ES2709800T3 - Módulo fotovoltaico que comprende una óptica de concentración con motivos de sublongitudes de onda y generador solar para satélite que comprende dicho módulo - Google Patents

Módulo fotovoltaico que comprende una óptica de concentración con motivos de sublongitudes de onda y generador solar para satélite que comprende dicho módulo Download PDF

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Abstract

Módulo fotovoltaico que comprende al menos una célula fotovoltaica (CV) y al menos un dispositivo óptico de concentración (Oc), destinado a ser iluminado por un flujo luminoso que emite en varias longitudes de onda de iluminación (λ;i) que pertenece a una banda de longitudes de onda definida por una longitud de onda mínima (λmin) y una longitud de onda máxima (λmax), siendo dicha banda de longitudes de onda la de la radiación solar del orden de [380 nm-1600 nm] caracterizado porque: - dicho dispositivo óptico de concentración es un componente monolítico que comprende: - en una cara, una estructura difractiva con motivos de dimensiones de sublongitud definidos en un material denominado estructurado, asegurando una función de difracción, teniendo dichos motivos al menos una dimensión inferior o igual a la longitud de onda promedio de iluminación λc situada entre λmin y λmax dividida por el índice de refracción de dicho material estructurado y estando dichos motivos separados entre sí por distancias de sublongitud de onda, definidas entre centros de motivos adyacentes - en la otra cara, una estructura de focalización que comprende una óptica refractiva o una estructura difractiva con motivos de dimensiones de sublongitud definidos en un material denominado estructurado, o - dicho dispositivo óptico de concentración es un componente monolítico que comprende una estructura difractiva con motivos de dimensiones de sublongitud definidos en un material denominado estructurado, garantizando en una misma cara una función de focalización y una función de difracción, teniendo dichos motivos al menos una dimensión inferior o igual a la longitud de onda promedio de iluminación λc situada entre λmin y λmax dividida por el índice de refracción de dicho material estructurado y estando dichos motivos separados entre sí por distancias de sublongitud de onda, definidas entre centros de motivos adyacentes.

Description

DESCRIPCION
Modulo fotovoltaico que comprende una optica de concentracion con motivos de sublongitudes de onda y generador solar para satelite que comprende dicho modulo
El ambito de la invencion es el de los dispositivos fotovoltaicos que comprenden dispositivos opticos de concentracion que permiten aumentar los rendimientos.
De manera general, en aplicaciones terrestres que usan paneles solares, y en grandes cantidades, es esencial tratar de reducir los costes de los modulos fotovoltaicos usados, mientras aumenta la eficacia.
Para reducir costes, se usan diferentes estrategias. Pueden relacionarse, en particular, con:
- la celula de material fotosensible usada. Podemos intentar reducir el espesor, usando pelfculas delgadas de material, en sustratos de bajo coste o jugando con la naturaleza misma del material;
- la arquitectura de la estructura usando sistemas de concentradores de luz que enfocan la luz incidente en una celula de superficie mas pequena para reducir la superficie de material fotovoltaico. La figura 1 representa un modulo concentrador fotovoltaico, que usa una lente de Fresnel basada en microprismas. Por construccion geometrica, somos capaces de reducir en gran medida el tamano de la celula. Actualmente los factores de concentracion son del orden de 500, incluso mas, para aplicaciones terrestres. En este caso, un sistema de seguimiento de sol, comunmente conocido como "tracking" de dos ejes, es necesario para seguir mejor la orientacion del sol.
Entre estas diferentes estrategias, los esfuerzos se centran en prioridad en el aumento de la eficacia o el rendimiento de la celula.
La tecnologfa que presenta los mejores rendimientos y que tiene la mayor pendiente de progresion es la denominada tecnologfa basada en estructura de multijuntura, combinada con un concentrador. Una estructura multijuntura comprende el apilamiento de diferentes uniones constituidas por diferentes materiales sensibles en diferentes rangos de longitudes de onda, teniendo la ventaja de poder captar de manera eficaz todo el rango espectral que constituye el espectro solar. Una estructura multijuntura ofrece un mejor rendimiento que una estructura de union simple, pero representa un coste mayor debido a su mayor complejidad. Por esto, puede ser interesante combinar una estructura de multijuntura con un concentrador de luz, para reducir en gran medida la superficie de la celula y, por lo tanto, el coste del modulo completo. A tttulo ilustrativo, las figuras 2a y 2b presentan respectivamente:
- una celula fotovoltaica CV que comprende en el ejemplo ilustrado el apilamiento de materiales M1, M2, M3 y M4 sensibles en rangos de longitudes de onda AA1, AA2, AA3 y AA4;
- un modulo fotovoltaico CPV que usa una concentracion optica Oc y dicha celula CV.
El rendimiento de un modulo CPV de multijuntura es de aproximadamente el 41 % para una triple union basada en GaInP/GalnAs/Ge, pudiendo alcanzar rendimientos de 44,7 % para una union cuadruple, (con una simple union de GaAs, el rendimiento maximo es del orden del 32 %).
La figura 3 extrafda del artfculo de P. Benitez, J.C. Minano, P. Zamora, R. Mohedano, A. Cvetkovic, Sr. Buljan, J. Chaves, Sr. Hernandez, "High performance Fresnel-based photovoltaic Concentrator", Optics Express, volumen 18, S1, pagina A25-A40 (2010) ilustra diferentes tipos de concentradores que funcionan en transmision y se usan para modulos fotovoltaicos terrestres y, mas precisamente, de izquierda a derecha:
- un concentrador basado en una lente de Fresnel con microprismas (sin elemento optico secundario);
- un concentrador con elemento optico secundario, una cupula esferica;
- un concentrador con elemento optico secundario, un componente SILO (SlngLe Optical surface) propuesto por el laboratorio de Sandia Labs;
- un concentrador con elemento optico secundario, una piramide reflectante hueca truncada (XTP), usado por la empresa Amonix;
- un concentrador con elemento optico secundario, una piramide dielectrica truncada (RTP), que utiliza la empresa Solfocus;
- un concentrador con elemento optico secundario, un concentrador de Fresnel Kohler (FK) de cuatro cuadrantes, propuesto por Benitez y col.
De manera general, la optica primaria (correspondiente a la parte superior de las configuraciones representadas en la figura 3) se llama lente de Fresnel, llamado de tipo microprisma, basado exclusivamente en el principio de refraccion.
En efecto, la misma funcion de focalizacion se puede mantener eliminando el material siempre que se mantenga la superficie curva. El principio de construccion de tal lente se ilustra en la figura 4. La lente esta compuesta por varios microprismas. El uso de microprismas permite un enfoque mas compacto que el obtenido con una lente refractiva estandar para la focalizacion de la luz, como se describe en el artfculo de: A. Davis, F. Kuhnlenz "Optical Design using Fresnel Lenses", Optik & Photonik, Diciembre 2007 N° 4. Tienen la ventaja de ser planas (generalmente entre 200 pm y 3 mm de espesor) con respecto a las lentes refractivas convencionales, pero, como estas ultimas, son cromaticas, dependiendo la distancia focal depende de la dispersion del material.
Las figuras 5a y 5b ilustran el efecto de esta dispersion del mdice de refraccion del material sobre la eficacia de la lente (la velocidad de la luz que llega a la celula) para la radiacion que emite a una longitud de onda minima Amin y una longitud de onda maxima AMax, asumiendo que la celula se coloca equidistantemente de los dos puntos de focalizacion f(Amin) y f(AMax). Debe observarse que la cantidad de luz recogida en Amin, como se representa en la figura 5a (zona gris oscuro) es inferior a la cantidad de luz recogida en AMax, como se representa en la figura 5b (zona gris claro), las zonas sombreadas correspondientes a la luz perdida.
El punto esencial es, por lo tanto, encontrar el mejor compromiso para colocar la celula segun el eje optico (longitudinalmente), para optimizar el rendimiento optico. Debido al cromatismo, la luz en la longitud de onda Amin se focaliza a una distancia f(Amin) diferente de la luz en la longitud de onda AMax que focaliza en f(AMax). Como la luz del sol es de banda ancha, se trata de encontrar el mejor compromiso para la colocacion de la celula. En primer lugar, el primer reflejo de formacion de imagenes consiste en colocar la celula equidistante entre los dos puntos de focalizacion f(Amin) y f(AMax). Sin embargo, esta posicion no es optima ya que, desde el punto de vista de la recogida de luz, la cantidad de luz recogida en Amin (zona gris oscuro de la figura 5a) es inferior a la cantidad de luz recogida en AMax (zona sombreada de la figura 5b), las zonas sombreadas corresponden a la luz perdida.
En paralelo con estos sistemas en transmision, tambien existen sistemas en reflexion. La figura 6 ilustra algunos ejemplos de sistemas en reflexion basados en sistemas de espejos M que devuelven la radiacion luminosa focalizada hacia la celula CV. Su ventaja es su insensibilidad a la longitud de onda, sin embargo, presentan una zona de oscuridad y son mas voluminosos.
Tambien debe tenerse en cuenta, por otra parte, ademas de la eficacia optica, dos parametros importantes involucrados en el dimensionamiento de un modulo CPV: la apertura de la fuente y los efectos termicos.
De este modo, es necesario tener en cuenta la nocion de angulo de aceptacion, parametro principal y que es funcion del factor de concentracion. Para aplicaciones terrestres donde los factores de concentracion pueden ser muy importantes, los angulos de aceptacion son muy pequenos, del orden de 0,5 °-1 °. Por lo tanto, es necesario integrar un sistema de seguimiento, generalmente complejo y costoso.
Las figuras 7a, 7b y 7c ilustran las restricciones geometricas relacionadas con el diametro angular del sol 0s (generalmente 0,5 °) y el angulo de aceptacion a del dispositivo, segun tres configuraciones diferentes y esto asumiendo en los tres casos, un tamano de celula fija y un diametro de lente fijo. De manera mas precisa:
- la figura 7a representa el trazado de rayos cuando el sol esta vertical, incidencia llamada "normal". El radio principal son las lmeas continuas correspondientes. Los rayos que tienen en cuenta la dimension del sol estan en lrneas discontinuas;
- la figura 7b representa el trazado de rayos cuando el sol gira, incidencia llamada "oblicua". El angulo de aceptacion a se define por el angulo maximo de inclinacion del radio principal para que no abandone la zona sensible;
- la figura 7c representa el trazado de radio en una lente mas abierta (correspondiente a una relacion focal en diametro mas pequena), el angulo de aceptacion aumenta.
Para aumentar el angulo de aceptacion, se puede, al tamano de celula constante, aumentar la apertura digital de la lente (para esto es conveniente disminuir la distancia focal de la lente, lo que efectivamente equivale a aumentar la apertura digital ya que se trabaja con un diametro identico). Sin embargo, esto solo se puede realizar si la lente no presenta demasiadas perdidas opticas, por lo tanto, no es posible considerar soluciones basadas en lentes de Fresnel con microprismas abiertos. Los microprismas de una lente de Fresnel deben estar mas inclinados, en particular, en la periferia. La dispersion cromatica, entonces, es mas importante, causando perdida de eficacia optica, sin mencionar la dificultad de realizacion de las zonas extremas y reflexiones internas.
Un segundo parametro importante a tener en cuenta es el aspecto termico. Bajo concentracion, es necesario acoplar a la celula un sistema de gestion termica para mantener una temperatura compatible con la temperatura nominal de uso de la celula y no degradar su rendimiento. Este aspecto puede resultar ser un parametro limitante para ciertas aplicaciones.
Tras el exito de los modulos fotovoltaicos con concentracion de CPV, en el ambito terrestre, asociando una celula CV de multijuntura de alto rendimiento y un sistema de concentracion, estudios mas recientes han emergido en el ambito espacial.
En el ambito espacial, la necesidad se formula al nivel de los paneles solares usados para los generadores solares de los satelites, para los cuales buscamos aumentar el rendimiento como en el ambito terrestre, no obstante, los desaffos son diferentes de los de las aplicaciones terrestres.
Por una parte, las condiciones ambientales son diferentes, la compacidad y el peso se convierten en criterios mucho mas importantes que en el ambito terrestre, mientras que el coste del modulo en sf se convierte en un criterio menor. Por otra parte, los factores de concentracion buscados son mas bajos que en las aplicaciones terrestres ya que estan vinculados a un sistema de rastreo que debe ser mas tolerante angularmente debido a su uso, en particular, en la orbita geoestacionaria. Las restricciones de gestion termica son diferentes de las encontradas en el ambito terrestre.
Finalmente, entran en juego nuevos criterios, como la compatibilidad con los sistemas de despliegue de paneles. Hoy en dfa, se han explorado dos tipos de soluciones de concentracion para aplicaciones en el ambito espacial: - soluciones de transmision (generalmente con lentes de Fresnel);
- soluciones en reflexion (sistemas de espejo) pero que resultan ser ineficientes porque tienen problemas de rendimiento relacionados con la contaminacion de los espejos en un entorno espacial.
Una comparacion de los efectos de fallas de superficie de los concentradores en transmision y en reflexion se describe, en particular, en el artmulo: "Ultra-light streched Fresnel lens solar concentrator for space power applications", SPIE 48th Annual meeting, San Diego paper 5179-17 (2003).
Se menciona una configuracion en transmision, ilustracion del concepto "SLA Stretched Lens Array" y que consta de lentes de Fresnel cilmdricas flexibles fabricadas de polfmero de silicona, desplegadas y sostenidas por los arcos que tensan las lentes segun la direccion de su mayor dimension, como se ilustra en las figuras 8a, 8b y 8c. De manera mas precisa:
- la figura 8a representa una vista general;
- la figura 8b ilustra las dos posiciones del concentrador, el esquema inferior de la figura: la posicion del concentrador en la posicion de almacenamiento y durante el lanzamiento del satelite, el esquema superior: la posicion despues del despliegue de paneles y despliegue de lentes (patente de Entech: US 6075200, "Streched Fresnel lens concentrator for spacer power", Entech 2000);
- la figura 8c ilustra una seccion de la lente estirada despues del despliegue del concentrador: "Ultra-light streched Fresnel lens solar concentrator for space power applications", SPIE 48th Annual meeting, San Diego paper 5179­ 17 (2003).
La solucion de transmision propuesta por la empresa Entech (EEUU), comprende celulas de triple union combinadas con lentes cilmdricas obtenidas estirando una pelmula de silicona. Las lentes curvadas estan constituidas por una lente, permitiendo la funcion de concentracion geometrica, combinada con microprismas que permiten corregir las aberraciones cromaticas (controlando la focalizacion de los rayos en funcion de la longitud de onda). El angulo de cada prisma se determina para minimizar las aberraciones cromaticas. Cabe senalar que esta optimizacion de la eficacia tambien se ve facilitada por el hecho de que el tamano de la celula es relativamente grande (factor de baja concentracion).
Desde un punto de vista operativo, despues del lanzamiento del satelite, este sistema se despliega en dos etapas: - una primera etapa correspondiente al despliegue de los paneles solares;
- una segunda etapa correspondiente al despliegue de los concentradores gracias a un sistema de curvatura mecanica, pudiendo esta ultima etapa constituir un riesgo significativo de un despliegue deficiente (por lo tanto, una no operatividad de los paneles y, por lo tanto, un generador solar) y requiere una fase de calificacion terrestre, medios de prueba particularmente costosos.
De manera general, Cabe senalar que las tecnicas de concentracion tambien pueden combinarse ventajosamente con tecnicas de separacion espectral, que consisten en separar espacialmente (lateralmente) el espectro solar, como en el enfoque propuesto por el Centro Espacial de Lieja (CSL) y descrito en el artmulo de: C. Michel y col., "Study of solar concentrator for space, based on a diffractive/refractive combinaison", "Renewable Energy and the Environment, OSA, SM2A2 (2012).
Mediante el uso de modulos multijuntura para su amplio espectro de sensibilidad de longitud de onda, sin embargo, las limitaciones relacionadas con este tipo de modulos deben ser superadas. Las dos limitaciones principales de los modulos multijunturas son, de hecho, los siguientes:
- la condicion de acuerdo de malla entre los materiales en las interfaces entre las uniones (lo que lleva a reducir la eficacia intrmseca de los materiales cuando se apilan). La primera limitacion limita la eleccion de materiales y, por lo tanto, limita la implementacion en una mejor combinacion en terminos de eficacia;
- la condicion de adaptacion de corriente: estando las uniones conectadas en serie, la union menos eficaz limita la corriente para el conjunto de uniones. Ademas, debido a la dependencia de las diferentes uniones entre ellas, la estructura multijuntura es mas sensible a los cambios no calibrados en el espectro o al envejecimiento de una union.
Usando diferentes uniones simples, y con tecnicas de separacion espectral lateral, se pueden obtener las siguientes ventajas combinadas:
- un mejor rendimiento teorico a traves de:
o la eliminacion de las perdidas de adaptacion relacionadas con las interfaces entre las uniones;
o la posibilidad de usar diferentes materiales, posiblemente mejor adaptados al espectro;
o la posibilidad de implementar un antirreflejo de mejor rendimiento, ya que esta optimizado en cada union horizontal;
o una temperatura de funcionamiento mas baja gracias a la distribucion en una superficie mas grande del flujo concentrado, lo que permite la relajacion de las restricciones al nivel de la gestion termica, por lo tanto, reducir el coste de este ultimo y funcionar a una eficacia optima.
- un flujo luminoso sobre una superficie mas grande (tres veces mas grande en el caso de tres uniones separadas horizontalmente (o lateralmente) con relacion a una triple union vertical), permitiendo, o bien, facilitar la gestion termica, que es un punto esencial, en particular, para las aplicaciones espaciales de baja concentracion o para las aplicaciones terrestres de alta concentracion, o bien, para mantener la gestion termica inicial y usar las celulas a una temperatura mas baja y, por lo tanto, ofrecer un mejor rendimiento;
- el uso de varias celulas dispuestas horizontalmente permite multiplicar el numero de uniones en el plano horizontal, para un mejor rendimiento. Este no es el caso de una multijuntura vertical en la que el numero de uniones se limita debido a las condiciones de adaptacion de la malla. Tambien hace posible adaptar la superficie de las uniones de forma independiente entre sf (ya que estan distribuidas horizontalmente) para captar mas flujo en las celdas con menor rendimiento, para estandarizar las eficacias de las diferentes uniones para un montaje en serie optimo y evitar que la union menos eficaz limite la corriente para el conjunto de las uniones.
Desde un punto de vista tecnologico, las soluciones de separacion espectral han sido publicadas/patentadas y usan esencialmente microprismas refractivos. En la solicitud de patente US 20140130855 "dispersive optical systems and methods and related electricity generation systems and methods" se describen ejemplos de arquitecturas para la separacion espacio-cromatica; y en US 2012 0312351 "efficient solar energy concentrator with improved thermal management" figura 9a: arquitectura en la proyeccion y figura 9b: arquitectura de prismas.
En este complejo contexto de integracion de muchos parametros, la presente invencion tiene por objeto un modulo fotovoltaico de altos rendimientos, volumen reducido y adecuado tanto para aplicaciones terrestres como espaciales. El modulo fotovoltaico de la invencion presenta una gran compacidad y una alta eficacia que permite mejorar aun mas los rendimientos de las soluciones de la tecnica anterior y, en particular, para aplicaciones en el ambito espacial a fin de no requerir varias operaciones sucesivas de despliegue en el espacio de paneles solares y de concentradores, como en la tecnica anterior.
Mas precisamente, el objeto de la presente invencion es un modulo fotovoltaico que comprende al menos una celula fotovoltaica y al menos un dispositivo optico de concentracion, destinado a ser iluminado por un flujo luminoso que emite al menos una longitud de onda de iluminacion Ai que pertenece a una banda de longitudes de onda definida por una longitud de onda minima Amin y una longitud de onda maxima Amax, siendo dicha banda de longitudes de onda la de la radiacion solar del orden de [380 nm-1600 nm], caracterizado porque:
- dicho dispositivo optico de concentracion es un componente monolttico y comprende al menos una estructura difractiva que consta de motivos de sublongitud de onda, definidos en un material denominado estructurado; - teniendo dichos motivos al menos una dimension inferior o igual a la longitud de onda de iluminacion promedio Ac situada entre Amin y Amax dividida por el mdice de refraccion de dicho material estructurado;
- estando dichos motivos separados entre sf por distancias de sublongitudes de onda definidas entre centros de motivos adyacentes;
- garantizando dicho dispositivo optico de concentracion al menos una funcion de focalizacion y una funcion de difraccion.
Segun una variante de la invencion, presentando dicha estructura difractiva comprende motivos de sublongitudes de onda secundaria distancias definidas entre centros de motivos adyacentes, periodicos.
Segun una variante de la invencion, el dispositivo optico de concentracion comprende dos estructuras difractivas que constan de motivos de sublongitud de onda, definidos en al menos un material denominado estructurado, de las que una garantiza una funcion de focalizacion.
Segun una variante de la invencion, el dispositivo optico de concentracion comprende dos estructuras difractivas en cada una de sus caras.
Segun una variante de la invencion, el dispositivo optico de concentracion comprende una estructura difractiva que consta de motivos de sublongitud de onda secundaria y optica refractiva.
Segun una variante de la invencion, la optica refractiva consta de al menos una lente refractiva de superficie curva. Segun una variante de la invencion, la optica refractiva comprende al menos una lente de Fresnel que consta de un conjunto de microprismas con un tamano de aproximadamente uno a unas centenas de micrones.
Por ejemplo, estos microprismas pueden tener una dimension de entre 1,3 mm y 110 pm sobre un espesor de 20 pm. Dichos microprismas pueden tener el mismo ancho, pero presentar diferentes alturas, un ancho tfpico de los microprismas puede ser del orden de 100 pm para una longitud focal de 5 mm.
Segun una variante de la invencion, la optica refractiva esta realizada del mismo material que el material estructurado que consta de dichos motivos de dimensiones de sublongitud de onda.
Segun una variante de la invencion, los motivos son pilares o agujeros.
Segun una variante de la invencion, el dispositivo de concentracion comprende una estructura difractiva con motivos de dimensiones de sublongitud de onda definidos en el material denominado estructurado que presenta una funcion de correccion de aberracion longitudinal y/o una funcion de separacion espectral lateral.
Segun una variante de la invencion, el dispositivo de concentracion comprende una zona central y zonas externas; - estando cada zona compuesta por motivos de tipo pilares de seccion redonda o cuadrada y/o agujeros de seccion redonda o cuadrada;
- las dimensiones de dichos motivos vanan de una zona a otra para codificar una variacion del mdice efectivo y, por lo tanto, una variacion de fase, pudiendo dichas variaciones de dimension ser monotonas o no.
Segun una variante de la invencion, los motivos presentan dimensiones laterales menores o iguales a 350 nm y siendo el espaciado entre el centro de dos motivos consecutivos de aproximadamente 350 nm y una altura del orden de 1 a unas pocas micrones.
Segun una variante de la invencion, dicha celula fotovoltaica comprende un apilamiento de materiales, realizando una estructura multijuntura llamada vertical, siendo cada uno de dichos materiales al menos sensible en una subbanda de longitudes de onda, que pertenece a dicha banda de longitudes de onda, AA = [Amin; Amax].
Segun una variante de la invencion, dicha celula fotovoltaica comprende un conjunto de subcelulas elementales adyacentes fotovoltaicas en un mismo plano que comprende materiales sensibles en subbandas de longitudes de onda, perteneciente a dicha banda de longitudes de onda AA = [Amin; Amax], con el fin de constituir una estructura multijuntura denominada horizontal.
Segun una variante de la invencion, el modulo fotovoltaico comprende subconjuntos de celulas elementales fotovoltaicas, ubicadas en diferentes planos.
Segun una variante de la invencion, el modulo fotovoltaico comprende subcelulas elementales fotovoltaicas que presentan diferentes tamanos entre sf.
Segun una variante de la invencion, la optica refractiva esta realizada del mismo material que el material estructurado que consta de dichos motivos de dimensiones de sublongitud de onda.
Segun una variante de la invencion, dicho material estructurado es un dielectrico de tipo sflice, vidrio, Si3N4, o en material polimerico que puede ser polidimetilsiloxano (PDMS), o polimetacrilato de metilo (PMMA), o policarbonato (PC).
Segun una variante de la invencion, las dimensiones de los motivos son inferiores o iguales a 350 nm de ancho y del orden de 1 a 2 pm de altura.
Segun una variante de la invencion, las dimensiones de los motivos son del orden de 80 nm a 250 nm de ancho o de diametro, de 1 a 2 pm de altura.
Segun una variante de la invencion, los motivos son agujeros y pilares.
Segun una variante de la invencion, el modulo fotovoltaico con concentracion comprende un conjunto de celulas elementales fotovoltaicas.
Segun una variante de la invencion, el dispositivo optico de concentracion comprende un conjunto de microlentes, estando cada microlente acoplada a una estructura difractiva que consta de motivos de dimensiones de sublongitud de onda.
Segun una variante de la invencion, el dispositivo optico de concentracion comprende un conjunto de lentes Fresnel con microprismas, estando cada lente de Fresnel acoplada a una estructura difractiva que consta de motivos de dimensiones de sublongitud de onda.
La invencion tambien tiene por objeto a un panel solar para generador solar para satelite que comprende al menos un modulo fotovoltaico segun la invencion.
La invencion se entendera mejor y otras ventajas de la misma se pondran de manifiesto tras la siguiente descripcion, aportada a modo no limitativo y gracias a las figuras adjuntas, entre las cuales:
- la figura 1 esquematiza un modulo fotovoltaico de la tecnica conocida que comprende una celula fotovoltaica y una optica de concentracion;
- las figuras 2a y 2b ilustran respectivamente una celula fotovoltaica que comprende una estructura multijuntura de materiales apilados y un modulo que integra dicha celula;
- la figura 3 ilustra varias soluciones de concentradores opticos que funcionan en transmision, propuestos en la tecnica anterior e integrados en modulos fotovoltaicos;
- la figura 4 ilustra una estructura de lente de Fresnel que comprende microprismas;
- las figuras 5a y 5b ilustran el efecto cromatico de una lente de Fresnel difractiva, sobre la eficacia de dicha lente para dos posiciones diferentes de la lente con respecto a la celula;
- la figura 6 ilustra varias soluciones de concentradores opticos que funcionan en reflexion, propuestos en la tecnica anterior e integrados en modulos fotovoltaicos;
- las figuras 7a, 7b y 7c ilustran las restricciones geometricas relacionadas con la dimension angular del sol 0s y el angulo de aceptacion a del dispositivo, segun tres configuraciones diferentes;
- las figuras 8a, 8b, 8c ilustra una configuracion de modulo fotovoltaico para aplicacion espacial propuesta en la tecnica anterior;
- las figuras 9a y 9b ilustran ejemplos de arquitectura de separacion espaciocromatica segun la tecnica conocida; - la figura 10 esquematiza un modulo fotovoltaico segun la invencion;
- la figura 11 esquematiza una variante de la invencion que consta de un conjunto de celulas CV con multijunturas verticales;
- la figura 12 esquematiza una variante de la invencion que comprende un conjunto de celulas CV que comprenden subcelulas elementales dispuestas lateralmente;
- las figuras 13a y 13b ilustran una representacion simplificada del efecto de sombreado y la cafda de la eficacia de difraccion en funcion del angulo de desviacion en el caso de la optica de difraccion que comprende una red de microprismas;
- la figura 14 ilustra la eficacia de difraccion en el ambito escalar de una lente en funcion de la relacion entre la longitud de onda de iluminacion en la longitud de onda de diseno;
- la figura 15 ilustra el comportamiento espectral de componentes de sublongitud de onda en comparacion con el de una lente difractiva convencional en escalera;
- la figura 16 ilustra el tipo de espectro solar AM 1.5 que corresponde al espectro solar despues de cruzar la atmosfera, formando el sol un angulo de aproximadamente 48° con respecto a su posicion cenital;
- la figura 17 ilustra un ejemplo de dispositivo optico de concentracion que comprende una red de sublongitud de onda de tipo de distribuidor;
- la figura 18 ilustra un ejemplo de dispositivo optico de concentracion usado en una variante del modulo fotovoltaico de la invencion;
- la figura 19 ilustra una segunda variante de la invencion del modulo fotovoltaico de la invencion que integra una funcion de focalizacion en una estructura difractiva de sublongitud de onda;
- las figuras 20a y 20b ilustran un ejemplo de un dispositivo optico de concentracion usado en la invencion que incluye una funcion de separacion espectral;
- las figuras 21a y 21b ilustran un ejemplo de dispositivo optico de concentracion usado en la invencion que incluye una funcion de correccion de aberraciones longitudinales;
- la figura 22 ilustra un ejemplo de variacion del mdice efectivo con el ancho de los motivos, usada en el ejemplo de dispositivo optico de concentracion ilustrado en las figuras 21a y 21b;
- las figuras 23a, 23b y 23c ilustran un dispositivo optico de concentracion que comprende una estructura difractiva que garantiza una funcion de focalizacion y una estructura difractiva que garantiza una funcion de separacion espectral;
- la figura 24 ilustra un dispositivo optico de concentracion que comprende una estructura difractiva unica que garantiza una funcion de focalizacion y una funcion de separacion espectral.
La presente invencion se refiere a un modulo fotovoltaico que comprende al menos una celula fotovoltaica y un dispositivo optico de concentracion que comprende una estructura que consta de motivos de sublongitud de onda, definidos en un material denominado estructurado, cuya al menos una dimension de dichos motivos es inferior a dicha longitud de onda promedio de iluminacion (Ac) dividida por el mdice de refraccion de dicho material estructurado, garantizando dicho dispositivo optico de concentracion al menos una funcion de focalizacion y una funcion de difraccion.
La funcion de focalizacion es garantizada por la optica refractiva de tipo de lente asociada con una estructura difractiva que comprende los motivos de sublongitud de onda, definidos en un material denominado estructurado, cuya al menos una dimension de dichos motivos es menor que dicha longitud de onda de iluminacion promedio en el espectro de iluminacion (Ac) dividida por el mdice de refraccion de dicho material estructurado.
La figura 10 esquematiza una variante de modulo fotovoltaico de la presente invencion CPVo, que consta de una celula fotovoltaica CVo y un dispositivo optico de concentracion tambien llamado concentrador que comprende la estructura difractiva SmiA que comprende motivos de sublongitud de onda, asociada con una estructura refractiva ORo que presenta una superficie curva. El flujo solar FLs es capturado por la celula fotovoltaica compuesta por multijunturas verticales.
La figura 11 esquematiza una variante de modulo fotovoltaico de la presente invencion que consta de un conjunto de celulas fotovoltaicas, acopladas a un conjunto de dispositivos opticos de concentracion, comprendiendo dichas celulas comprenden ventajosamente estructuras multijunturas verticales descritas previamente y constituidas, por ejemplo, de 3 materiales sensibles en diferentes bandas de longitudes de onda.
De manera mas precisa, cada celula CVi consta de un apilamiento de tres materiales sensibles en bandas de diferentes longitudes de onda, M1, M2 y M3 respectivamente sensibles en las bandas de longitudes de onda AA-i, AA2 y AA3. El dispositivo optico de concentracion comprende un conjunto de microlentes L1, L2, L3, L4 y un conjunto de estructuras de motivos de sublongitudes de onda SmiA, Sm2A, Sm3A, Sm4A.
La figura 12 esquematiza una variante de modulo fotovoltaico de la presente invencion que consta de un conjunto de celulas fotovoltaicas, acopladas a un conjunto de dispositivos opticos de concentracion, constando cada celula CVi de un conjunto de subcelulas con una sola union CVij dispuestas lateralmente, comprendiendo cada una de las tres subcelulas mostradas un material sensible en una banda de longitudes de onda diferentes de las otras subcelulas que pertenecen a la misma celula. De manera mas precisa, cada celula CVi consta de un conjunto de tres subcelulas (estan representadas, tres subcelulas CVh, CVi2, CVi3) constando de tres materiales fotosensibles en bandas de longitudes de onda diferentes, M1, M2 y M3 respectivamente sensibles en las bandas de longitudes de onda AA1, AA2 y AA3. El dispositivo optico de concentracion comprende un conjunto de microlentes L1 L2, L3, L4 y un conjunto de estructuras asociadas de motivos de sublongitudes de onda Sitha, Sm2A, Sm3A, Situa
Los intereses, los rendimientos y las funcionalidades de las opticas de sublongitud de onda se detallan a continuacion. De manera general, las opticas de sublongitud de onda constituyen una familia de opticas compuesta por estructuras binarias (realizadas con un solo nivel de enmascaramiento) de tamano menor que la longitud de onda grabada en un material dielectrico cuyo principio es basado en la srntesis de material artificial. Generalmente, a partir de una estructura periodica de periodo inferior a la longitud de onda de iluminacion promedio del espectro dividido por el mdice del material estructurado, es posible sintetizar cualquier distribucion de mdice efectivo y, por lo tanto, cualquier distribucion de fase, controlando el tamano de las microestructuras. Entre las posibles distribuciones de fase, figura la de un componente difractivo, tal como una red de difraccion o una lente de difraccion tambien llamada Fresnel difractiva (basada en la ley de difraccion y en los saltos de fase de 2pi o algunos modulos 2pi, al contrario de las lentes de Fresnel con microprismas cuyo principio se basa en la ley de refraccion). Estas estructuras tienen propiedades particulares que pueden explotarse para aplicaciones opticas compactas eficaces, en particular, con alta apertura y/o banda espectral ancha.
Ademas, debido al control tecnologico local de los tamanos de las estructuras, es posible controlar la energfa luminosa difractada dirigida en diferentes direcciones en funcion de la longitud de onda, dirigida a las diferentes celulas fotosensibles, sensibles a diferentes regiones del espectro. Mas particularmente, es posible aumentar el flujo luminoso que llega a ciertas celulas fotosensibles que senan menos eficaces, para obtener para las diferentes uniones eficacias casi identicas y para evitar que la eficacia de la union mas debil limite la corriente para el conjunto de las uniones, relacionado con el montaje en serie. De la misma manera, el diseno del componente hace posible adaptar la superficie de las uniones (diferente ancho de celula) para equilibrar la eficacia de las distintas uniones entre sf para un montaje en serie optimo.
Desde un punto de vista tecnologico, esta familia de opticas tiene la ventaja de tener un perfil binario: solo requiere una etapa de litograffa, sin alineacion de la mascara a diferencia de las opticas multinivel, lo que reduce su eficacia final. Los perfiles son compatibles con medios de fabricacion por volumen, como la nanoimpresion, el moldeo o el relieve en caliente, y muchas otras tecnicas, fabricandose el propio maestro con los medios de la industria de los semiconductores (grabado ICP y litograffa electronica).
Estas tecnologfas usan ventajosamente materiales ligeros y transparentes en el visible, tales como el polidimetilsiloxano PDMS, el polimetacrilato de metilo PMMA, el policarbonato PC.
Al nivel de los rendimientos, estas opticas presentan la capacidad de abordar incluso opticas con una apertura digital alta como se describe en los artmulos de: Ph. Lalanne, S. Astilean, P. Chavel, E. Cambarnd H. Launois, "Blazedbinary subwavelength gratings with efficiencies larger than those of conventional echelette gratings". Opt. Lett. 23.
1081 1083 (1998) y de MS.L Lee, Ph Lalanne, J C. Rodier, P Chavel. E Cambril, Y Chen, "Imaging with blazedbinary diffractive elements", Opt. A: Pure Appl. Opt. Vol. 4, S119 (2002).
Son particularmente interesantes por la compacidad de los dispositivos, lo que es difmil en el caso de las opticas difractivas convencionales, como se muestra en las figuras 13a y 13b, que ilustran respectivamente una representacion simplificada del efecto de sombreado por trazado del radio y la cafda de la eficacia de difraccion en funcion del angulo de desviacion de una red de difraccion (equivalente al medio angulo de apertura de una lente). La lmea de puntos proporciona la cafda teorica de la eficacia de difraccion teorica de una red de escalera grabado en vidrio (n=1,5).
En realidad, la cafda en la eficacia de difraccion de las lentes difractivas convencionales con grandes aperturas es aun mas importante experimentalmente porque es difmil realizar saltos de 2n con una transicion abrupta.
Ademas, las opticas de sublongitud de onda tienen propiedades de dispersion unica, lo que permite hacerlas trabajar efectivamente en una banda espectral ancha. Generalmente, al estructurar un material de AsGa, una dispersion del mdice de refraccion permite alcanzar una variacion An = 0,36 en la banda de 8-12 pm en comparacion con un valor de 0,02 para un material no estructurado. Gracias a esta propiedad de dispersion del mdice efectivo, es posible disenar opticas difractivas cuya eficacia se mantiene en una banda ancha, como se describe en el artmulo de C. Sauvan, Ph. Lalanne, M-S. L. Lee, "Broadband blazing with artificial dielectrics", Opt. Lett. 29, 1593-1595 (2004), en la solicitud de patente US 2007/0103782, en el artmulo de C. Ribot, PhD Thesis from University of Paris Sud (2008) o en el de M-S. L. Lee, S. Bansropun, O. Huet, S. Cassette, B. Loiseaux, A. P. Wood, C. Sauvan and P. Lalanne, "Sub-wavelength structures for broadband diffractive optics", ICO 2005, 0602-34 (2005).
Esta propiedad es muy interesante para aplicaciones solares para las cuales el espectro es muy amplio, generalmente [380 nm-1600 nm].
Por ejemplo, disenando una lente difractiva convencional en escalera a A0 = 800 nm, el intervalo espectral esta entonces entre 0,5 A0 y 2 A0 como se ilustra en la figura 14, que proporciona la eficacia de difraccion en el ambito escalar de esta lente en funcion de la relacion de la longitud de onda de iluminacion a la longitud de onda de diseno A/A0. Aunque es posible ajustar la longitud de onda de diseno para equilibrar las perdidas espectrales, la cafda de la eficacia sigue siendo importante.
Para la comparacion, la figura 15 ilustra el comportamiento espectral de componentes de sublongitud de onda en comparacion con el de una lente difractiva convencional en escalera. Parece que la ganancia en la banda es significativa. Mas precisamente, esta figura ilustra el comportamiento de la eficacia de difraccion de una optica difractiva convencional en escalera (lmeas discontinuas, curva C-i5a) y de una optica de sublongitud de onda (lmeas continuas, curva C-i5b) en funcion de la longitud de onda de iluminacion (siendo A0 la longitud de onda de diseno), en el ambito escalar.
Por otra parte, con estas opticas, la capacidad de controlar la fase controlando el tamano de las estructuras no solo permite sintetizar una optica optimizada en una o varias longitudes de onda, sino tambien para ajustar o distribuir bajo demanda, la intensidad de las diferentes ordenes de difraccion, lo que es util en el caso de la separacion espectral, donde la intensidad luminosa recibida no es la misma dentro del espectro.
Un ejemplo del espectro solar de tipo AM1.5 se da en la figura 16, correspondiendo el espectro solar AM1.5 al espectro solar despues de cruzar la atmosfera, formando el sol un angulo de aproximadamente 48° con respecto a su posicion cenital.
Un ejemplo de la aplicacion de estos componentes es el de la funcion difractiva en un sistema acromatico refractivo/difractivo, para no solo acromatizar la distancia focal (funcion difractiva), sino tambien para acromatizar la eficacia de difraccion. De este modo, en comparacion con una solucion refractiva pura (enfoque de la lente de Fresnel refractiva con microprismas), se obtiene un mejor rendimiento relacionado con el plegado del cromatismo longitudinal de la focal sin sufrir perdidas de la eficacia de difraccion de banda ancha de una lente difractiva convencional.
Otro ejemplo en el uso de estas opticas es la separacion espectral. Pueden ser usadas como una red en llamas, que usa el orden 0 para el infrarrojo y el orden 1 para el Visible y el cercano IR, como en el enfoque propuesto por el Centro Espacial de Lieja (CSL) y descrito en el artmulo de: C. Michel y col., "Study of solar concentrator for space, based on a diffractive/refractive combinaison", "Renewable Energy and the Environment, OSA, SM2A2 (2012). Uno de los intereses de la solucion de la presente invencion reside, por lo tanto, en una mayor eficacia de difraccion espectralmente, sin afectar la eficacia en la longitud de onda de diseno (es decir, teniendo la mejor eficacia) o en la longitud de onda promedio, incluso en presencia de un sistema compacto con un angulo de desviacion de orden 1 mayor (generalmente en el caso de una concentracion x 10 y una distancia focal de 5 mm), lo que no es el caso de una red de escalera convencional.
En una variante de la invencion, el dispositivo optico de concentracion puede comprender una red de sublongitud de onda de tipo "distribuidor", por lo que la eleccion de los tamanos de estructura de sublongitud de onda que lo constituyen permite hacer la ingeniena de los angulos y ordenes de difraccion para distribuir/repartir la energfa espacial y espectralmente en celulas de union simple dispuestas lateralmente.
En una variante de la invencion, las celulas de union simple dispuestas lateralmente pueden o no estar al mismo nivel horizontalmente.
En una variante de la invencion, las celulas simples de union dispuestas lateralmente pueden o no ser del mismo tamano.
Los estudios han demostrado la capacidad de los componentes de sublongitud de onda de tipo "distribuidor" para separar lateralmente diferentes ordenes de difraccion con eficacias controladas para la aplicacion de divisor de rayo, como se describe en el artmulo de G. Bloom, Ch. Larat, E. Lallier, M-SL. Lee-Bouhours, B. Loiseaux, J-P. Huignard, "Design and optimization of a high efficiency array generator in the mid-IR with binary subwavelength grooves", Appl.
Opt. 50,701-709 (2011) y la tesis de Guillaume Bloom: "Combinaison coherente de lasers a cascade quantique" presentada el 14 de febrero de 2012, Universite PARIS XI ORSAY. La figura 17 ilustra un ejemplo de red de sublongitud de onda de tipo "distribuidor" que hace posible crear varias ordenes de difraccion con energfas controladas. En el caso de los documentos citados, la red estaba destinada a producir ordenes difractadas con energfas casi iguales, pero este concepto tambien se aplica para producir ordenes de difraccion con la distribucion de energfa deseada de segun las ordenes de difraccion.
La solucion de la presente invencion es particularmente interesante para aplicaciones espaciales. En efecto, el dispositivo de la invencion es un sistema estatico, que no requiere de etapa de despliegue de los concentradores (detallada anteriormente en una solucion de la tecnica anterior) y sigue siendo compatible con un sistema de seguimiento para satelites (generalmente del orden de 3° para una longitud focal de 5 mm, para una tasa de concentracion de 12) Al proponer una solucion compacta, tambien es posible reducir el volumen de los paneles y simplificar la solucion y los medios de prueba en tierra que se implementaran antes del lanzamiento del satelite. Por otra parte, el dispositivo de la invencion se basa en el uso de opticas de sublongitud de ondas que pueden realizarse en materiales ligeros que permiten sintetizar opticas planas eficaces a una distancia focal mas corta. La solucion tambien se puede combinar con una tecnica de separacion espectral, para aumentar la eficacia de la conversion celular.
El solicitante ha resuelto de este modo los siguientes problemas:
- tener un sistema compacto, asf como una corta distancia de focalizacion, generalmente, inferior a un centfmetro hasta unos pocos milfmetros, por ejemplo, o menos, y componentes voluminosos;
- combinar una funcion de focalizacion y una funcion de correccion de cromatismo;
- garantizar una buena eficacia del concentrador en todo el espectro abordado, proponiendo asociar una funcion de focalizacion con una distancia focal muy baja, con una funcion difractiva con menor apertura digital que el componente refractivo.
Las diferentes funciones proporcionadas por los diferentes elementos de la arquitectura son:
- una compacidad mediante el uso de microlentes y opticas de sublongitud de onda;
- una mejor eficacia optica de concentracion en la celula fotovoltaica por la combinacion refractiva-difractiva, lo que permite una mejor acromatizacion longitudinal mediante la compensacion de la diferencia entre f(Am) y f(Awi). A tftulo de ejemplo, una diferencia inicial de ~350 pm aproximadamente entre f(Am=350 nm) y f(AM=1400 nm), para un sistema abierto en f/D=1, y f=5 mm, se reduce a casi 0 entre estas dos longitudes de onda gracias a la acromatizacion longitudinal. Mas precisamente dentro del intervalo [Am; Am] la variacion de la focal se reduce en al menos un factor 3.
- una mejor eficacia espectral al explotar las propiedades de banda ancha de las opticas de sublongitud de onda. Segun una variante de la invencion, y esto para obtener un sistema aun mas compacto, el dispositivo optico de concentracion puede comprender un sistema de tipo de lente de Fresnel refractivo con microprismas, combinado con una lente difractiva de sublongitud de onda, como se ilustra en la figura 18.
Segun este ejemplo, el concentrador tubrido refractivo/difractivo comprende de este modo un componente refractivo compuesto por microprismas y un componente difractivo compuesto por estructuras de sublongitud de onda.
Ventajosamente, esta solucion de concentracion se puede combinar con una tecnica de separacion espectral, cuya funcion tambien se puede integrar en la cara difractiva al mismo tiempo que la funcion de correccion del cromatismo longitudinal. El principio consiste en separar lateralmente los diferentes puntos de focalizacion en funcion de la longitud de onda del espectro solar con ayuda de una funcion de red, integrada en el componente difractivo, usando simples uniones de material distribuidas lateralmente y sensibles en diferentes bandas de longitudes de onda, como se describio anteriormente. La ventaja de la estructura de sublongitud de onda para la implementacion de la funcion de separacion espectral es la posibilidad de ajustar la energfa dirigida en cada una de las uniones distribuidas lateralmente y permitir superficies de union sustancialmente diferentes, para una mejor eficacia del montaje en serie, manteniendo una buena eficacia de difraccion en todo el espectro.
Segun una variante de la invencion, el modulo fotovoltaico puede comprender un dispositivo optico de concentracion que asegura una funcion de focalizacion, tal como se ilustra en la figura 19, un conjunto de celulas CVi, que puede constar de subconjuntos de celulas CVij (CVi-i, CVi2, CVi3 representadas), tales como las que se describen en la primera variante de la invencion.
Segun una variante de la invencion, el modulo fotovoltaico puede comprender un dispositivo optico de concentracion que asegura una funcion de focalizacion y una funcion de separacion espectral, tal como se ilustra en las figuras 20a y 20b. El dispositivo optico de concentracion sintetiza la funcion de focalizacion y la funcion de separacion espectral lateral, permitiendo, de este modo, obtener un sistema muy compacto.
El dispositivo optico presenta una tasa de concentracion C (que puede ser igual a 12, C=12), definida como el diametro del dispositivo de concentracion dividido por el ancho de la celula.
Suponiendo el uso de Numeroceiuia de subcelulas elementales acopladas al dispositivo optico de concentracion, sensibles a diferentes regiones del espectro solar, yuxtapuestas unas junto a las otras por lote, y el ancho de la celula, el periodo de la red viene dado por la relacion,
Figure imgf000011_0001
Para un componente disenado en su orden 1 de difraccion, el penodo depende solo de la relacion f/D y la tasa de concentracion y el numero de 'Mas" espectrales o de subcelulas elementales por concentrador.
La siguiente tabla da ejemplos de estructuras, asumiendo que Numeroceiuia=3 y proporciona valores de penodos expresados en micrones, pudiendo usar una lente de sflice abierta en f/D=1 (focal/diametro), por ejemplo, con un diametro de aproximadamente 5 mm.
Figure imgf000011_0005
Los motivos de la estructura de difraccion presentan anchos comprendidos entre 0 y 240 nm y alturas de 2 micrones. Segun una variante de la invencion, el dispositivo optico de concentracion usado en la presente invencion tambien puede garantizar una funcion de correcciones de aberraciones longitudinales.
Tal componente se ilustra en las figuras 21a y 21b y presenta una zona central Zc y zonas externas, solo la mas exterior, referenciada Zn, se referencia en las figuras.
La altura de los motivos h2' se define a continuacion h2' = - n- M-- a- x— ( ^ o J - r-c-m- f-n — (A 0) , donde nuax(Aa) y nmn(Ao) corresponden a los indices efectivos para una estructura difractiva compuesta por motivos de sublongitud de onda para un componente que funciona en su orden 1 de difraccion.
Por lo general, nmax(Ao)-nmm(Ao) puede ser igual a aproximadamente 0,5 para un material de tipo sflice (ñ 1,5), y 1 para un nitruro de silicio (n-2).
Estos valores se calculan mediante un procedimiento para resolver el problema de difraccion en una estructura periodica infinita, denominado procedimiento modal de Fourier o RCWA (Rigorous Coupled-Wave Analysis). Mas particularmente, el mdice efectivo en la estructura periodica viene dado por el mdice efectivo del modo Bloch que se propaga en la estructura de sublongitud de onda.
A tftulo de ejemplo, la figura 22 da los indices efectivos de una estructura periodica de sublongitud de onda compuesta por pilares de seccion cuadrada, de periodo de 350 nm en funcion del ancho de los pilares, para pilares grabados en nitruro de silicio o en sflice, para iluminacion a 800 nm. La curva C22a es relativa al nitruro de silicio, siendo la curva C22b relativa a la sflice.
El numero de zonas es dado por:
Figure imgf000011_0002
donde "piso" es la funcion "escalera", es decir, que piso (x) corresponde al entero inferior o igual a x.
El radio de la zona central es igual a:
Figure imgf000011_0003
El ancho de la zona n es dado por n, comprendido entre 2 y N (el numero maximo de zonas):
Figure imgf000011_0004
o bien para la ultima zona
Figure imgf000012_0001
donde fd2 representa la focal del componente difractivo y depende de las constringencias vi, y V2, respectivamente del componente refractivo y difractivo que constituye la lente deseada de focal f que constituye el concentrador. Las constringencias vi y v2 dependen esencialmente del material que constituye el componente difractivo, asf como de las longitudes de onda elegidas por definicion en la banda considerada, aqm, Amin=400 nm, AMax=1400 nm:
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0004
La lente refractiva del concentrador se define por su focal fdi dada por:
Figure imgf000012_0003
A tftulo de ejemplo, considerando una lente de sflice abierta en f/D=1 (focal/diametro), unos 5 mm de diametro aproximadamente, usado para una tasa de concentracion x12. La lente difractiva para reducir la aberracion cromatica longitudinal puede estar compuesta por diferentes zonas de Fresnel difractivas con una altura generalmente de aproximadamente 2 pm para usar en su orden 1 de difraccion. La zona central es un disco con un radio de 441 pm y la zona mas externa es un anillo de 39 pm de ancho.
Los motivos de la estructura de difraccion presentan anchos comprendidos entre 0 y 240 nm y alturas de 2 micrones. Segun una variante de la invencion, el dispositivo optico de concentracion puede comprender dos estructuras difractivas en cada una de sus caras, incluida una estructura difractiva para proporcionar una funcion de focalizacion y una estructura difractiva que garantiza una funcion de separacion espectral.
Las figuras 23a, 23b y 23c ilustran, de este modo, un ejemplo de configuracion compuesto por una lente difractiva de focalizacion que se encuentra en una cara y una red de difraccion para la separacion espectral que se encuentra en la segunda cara.
La figura 23a proporciona una vista simplificada de una seccion del componente segun su diametro con una primera estructura difractiva Sdi para la focalizacion y una segunda estructura difractiva Sd2 para la separacion espectral. La figura 23b muestra una vista desde arriba del componente, representando los niveles de gris una variacion de mdice efectiva codificada por motivos de sublongitud de onda. Las regiones mas oscuras corresponden a niveles de mdice efectivo mas altos. Las zonas mas claras corresponden a niveles de mdice efectivo mas bajos.
La figura 23c muestra una vista desde abajo del componente, representando los niveles de gris una variacion de mdice efectiva codificada por motivos de sublongitud de onda.
En este ejemplo, el concentrador esta compuesto por una lente difractiva y una red de difraccion. Estos dos elementos se encuentran en cada lado de un componente unico que sirve tanto como concentrador como separador espectral. Cada funcion se realiza con ayuda de motivos de sublongitud de onda. El calculo de la lente difractiva, que sirve como funcion de focalizacion, es diferente del de la lente que sirve para reducir las aberraciones cromaticas longitudinales, por su focal. Una focal tfpica es de 5 mm para una funcion de focalizacion. Basandose en las ecuaciones anteriores, y considerando una lente de sflice abierta en f/D=1 (focal/diametro), unos 5 mm de diametro aproximadamente, la lente difractiva que permite realizar la funcion de focalizacion esta compuesta por diferentes zonas de Fresnel difractivas con una altura general de aproximadamente 2 pm para usar en su orden 1 de difraccion. La zona central es un disco con un radio de 89 pm y la zona mas externa es un anillo de 1,6 pm de ancho. Las diferentes zonas estan compuestas por motivos de sublongitud de onda.
Los motivos de la estructura de difraccion presentan anchos comprendidos entre 0 y 240 nm y alturas de 2 micrones. El uso de una optica toda difractiva de sublongitud de onda sola puede permitir realizar la funcion de focalizacion, a pesar de una fuerte apertura f/1, en un sistema muy compacto, generalmente 5 mm, o bien, generalmente 16 veces mas compacto que el dispositivo presentado anteriormente por la empresa Entech.
Segun una variante de la invencion, el dispositivo de concentracion puede comprender una estructura difractiva unica en la que las dos funciones pueden combinarse e implementarse en una sola cara del componente llamado cara inferior orientado hacia la celula fotovoltaica, siendo la cara opuesta llamada inferior plana. La figura 24 ilustra de este modo la vista inferior de tal dispositivo de concentracion. Representando los niveles de gris una variacion de mdice efectiva codificada por motivos de sublongitud de onda. Las regiones mas oscuras corresponden a niveles de mdice efectivo mas altos. Las zonas mas claras corresponden a niveles de mdice efectivos mas bajos (se debe tener en cuenta que para mayor claridad de esta figura y de las anteriores, estas cifras no estan a escala, no muestran el numero exacto de anillos, siendo este numero en este caso mas alto).

Claims (23)

REIVINDICACIONES
1. Modulo fotovoltaico que comprende al menos una celula fotovoltaica (CV) y al menos un dispositivo optico de concentracion (Oc), destinado a ser iluminado por un flujo luminoso que emite en varias longitudes de onda de iluminacion (Ai) que pertenece a una banda de longitudes de onda definida por una longitud de onda minima (Amin) y una longitud de onda maxima (Amax), siendo dicha banda de longitudes de onda la de la radiacion solar del orden de [380 nm-1600 nm] caracterizado porque:
- dicho dispositivo optico de concentracion es un componente monolftico que comprende:
• en una cara, una estructura difractiva con motivos de dimensiones de sublongitud definidos en un material denominado estructurado, asegurando una funcion de difraccion, teniendo dichos motivos al menos una dimension inferior o igual a la longitud de onda promedio de iluminacion Ac situada entre Amin y Amax dividida por el mdice de refraccion de dicho material estructurado y estando dichos motivos separados entre sf por distancias de sublongitud de onda, definidas entre centros de motivos adyacentes
• en la otra cara, una estructura de focalizacion que comprende una optica refractiva o una estructura difractiva con motivos de dimensiones de sublongitud definidos en un material denominado estructurado, o
- dicho dispositivo optico de concentracion es un componente monolftico que comprende una estructura difractiva con motivos de dimensiones de sublongitud definidos en un material denominado estructurado, garantizando en una misma cara una funcion de focalizacion y una funcion de difraccion, teniendo dichos motivos al menos una dimension inferior o igual a la longitud de onda promedio de iluminacion Ac situada entre Amin y Amax dividida por el mdice de refraccion de dicho material estructurado y estando dichos motivos separados entre sf por distancias de sublongitud de onda, definidas entre centros de motivos adyacentes
2. Modulo fotovoltaico segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicha estructura difractiva comprende motivos de sublongitudes de onda que presentan distancias definidas entre centros de motivos adyacentes, periodicos.
3. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el dispositivo optico de concentracion consta de una estructura difractiva que consta de motivos de sublongitud de onda y una optica refractiva.
4. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el dispositivo optico de concentracion comprende dos estructuras difractivas que constan de motivos de sublongitud de onda, definidos en al menos un material denominado estructurado, de las que una garantiza una funcion de focalizacion.
5. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicha celula fotovoltaica comprende al menos un material fotosensible en dicha banda de longitudes de onda.
6. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicha celula fotovoltaica comprende un apilamiento de materiales, realizando una estructura multijuntura llamada vertical, siendo cada uno de dichos materiales al menos sensible en una subbanda de longitudes de onda (AA1, AA2, AA3, AA4) perteneciente a dicha banda de longitudes de onda: AA = [Amin; Amax].
7. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicha celula fotovoltaica comprende un conjunto de subcelulas elementales adyacentes fotovoltaicas en un mismo plano que comprende materiales sensibles en subbandas de longitudes de onda (AA1, AA2, AA3, AA4), pertenecientes a dicha banda de longitudes de onda: AA = [Amin; Amax], con el fin de constituir una estructura multijuntura denominada horizontal.
8. Modulo fotovoltaico segun la reivindicacion 7, caracterizado porque comprende subconjuntos de celulas elementales, fotovoltaicas, ubicadas en diferentes planos.
9. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque comprende subcelulas elementales fotovoltaicas que presentan tamanos diferentes las unas con respecto a las otras.
10. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 3 a 9, tomada en su dependencia con la reivindicacion 3, caracterizado porque dicha optica refractiva consta de al menos una lente refractiva de superficie curva.
11. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 3 a 9, tomada en su dependencia con la reivindicacion 3, caracterizado porque dicha optica refractiva comprende al menos una lente de Fresnel que consta de un conjunto de microprismas con un tamano de aproximadamente uno a unas centenas de micrometros.
12. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 3 a 11, tomada en su dependencia con la reivindicacion 3, caracterizado porque la optica refractiva se realiza del mismo material que el material estructurado que consta de dichos motivos de dimensiones de sublongitud.
13. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque los motivos son pilares o agujeros.
14. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque dicho dispositivo de concentracion comprende una estructura difractiva con motivos de dimensiones de sublongitud definidos en un material denominado estructurado que presenta una funcion de correccion de aberracion longitudinal y/o una funcion de separacion espectral lateral.
15. Modulo fotovoltaico segun la reivindicacion 14, caracterizado porque dicho dispositivo de concentracion comprende una zona central y unas zonas externas;
- estando cada zona compuesta por motivos de tipo pilares de seccion redonda o cuadrada y/o agujeros de seccion redonda o cuadrada;
- variando las dimensiones de dichos motivos de una zona a otra para codificar una variacion del mdice efectivo y, por lo tanto, una variacion de fase, pudiendo dichas variaciones de dimension ser monotonas o no.
16. Modulo fotovoltaico segun la reivindicacion 15, caracterizado porque los motivos presentan dimensiones laterales inferiores o iguales a 350 nm y el espaciado entre el centro de dos zonas consecutivas es de aproximadamente 350 nm, estando las alturas de los motivos comprendidas entre 1 micrometro y una decena de micrometros.
17. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque dicho material estructurado es un material dielectrico de tipo sflice, vidrio, nitruro de silicio o de tipo polimerico que puede ser polidimetilsiloxano (PDMS), o polimetacrilato de metilo (PMMA) o policarbonato (PC).
18. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque las dimensiones de los motivos son del orden de 80 nm a 250 nm de ancho o de diametro y de 1 a 2 pm de altura.
19. Modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque comprende un conjunto de celulas elementales fotovoltaicas.
20. Modulo fotovoltaico segun la reivindicacion 19, caracterizado porque comprende un conjunto de celulas elementales fotovoltaicas y una estructura que consta de motivos de sublongitud de onda, definidos en un material denominado estructurado, teniendo al menos una dimension de dichos motivos inferior a dicha longitud de onda promedio de iluminacion (Ac) dividida por el mdice de refraccion de dicho material estructurado, proporcionando dicha estructura una funcion de focalizacion y una funcion de difraccion.
21. Modulo fotovoltaico segun la reivindicacion 19, caracterizado porque el dispositivo optico de concentracion comprende un conjunto de microlentes, estando cada microlente acoplada a una estructura difractiva que consta de motivos de dimensiones de sublongitud.
22. Modulo fotovoltaico segun la reivindicacion 19, caracterizado porque el dispositivo optico de concentracion comprende un conjunto de lentes Fresnel con microprismas, estando cada lente de Fresnel acoplada a una estructura difractiva que consta de motivos de dimensiones de sublongitud.
23. Panel solar de generador solar para satelite que comprende al menos un modulo fotovoltaico segun una de las reivindicaciones precedentes.
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