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MX2014000261A - Nanoparticulas para una planta solar y una celda solar que contiene tales nanoparticulas. - Google Patents

Nanoparticulas para una planta solar y una celda solar que contiene tales nanoparticulas.

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MX2014000261A
MX2014000261A MX2014000261A MX2014000261A MX2014000261A MX 2014000261 A MX2014000261 A MX 2014000261A MX 2014000261 A MX2014000261 A MX 2014000261A MX 2014000261 A MX2014000261 A MX 2014000261A MX 2014000261 A MX2014000261 A MX 2014000261A
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nanoparticle
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Martin Buskuhl
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Martin Buskuhl
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Abstract

Se describen las nanopartículas para una planta solar con la finalidad de aumentar la utilización de luz, las cuales tienen un núcleo seleccionado del grupo de materiales que consisten en metales, aleaciones de metal, elementos no metálicos semiconductores, compuestos eléctricamente conductores y mezclas de los mismos, donde por lo menos una primera capa se coloca alrededor del núcleo.

Description

NANOPARTÍCULAS PARA UNA PLANTA SOLAR Y UNA CELDA SOLAR QUE CONTIENE TALES NANOPARTÍCULAS Descripción de la Invención La presente invención se relaciona con las nanopartículas para un sistema de energía solar para aumentar el aprovechamiento de luz, con un núcleo seleccionado de los materiales que comprenden metales, aleaciones de metal, semiconductores, metales eléctricamente no conductores, compuestos eléctricamente conductores y mezclas de los mismos, así como una célula solar con por lo menos una de tales nanopartículas.
Se conoce del documento WO 2009/043340 un módulo fotovoltaico con por lo menos una célula solar, en la cual se incorporan las nanopartículas para la amplificación de luz. Estas nanopartículas pueden ser de una geometría y de una distribución para amplificar la luz incidente.
Sin embargo, se ha mostrado que la geometría y la distribución de las nanopartículas en un módulo fotovoltaico solas no conducen a resultados óptimos.
El objetivo de la presente invención es, por lo tanto, desarrollar adicionalmente las nanopartículas para un sistema de energía solar del tipo establecido en la introducción, de tal manera que en una planta de energía solar o una celda solar den lugar a una mejor amplificación de luz que en la técnica anterior.
Esto se logra de acuerdo con la invención en que por lo menos una primera cubierta se coloca alrededor del núcleo.
La aplicación del principio del núcleo/cubierta a las nanopartículas para un sistema de energía solar proporciona a un experto en la técnica una gran cantidad de posibilidades de una nanopartícula física y químicamente manipulable de tal modo que, dependiendo del uso, se puede lograr una amplificación óptima de luz.
Otra ventaja adicional de la presente invención es que alrededor del núcleo está colocada por lo menos una segunda cubierta, en una distancia más grande desde el núcleo que desde por lo menos una primera cubierta.
Proporcionando una segunda cubierta, se pueden crear otras combinaciones de propiedades físicas y químicas de una nanopartícula. Lo que significa que la presente invención proporciona una primera cubierta que rodea siempre a un núcleo y entonces cualquier secuencia de la primera y segunda cubierta se distribuye.
Otra ventaja de la presente invención es que una primera capa de conexión se coloca entre la primera cubierta y el núcleo. La primera capa de conexión asegura que se produzca una buena adherencia entre la base y el primer eje.
También es ventajoso que una segunda capa de conexión se coloque entre la primera cubierta y la segunda cubierta. La segunda capa de conexión asegura que se logre una buena adherencia entre la primera cubierta y la segunda cubierta.
Otras ventajas de la presente invención con relación a las nanopartículas se establecen en las características de las sub-reivindicaciones.
Otra ventaja de la presente invención con relación a una celda solar es que una pluralidad de nanopartículas se coloca en una capa semiconductora. Esto asegura que las nanopartículas tengan que estar presentes de una manera dispersada en la capa semiconductora, sino en ciertas formas donde la modalidad también se empaca tan densamente que forman la capa semiconductora si una de la primera o de la segunda cubiertas es una capa semiconductora. En algunas formas de la modalidad también es ventajoso si los orificios entre las nanopartículas se rellenan de material semiconductor. En otras formas de la modalidad es ventajoso si los orificios entre las nanopartículas se rellenan con otros materiales, por ejemplo, material dieléctrico o material conductor.
Tal empacamiento denso es ventajoso en que la mayoría de las nanopartículas se distribuyen de una manera tal que por lo menos algunas de las nanopartículas están en contacto entre sí o con la primera o la segunda cubierta y las cubiertas en contacto con las nanopartículas que forman la capa semiconductora.
Las formas de la modalidad de la presente invención se describen más abajo detalladamente con la ayuda de los dibujos. En éstos: La figura 1 muestra una nanopartícula redonda esquemática con un núcleo y una primera y segunda cubierta de acuerdo con una primera forma de la modalidad de la presente invención; La figura 2 muestra una nanopartícula esquemática con un núcleo, una primera capa de conexión, una primera cubierta y una segunda cubierta de acuerdo con una segunda modalidad de la presente invención; La figura 3 muestra una nanopartícula esquemática con un núcleo y una primera y segunda cubierta de acuerdo con una tercera forma de la modalidad de la presente invención; La figura 4 demuestra un nanopartícula esquemática con un núcleo, una primera capa de conexión, una primera cubierta, una segunda capa de conexión y una segunda cubierta de acuerdo con una cuarta modalidad de la presente invención; La figura 5 muestra una nanopartícula como en la figura 1, pero en una forma elipsoide; La figura 6 muestra una nanopartícula como en la figura 2, pero en una forma elipsoide; La figura 7 muestra una nanopartícula como en la figura 3, pero en una forma elipsoide; La figura 8 muestra una nanopartícula como en la figura 4, pero en una forma elipsoide; La figura 9 muestra una vista parcial esquemática de una celda solar con nanopartículas de acuerdo con la figura 1; La figura 10 muestra una celda solar esquemática con las nanopartículas de acuerdo con la figura 5 pero en un diferente tamaño; y La figura 11 muestra la celda solar esquemática con las nanopartículas de acuerdo con la figura 4.
La figura 12 muestra una celda solar esquemática con las nanopartículas de acuerdo con la figura 1, clasificadas por tamaño.
La figura 1 muestra un nanopartícula esquemática 1 que tiene un núcleo 3, una primera cubierta 5 que rodea el núcleo 3 y una segunda cubierta 7 que rodea la primera cubierta 5. En esta primera forma de la modalidad, la primera cubierta 5 se une directamente al núcleo 3 y la segunda cubierta 7 se une directamente a la primera cubierta 5.
La figura 2 muestra básicamente la misma nanopartícula 1 pero en una segunda forma de la modalidad que tiene una primera capa de conexión 9 entre al núcleo 3 y la primera cubierta 5.
En una tercera forma de la modalidad en la figura 3 se muestra una nanopartícula 1 la cuál en términos de su estructura es idéntica a la nanopartícula 1 en la figura 1. La única diferencia es la propiedad de la segunda cubierta 7. La primera cubierta en la figura 3 es generalmente un material dieléctrico. La segunda cubierta 7 en la figura 3 se hace generalmente de otro material, por ejemplo, un semiconductor fotoactivo, como, por ejemplo, CIGS o Si.
En la figura 4 se muestra una cuarta forma de la modalidad de una nanopartícula 1. En esta cuarta forma de la modalidad existe también una segunda capa de conexión 11 entre la primera cubierta 5 y la segunda cubierta 7. La nanopartícula en la figura 4, por lo tanto, tiene un núcleo 3, una primera capa de conexión 9, la segunda cubierta 5, una segunda capa de conexión 11 y una segunda cubierta 7. La primera cubierta en la figura 4 es generalmente un material dieléctrico. La segunda cubierta 7 en la figura 4 se hace generalmente de otro material, por ejemplo, un semiconductor fotoactivo como CIGS o Si.
La figura 5 muestra una nanopartícula 1 en una variante de la primera forma de la modalidad. En esta variante la nanopartícula 1 es elipsoide.
La figura 6 muestra una variante de la segunda forma de la modalidad en la figura 2. La nanopartícula 1 en la figura 6 también es elipsoide. La nanopartícula 1 en la figura 7 es una variante elipsoide de la tercera forma de la modalidad de la nanopartícula 1 en la figura 3. La nanopartícula 1 en la figura 8 también es una variante elipsoide de la nanopartícula 1 en la figura 4.
En todas las formas de la modalidad el núcleo 3 se hace opcionalmente de metales, metales de transición, semimetales, compuestos de metales no semiconductores o conductores, o mezclas, aleaciones y los compuestos de dichos materiales. La producción de núcleos no es el asunto objetivo de la presente invención. Un experto en la técnica puede producir los núcleos 3 para una aplicación relevante como él elija. La forma y el tamaño de los núcleos 3 de la nanopartícula 1 de acuerdo con la presente invención son en forma esférica o elipsoide, cilindrica o de barra con y sin los extremos redondeados, de forma cónica o piramidal, cúbica o de bloque, irregular o variable en tamaño en el intervalo micro- nano- o subnanométrico.
Para uso en los sistemas de energía solar, de acuerdo con la presente invención, por lo menos una primera cubierta 5 se deberá agregar al núcleo. Por lo menos una cubierta 5 deberá tener ciertas propiedades químicas o físicas que en conjunto con el núcleo 3 aseguran una amplificación de luz en un sistema de energía solar.
Aunque en las figuras se muestran siempre dos cubiertas, de acuerdo con la presente invención por lo menos una primera cubierta 5 deberá estar presente. La provisión de una segunda cubierta 7 es opcional y sirve para optimizar las propiedades de la nanopartícula 1 en la aplicación en cuestión. La forma y el tamaño de la primera cubierta 5 o de la segunda cubierta 7 es preferiblemente tal que la primera cubierta 5 que une al núcleo 3 que la rodea bastante uniforme. Sin embargo, otras formas son concebibles en otras formas de la modalidad, por ejemplo, un núcleo piramidal en la cubierta esférica. El grosor de la primera cubierta 5 y de la segunda cubierta 7 puede variar desde una capa de átomo en el intervalo micrométrico.
La primera cubierta 5 y/o la segunda cubierta 7 pueden ser idénticas o diferentes y se conectan directamente entre sí o con el núcleo 3 o a través de la primera capa de conexión 9 o la segunda capa de conexión 11. La primera y/o la segunda cubierta 5, 7 se hacen de materiales no conductores, como, por ejemplo, halogenuros, preferiblemente de fluoruros, como, por ejemplo, CaF2 o MgF2, los calcogenuros, preferiblemente, por ejemplo, óxidos etcétera. La primera cubierta 5 y/o la segunda cubierta 7 también pueden consistir en materiales semiconductores, materiales conductores (por ejemplo variantes de TCO, materiales permeables a la luz, materiales de transformación de luz y/o absorbentes de luz, por ejemplo, CIGS, CdTe, Si, semiconductores orgánicos, etcétera) así como los materiales inorgánicos u orgánicos. Finalmente, la primera cubierta 5 y/o la segunda cubierta 7 también pueden exhibir las propiedades químicas y/o físicas especiales que aseguran que las nanopartículas 1 se distribuyan de una manera predeterminada (con respecto entre sí o a la superficie en un ambiente local). Esto puede dar lugar a una monocapa densa u holgada o a una capa de nanopartícula compacta hecha de un tipo puro de una mezcla de tipos. Varias interacciones pueden ser responsables de producir la distribución de las nanopartículas, por ejemplo, interacciones químicas o físicas, por ejemplo van der Waals, adherencia, fuerzas iónicas, o interacciones electrostáticas o electromagnéticas.
En la segunda y en la cuarta forma de la modalidad de acuerdo con la figura 2 y la figura 4, la primera capa de conexión 9 se proporciona entre el núcleo 3 y la primera cubierta 5, y la segunda capa de conexión 11 entre la primera cubierta 5 y la segunda cubierta 7. Tales primera y segunda capas de conexión 9, 11 preferiblemente consisten en los materiales orgánicos e inorgánicos, los cuales interceden entre las propiedades químicas y físicas de la cubierta y del núcleo (primera capa de conexión 9) o entre dos cubiertas adyacentes (segunda capa de conexión 11).
Tales materiales orgánicos pueden ser compuestos orgánicos que llevan varios grupos funcionales para permitir la adherencia en ambos lados (núcleo/cubierta, primera cubierta/segunda cubierta, etcétera). La primera y la segunda capas de conexión 9, 11 están preferiblemente tan delgadas como sean posible.
En todas las figuras la cubierta exterior de una nanopartícula 1 es la segunda cubierta 7 y en la figura 1, la figura 2, la figura 5 y la figura 6 esto se muestra esquemáticamente con una línea discontinua. En otras formas de la modalidad la primera cubierta 5 también puede ser la cubierta externa. Esto depende completamente de la secuencia alternante seleccionada.
La figura 9 muestra esquemáticamente la parte de una celda solar 100 en la cual varias nanopartículas 1 se distribuyen de acuerdo con la forma de la modalidad mostrada en la figura 1.
La figura 10 muestra esquemáticamente la parte de una celda solar en una variante en la cual las nanopartículas 1 que se muestran en la Figura 5 son de un tamaño diferente.
La figura 11 muestra esquemáticamente la parte de una celda solar 100 en la cual las nanopartículas 1 se distribuyen de acuerdo con la cuarta forma de la modalidad (figura 4).
La figura 12 muestra esquemáticamente que parte de una celda solar 100 en la cual las nanopartícula 1 de acuerdo con una primera forma de la modalidad (figura 1) se distribuyó clasificada por tamaño. De esta diferente manera de intervalos de frecuencia de la luz incidente se pueden convertir o intensificar óptimamente en las profundidades de penetración relevantes. Por ejemplo, la luz de onda corta puede interactuar óptimamente cerca de la superficie con nanopartícula posiblemente más pequeñas 1 , y la luz de onda larga, que penetra más profundamente puede interactuar óptimamente con la nanopartícula posiblemente más grande 1. En la figura 12 la luz entra desde el lado izquierdo. La figura 12 puede, por otro lado, representar una sola celda solar, el semiconductor activo del cual comprenden varias capas de nanopartículas 1, o puede representar una celda multiunión colocada de una manera apilada. Para la presente invención el intervalo de frecuencia de la "luz" que actúa en una celda solar 100 no es crítico. La presente invención se puede usar en combinación con todo tipo de radiación electromagnética, por ejemplo, también la radiación infrarroja/sonido (por ejemplo, termofotovoltaico), microondas, etcétera.
Durante la fabricación de la celda solar 100 en cualquier variante, se aplican las nanopartículas 1, por ejemplo, a través de recubrimiento giratorio, sumersión, automontaje, deposición de químico en húmedo, método de sol-gel, segregación/agregación, métodos físicos (por ejemplo distribución a través de las propiedades electromagnéticas o propiedades electrostática y potenciales, separación de fase gaseosa, técnicas de impresión, por ejemplo, similar a la impresión por inyección de tinta, transmisión de contacto directo, método de rocío. Las nanopartículas se pueden producirse y depositarse completamente o en partes en la superficie o en la proximidad. Esto ocurre normalmente con los métodos químicos húmedos o los procesos de fabricación física (por ejemplo, separación de fase gaseoso, métodos de plasma, etcétera).
Finalmente también es posible que las nanopartículas 1 se apliquen entre las capas aplicadas por separado del material de "incrustación". Las capas entonces están "en la parte superior" y "en la parte inferior" y pueden mezclarse. Considerado como incrustación, el material para las nanopartícula 1 son, dependiendo del propósito del uso, materiales dieléctricos, semiconductores, TCO, donde la mezcla se puede requerir. El material de incrustación también puede rellenar los espacios entre las nanopartículas 1.
El propósito de la cubierta externa es simplemente organizar la distribución y/o la adherencia de las nanopartículas 1 en el ambiente local, y puede ser posible y/o sensible eliminar química o físicamente las partes de esta cubierta que no se requieren más. Las cubiertas externas se pueden fusionar llevando a cabo una reacción específica. A través de tal proceso de fusión se mejora la incrustación, particularmente de los núcleos en un ambiente relativamente homogéneo o uniforme. Si la cubierta externa consiste en un semiconductor fotoactivo, la fusión de estas cubiertas puede conducir por lo menos a una superficie de contacto más grande y posiblemente a la formación de una capa semiconductora completa. Por lo tanto, a través de la reducción en las interfaces y las trayectorias posibles más largas, se mejora considerablemente la conductividad para los pares de orificios de electrones producidos.
Los parámetros de optimización para la primera cubierta 5 y/o para la segunda cubierta 7 se proporcionan, por ejemplo, a partir de las propiedades individuales del núcleo 3 y la primera cubierta 5 y/o de la segunda cubierta 7 que resultan de la suma de las propiedades macroscópicas se observan completamente diferentes del núcleo 3, la primera cubierta 5 o la segunda cubierta 7 individuales. Una propiedad óptica es, por ejemplo, que la primera cubierta 5 o la segunda cubierta 7 tengan un índice refractario más alto que las capas circundantes. Con la luz incidente oblicua, la luz emigra a través de la cubierta e interactúa varias veces con las nanopartículas 1.
Finalmente, los cambios a la forma y al tamaño pueden amplificar preferiblemente diferentes intervalos de frecuencia.
En otras formas de la modalidad, en adición a la cubierta dieléctrica, las nanopartículas 1 también tienen una cubierta conductora la cual produce un contacto conductor entre las capas y permite la conducción de los portadores de carga. Esto es de interés particular si las nanopartículas 1 se rodean con una capa fotoactiva semiconductora en la cual se producen portadores de carga. Para asegurar la función técnica éstos se deben separar rápidamente y conducirse lejos de modo que no se recombinen. Esto podría ocurrir aunque una capa de TCO sea insertada debajo de la capa semiconductora y de los portadores de carga que se eliminan a través del lado interno de las nanopartículas 1. Alternativamente o en adición a las capas TCO, se pueden aplicar en el exterior alrededor del semiconductor. En este caso las cargas también se pueden eliminar alrededor del exterior. Es importante que la mezcla, las conductividades y la transición a pn se ajusten correctamente. Tal ajuste es conocido para un experto en la técnica y no es parte de la invención.
En las formas de la modalidad en las cuales la capa TCO se ubica debajo del semiconductor, los contactos eléctricos adicionales se pueden crear para conducir los electrones desde la capa TCO al exterior.
Si la cubierta exterior de una nanopartícula 1 no se requiere para la operación de una celda solar, por ejemplo, sirve únicamente para distribuir las nanopartículas por medio de un efecto adhesivo, ésta cubierta se puede eliminar después de distribuir las nanopartículas 1. Lista de referencia 1 nanopartícula 3 núcleo 5 primera cubierta 7 segunda cubierta 9 primera capa de conexión 10 segunda capa de conexión 100 celda solar

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Una nanopartícula para un sistema de energía solar para aumentar el aprovechamiento de luz, con un núcleo seleccionado del material que comprende metales, aleaciones de metal, semiconductores, metales eléctricamente no conductores, compuestos eléctricamente conductores y mezclas de los mismos, caracterizada en que por lo menos una primera cubierta (5) se coloca alrededor del núcleo (3).
2. Una nanopartícula de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada en que se coloca alrededor del núcleo (3) donde hay por lo menos una segunda cubierta (7) a una mayor distancia del núcleo (3) que de por lo menos una primera cubierta (5).
3. Una nanopartícula de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizada en que una primera capa de conexión (9) se coloca entre el núcleo (3) y la primera cubierta (5).
4. Una nanopartícula de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, caracterizada en que una segunda capa de conexión (11) se coloca entre la primera cubierta (5) y la segunda cubierta (7).
5. Una nanopartícula de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada en que por lo menos una primera cubierta (5) es una cubierta dieléctrica.
6. Una nanopartícula de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizada en que por lo menos una segunda cubierta (7) es una cubierta dieléctrica.
7. Una nanopartícula de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizada en que por lo menos una segunda cubierta (7) es una cubierta semiconductora.
8. Una nanopartícula de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizada en que por lo menos una segunda cubierta (7) es una cubierta semiconductora.
9. Una nanopartícula de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada en que por lo menos una segunda cubierta (7) es un semiconductor activo, como, por ejemplo, CIGS.
10. Una nanopartícula de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, caracterizada en que por lo menos una segunda cubierta (7) tiene un efecto adhesivo para adherir a sus alrededores.
11. Una celda solar con por lo menos una nanopartícula de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
12. Una celda solar de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizada en que una pluralidad de nanopartículas (1) se coloca en la capa semiconductora.
13. Una celda solar de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada en que la pluralidad de nanopartículas (1) se coloca de una manera tal que por lo menos algunas de las nanopartículas (1) están en contacto entre sí con la primera o con la segunda cubierta (5, 7).
14. Una celda solar de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizada en que al entrar en contacto con la primera o la segunda cubierta (5, 7) de las nanopartículas (1) forma las capas semiconductoras.
MX2014000261A 2011-06-30 2012-06-28 Nanoparticulas para una planta solar y una celda solar que contiene tales nanoparticulas. MX2014000261A (es)

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