Dispositivo para acoplar la luz de forma óptima a una célula solar de banda intermedia realizada mediante puntos cuánticos.

Abstract

En una célula solar convencional, el valor de la banda prohibida determina la corriente y el voltaje. Valores altos producen bajas corrientes (hay pocos fotones absorbidos) y altos voltajes y viceversa. Hay un óptimo que teóricamente está (para iluminación solar isotrópica) hacia la banda prohibida del silicio. Según un procedimiento patentado por algunos de los inventores de la presente invención (EP 1 130 657, A2 P9901278, US 6,444,897), es posible conseguir simultáneamente altas corrientes y altos voltajes mediante un material con una banda intermedia (BI) (10) permitida en medio de la banda prohibida (11) del semiconductor tal y como se ve en la Figura 2. La célula solar se completa colocando el material (12) de banda intermedia entre dos semiconductores ordinarios, uno tipo n (13) para contacto con la banda de conducción (BC) (14) y otro tipo p (15) para contacto con la banda de valencia (BV) (16). La banda intermedia queda así aislada de los contactos metálicos, que en una célula solar están situados típicamente en sus caras frontal (en forma de rejilla) y posterior. En esta célula, además del procedimiento ordinario de bombeo de electrones de la BV a la BC mediante un fotón de suficiente energía (17), debe considerarse el bombeo en dos etapas, una de la BV a la BI y con un fotón de menor energía (18), seguido del bombeo desde la BI a la BC mediante otro fotón de menor energía (19). La eficiencia de conversión fotovoltaica máxima posible con esta estructura se sitúa en el 63.2% a comparar con el límite del 40.7% que poseen las células de una sola banda prohibida o el 55.4% de las combinaciones de dos células de diversos materiales. Naturalmente, el valor óptimo de la banda prohibida no es ahora el del silicio (1.1 eV), sino que se sitúa en 1.96 eV con las sub-bandas prohibidas de 0.74 y 1.21 eV. La obtención de elevados voltajes depende de la aparición de tres potenciales electroquímicos (o quasi-niveles de Fermi) diferentes, uno para la banda de valencia (20), otro para la de conducción (21) y el tercero para la banda intermedia (22). La construcción de la célula solar de banda intermedia mediante tecnologías de puntos cuánticos (23) (ver Figura 3) ha sido ya realizada, (A. Luque, A. Martí, C. Stanley, N. López, L. Cuadra, D. Zhou and A. Mc- Kee, Journal of Applied Physics, 96, pág. 903, 2004). En este dispositivo, la banda intermedia surge a partir de los niveles energéticos de los electrones confinados (24) en los puntos (ver Figura 4). Las células solares de puntos cuánticos de banda intermedia han mostrado hasta ahora rendimientos de hasta el 9%. Sin embargo el potencial es, como se ha indicado, muy alto, y los bajos rendimientos obtenidos se deben principalmente a la baja absorción de la banda intermedia debida a la baja densidad de centros de absorción (menos de 1017 cm-3 del material de puntos cuánticos. El dispositivo de esta patente se conduce a resolver este problema