse un contacto corto entre el contacto de arriba de diodo y una zona metalizada sobre una pequeña depresión sometida a ataque químico en sentido descendente a través de las capas 1206-1218 de la célula en cascada para exponer el sustrato 1204 de Ge, en lugar de una abrazadera en C. La depresión puede eliminar menos de un 1% de la zona de células activas, y puede situarse próxima al contacto de arriba del diodo de derivación. Al igual que en la realización anterior, la realización ilustrada en la figura 12 incluye un contacto 1224 metálico frontal, un contacto 1202 metálico posterior y un recubrimiento 1226 antirreflectante. Pueden usarse varias configuraciones de contacto diferentes. A modo de ejemplo:

a) En una realización (no mostrada), se une una corta interconexión metálica discreta al contacto de diodo en un extremo y se une directamente a la superficie de Ge expuesta en la depresión. Preferiblemente, la interconexión está chapada en oro. Puede usarse una variedad de técnicas para obtener la unión. En una realización, la unión se obtiene usando soldadura eutéctica de Au-Ge.

b) Si (a), la unión directa a la superficie de Ge es difícil o no se desea, entonces, en otra realización, puede añadirse una etapa adicional al procesamiento normal de la célula. Se enmascara la superficie frontal sustancialmente en todas las regiones excepto donde es necesaria la zona de contacto con Ge usando capa fotorresistente líquida o de película seca. Entonces, cuando los contactos metálicos frontales se depositan a través de otra máscara fotorresistente para formar los contactos de diodo, óhmicos y de rejilla, pueden protegerse los bordes de la depresión con la capa resistente utilizando una zona abierta justo dentro de la zona sometida a ataque químico. El metal para el contacto N-Ge puede depositarse en la misma secuencia de deposición o similar que cuando se forman los contactos frontales con la célula 100 en cascada y los contactos 702, 704 de diodo. En el presente caso, TiAuAg o contactos equivalentes pueden servir para las zonas expuestas en la superficie frontal. Una corta interconexión metálica discreta se une para el contacto de diodo P y el contacto para N-Ge.

c) Tal como se ilustra en la figura 12, en una estructura completamente monolítica, se somete a ataque químico una depresión o rebaje para la superficie 1204 de contacto de Ge a través de las capas 1206-1218 de célula y diodo. Por tanto, la pared o paredes de la depresión están formadas por las capas de la célula. Entonces se usa una máscara para exponer los bordes de la depresión y se deposita una capa 1220 aislante sobre los bordes de la capa y sobre la zona entre la capa 1218 superior de diodo y la depresión. Se usa otra máscara, que puede incluirse en la máscara de contacto frontal principal, para depositar el metal 1222, que conecta el contacto frontal del diodo con la depresión exponiendo el sustrato 1204 de Ge. En otra realización, no son necesarios contactos de diodo para la interconexión 1222 de sustrato con diodo.

La figura 13A ilustra una vista en perspectiva de una realización de la célula 100 solar, que incluye el circuito 212 de diodo de derivación. La superficie frontal de la célula 100 solar incluye las líneas 1302 de rejilla interconectadas mediante una barra 1306 óhmica. La barra 1306 está conformada para proporcionar una zona o rebaje en el que se forma el diodo 212. En una realización, el diodo 212 está interconectado al contacto 802 trasero de la célula 100 solar usando el conector 1102 de abrazadera en C ilustrado en la figura 11. La figura 13B ilustra en mayor detalle el diodo 212 de derivación ilustrado en la figura 13A. En una realización, los lados del diodo 212 están interdigitados con la barra 1306 óhmica. Por tanto, se reduce la distancia entre el diodo 212 y la barra 1306 y más cantidad de la barra 1306 está en proximidad con el diodo 212.

Tal como se ilustra en la figura 13A, en una realización, están montadas tres lengüetas 1304 sobre la célula 100 solar para su interconexión con un conjunto colindante. Las lengüetas 1304 pueden incluir una sección de alivio de la tensión con forma de U, también denominada lengüeta Z. Un primer lado de cada una de las lengüetas 304 está conectado a un ánodo de la célula 100. La célula 100 solar puede estar interconectada a una segunda célula solar mediante la conexión de un segundo lado de las lengüetas 1304 a un cátodo de la segunda célula solar. En una realización, las lengüetas están formadas de plata, plata-Invar o materiales de molibdeno revestido de plata.

Puede usarse un revestimiento vítreo (no mostrado) para proteger el dispositivo de célula solar/diodo de derivación. Para aplicaciones espaciales, el recubrimiento vítreo puede estar compuesto de revestimiento vítreo de borosilicato dopado con ceria. En una realización, el revestimiento vítreo puede tener un espesor de aproximadamente 50 \mum a 200 \mum. El recubrimiento vítreo dopado con ceria proporciona apantallamiento resistente a la radiación para partículas cargadas y no cargadas. En una realización, el recubrimiento vítreo se mantendrá sustancialmente transparente cuando se exponga a un espectro de entorno de radiación espacial AMO (el espectro encontrado en la órbita terrestre alrededor del sol, fuera de la atmósfera terrestre). Una ventaja principal de una realización del diodo de derivación integrado es que el diodo no se extiende por encima de la superficie frontal de la célula 100 solar y, por tanto, no se requiere el uso de un recubrimiento vítreo con muescas o ranuras para alojar el diodo integrado. Sin embargo, en otra realización, el diodo integrado puede extenderse por encima de la superficie frontal o de arriba de la célula 100 solar. Un experto en la técnica entenderá que también pueden usarse otros materiales y dimensiones adecuados del recubrimiento
vítreo.

La figura 14A ilustra un diseño no reivindicado en la presente invención. La célula 1400 solar ilustrada incluye un diodo 1410 de derivación protector oculto novedoso. Al igual que con el diodo 212 de derivación, el diodo 1410 de derivación protector se usa para proteger la célula solar de las condiciones de polarización inversa que pueden resultar del ensombrecimiento de la célula.

La secuencia de capas crecidas a modo de ejemplo ilustrada en la figura 14A es similar a la de la figura 1A. Se proveen dos capas 1406, 1408 ocultas adicionales para ajustar la polaridad con el emisor 1404 de Ge+. La célula 1400 solar incluye un sustrato 1402 de Ge sobre el que se hace crecer la capa 1404 emisora de Ge. Las capas 1412-1420 de diodo aisladas forman una parte de la función del diodo de derivación. Las capas 1422, 1424 forman la célula de arriba convencional, sobre la que hay una capa 1426 de ventana y una capa 1428 superior. Además, puede usarse una estructura complementaria, con las polaridades de una o más capas cambiadas con respecto a las ilustradas en la figura 14A (es decir, las capas dopadas con P son, en cambio, dopadas con N y las capas dopadas con N, en cambio, de dopadas con P).

Tal como se describió anteriormente de manera similar, se procesa la célula solar y, tal como se ilustra en la figura 14B, se forma un contacto 1430 metálico trasero y un contacto 1440 de diodo metálico frontal. Además, se aplica un recubrimiento 1432 antirreflectante.

En un diseño, se forma un conector 1436 integrado corto sobre un aislante 1434 de la capa 1428 superior sobre una pequeña depresión 1438 sometida a ataque químico en sentido descendente a través de las capas 1420-1412 de la célula hasta la capa 1408 de diodo túnel. Entonces puede usarse una interconexión, tal como una abrazadera 1442 en C para conectar el contacto 1440 metálico frontal y el contacto 1430 metálico trasero. Por tanto, el diodo 1410 de derivación está conectado en una configuración anti-paralela con respecto a las partes fotovoltaicas de la célula 1400 solar y de esta manera está configurado para proporcionar protección frente a la polarización inversa a las partes fotovoltaicas de la célula 1400 solar.

Usando al menos algunas de las técnicas descritas anteriormente, una célula solar que incorpora un diodo integrado en células en cascada ha logrado eficiencias muy por encima del 21%, e incluso por encima del 23,5%. Estas eficiencias son comparables a las de las células en cascada convencionales que carecen del diodo de derivación integrado. En un diseño, el diodo de derivación integrado tiene una disminución de la tensión de polarización directa de aproximadamente 1,4 a 1,8 voltios cuando se conducen 400 mA de corriente directa. La tensión de ruptura inversa es suficiente para bloquear el paso de la corriente hacia el diodo de derivación cuando la célula solar se polariza directamente durante la iluminación normal no ensombrecida. En una realización, la tensión de ruptura inversa es superior a 2,5 V.

Además, muestras de una realización de la presente invención, con áreas de célula de aproximadamente 24 cm^{2}, han sostenido impulsos repetidos de 10 segundos de 400 mA de corriente inversa sin cambio significativo en el rendimiento. Por tanto, por ejemplo, cuando se sometió un lote de células solares que incorpora una realización del diodo integrado a 2500 impulsos de corriente inversa de 400 mA, se observaron los siguientes cambios en el rendimiento:

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En otras pruebas, cuando se hizo pasar una corriente inversa mayor en magnitud que ISC a través de la célula 100 solar, la zona alrededor del diodo mostró un aumento en la temperatura de sólo 10 - 12ºC. Este pequeño aumento en la temperatura no tiene un efecto apreciable, ni en el rendimiento de las partes fotovoltaicas de la célula ni en el diodo integrado.

En otra realización preferida, se modifica el diseño de la célula solar descrito anteriormente para facilitar incluso más su uso en sistemas concentradores con base en el espacio o bien con base terrestre. Al igual que en los sistemas no concentradores existe la necesidad de proteger frente al ensombrecimiento de las células solares por nubes, aves, edificios, antenas u otras estructuras. Por tanto, todavía se usan diodos protectores para proteger a las células solares de las condiciones de polarización inversa que resultan del ensombrecimiento. Sin embargo, las células solares en los conjuntos concentradores normalmente generan mucha más energía que las células solares no concentradoras. Por tanto, es necesario que los diodos protectores puedan disipar el calor asociado con la energía mucho mayor que se deriva.

En una realización, la distribución de múltiples diodos integrados de derivación separados a través de al menos una parte de la superficie de la célula solar ayuda a distribuir la disipación térmica. Por tanto, cada uno de los múltiples diodos integrados deriva una parte de la energía de polarización inversa y disipa correspondientemente una parte del calor asociado. Por tanto, un único diodo integrado no tiene que derivar toda la energía de polarización inversa ni disipar todo el calor asociado con tal función de derivación. Los múltiples diodos de derivación integrados pueden formarse usando la misma técnica descrita anteriormente con respecto a la formación de un diodo integrado. En una realización, se usan diferentes fotomáscaras para formar los diodos y los contactos de diodo.

La figura 15A ilustra un procedimiento de interconexión de células solares en serie que tienen diodos de derivación integrados. A modo de ejemplo, dos células 1502, 1510 solares, con diodos 1504, 1514 de derivación integrados correspondientes, están interconectadas para formar una hilera 1500 de células solares. Una primera interconexión 1508 está conectada a un contacto 1506 frontal, que se superpone a las células en cascada de la célula 1502 solar, y a un contacto 1512 frontal, que se superpone al diodo 1514 de derivación integrado de la célula 1510 solar, acoplando así eléctricamente las células 1502,1510 solares. La primera interconexión 1508 puede ser una barra de mina, alambre o similar. Una segunda interconexión 1518 está conectada al contacto 1506 frontal de la célula 1502 solar, y a un contacto 1516 trasero de la célula 1510 solar. La segunda interconexión 1518 puede ser una lengüeta Z, alambre o similar. En la realización ilustrada, los diodos 1504, 1514 de derivación están situados convenientemente en el borde o lado opuesto de las pastillas 1506, 1520 de contacto con la célula óhmica.

La figura 15B ilustra otro procedimiento de interconexión de células solares en serie que tienen diodos de derivación integrados. Al igual que en el ejemplo anterior, la primera interconexión 1508 está conectada al contacto 1506 frontal de la célula 1502 solar y al contacto 1512 frontal de la célula 1510 solar. La segunda interconexión 1518 está conectada al contacto 1512 frontal y al contacto 1516 trasero de la célula 1510 solar. La segunda interconexión 1518 puede ser una abrazadera en C, alambre o similar. Esta realización puede usar ventajosamente sólo una interconexión entre dos células adyacentes y la conexión en serie entre las células puede realizarse en las superficies frontales de las células. Por tanto, a modo de ejemplo, las células pueden tener en primer lugar sus abrazaderas en C correspondientes fijadas individualmente por el fabricante de la célula. El montador del panel de células solares puede colocar después apropiadamente las células en hileras largas y luego interconectar los contactos frontales de las células tal como se ilustra en la figura 15B. Este procedimiento puede proporcionar la fabricación eficiente y de alto rendimiento de células solares, hileras de células solares y paneles de células solares.

Aunque se han descrito ciertas realizaciones preferidas de la invención, estas realizaciones se han presentado únicamente a modo de ejemplo y no pretenden limitar el alcance de la presente invención.

Claims (15)

1. Un circuito de células solares que comprende:

un dispositivo (100) de células solares de unión múltiple que tiene al menos dos células fotovoltaicas; y

un primer diodo (206, 208; 1214, 1216) de derivación crecido epitaxialmente sobre dicha parte de células solares de unión múltiple para proteger al menos una primera y una segunda de dichas al menos dos células fotovoltaicas,

en el que dichas células fotovoltaicas están formadas por una secuencia de capas p sobre n (o una secuencia de capas n sobre p), y

en el que dicho diodo (206, 208; 1214, 1216) de derivación está formado por una capa p sobre una n cuando las células fotovoltaicas están formadas por una secuencia de p sobre n (o por una capa n sobre una p cuando las células fotovoltaicas están formadas por una secuencia de n sobre p),

en el que se proporciona una capa (202; 1210) de conexión conductora altamente dopada entre la capa (206, 1214) inferior del diodo (206, 208; 1214, 1216) de derivación y una capa (122; 1208) superior conductora altamente dopada del dispositivo de células solares de unión múltiple, teniendo dicha capa (202; 1210) de conexión el mismo tipo de dopado que la capa inferior del diodo de derivación,

teniendo dicha capa (122; 1208) superior un tipo de dopado opuesto al de la capa (202; 1210) de conexión.

2. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 1, en el que dicho circuito de células solares está formado de al menos elementos del Grupo III y el Grupo V.

3. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 1, que comprende además una capa (120) de ventana situada entre dicha capa (122; 1208) superior y dicha segunda célula (116, 118) fotovoltaica.

4. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 1, que comprende además un sustrato de germanio.

5. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 1, que comprende además un sustrato de GaAs.

6. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 1, en el que dicho diodo (206, 208; 1214, 1216) de derivación cumple con los requisitos para operar en el espacio en un entorno AMO.

7. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 1, en el que dicho diodo de derivación incluye un primer contacto formado por dicha capa (202; 1210) de conexión conductora y un segundo contacto formado por otra capa (216; 1218) superior.

8. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 7, que comprende además:

un tercer contacto formado por un sustrato (102; 1204) acoplado a dicha primera célula (106, 108); y

un conductor que acopla dicho segundo contacto a dicho tercer contacto.

9. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 8, en el que dicho tercer contacto está situado en la parte inferior de una región rebajada extendiéndose dicha región en sentido descendente hacia dicho sustrato.

10. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 9, en el que la formación de dicha región rebajada reduce la zona de células activas en menos del 1%.

11. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 8, en el que dicho conductor es un conductor monolítico.

12. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 8, en el que dicho conductor es una interconexión metálica discreta.

13. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 8, en el que dicho conductor es una interconexión metálica de abrazadera en C.

14. Un dispositivo de células solares según lo definido en la reivindicación 1, que comprende:

un diodo (112, 114) túnel entre una capa de arriba de dicha primera célula fotovoltaica y una capa inferior de dicha segunda célula fotovoltaica.

15. El circuito de células solares según lo definido en la reivindicación 1, que comprende una primera capa (110) de ventana sobre la capa (108) de arriba de dicha primera célula fotovoltaica, y una segunda capa (120) de ventana sobre la capa de arriba de dicha segunda célula fotovoltaica.