ES2263456T3 - Metodo de formacion de interconexiones en dispositivos multicelda fotoelectroquimicos fotovoltaicos regenerativos. - Google Patents
Metodo de formacion de interconexiones en dispositivos multicelda fotoelectroquimicos fotovoltaicos regenerativos.Info
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Abstract
Un dispositivo fotoelectroquímico fotovoltaico regenerativo que comprende dos o más celdas fotoelectroquímicas laminadas entre dos sustratos (1, 12), con conductores eléctricos opuestos (2, 11) soportados sobre las superficies internas de dichos sustratos, donde al menos un conductor y su sustrato adyacente es sustancialmente transparente a luz visible, y donde cada uno de dichos conductores sobre cada sustrato se divide en regiones eléctricamente aisladas, estando formada cada una de dichas celdas entre partes de dos regiones de dichos conductores planos opuestos y comprendiendo cada una de dichas celdas: un fotoánodo (3), un cátodo (11) y un medio electrolito (5) localizado entre dicho fotoánodo y dicho cátodo, y dichas celdas adyacentes fotoelectroquímicas están eléctricamente interconectadas en serie mediante un material eléctricamente interconector que comprende partículas conductoras (6), donde dichas partículas eléctricamente conductoras incluyen partículas de dimensiones de aproximadamente la distancia entre dichos conductores opuestos.
Description
Métodos de formación de interconexiones en
dispositivos multicelda fotoelectroquímicos fotovoltaicos
regenerativos.
Esta invención se refiere a dispositivos
multicelda fotoelectroquímicos fotovoltaicos regenerativos (RPEC),
a materiales y a métodos usados para conexiones internas
eléctricamente conductoras (denominadas en este documento
"interconexiones") para dichos dispositivos y a materiales y
métodos usados para dividir capas eléctricamente conductoras dentro
de dichos dispositivos.
Se describen ejemplos de celdas RPEC del tipo
referido en las siguientes patentes de Estados Unidos:
4927721, Photoelectrochemical cell; Michael
Graetzel and Paul Liska, 1990.
5350644, Photovoltaic cells; Michael Graetzel,
Mohammad K Nazeeruddin and Brian O'Regan, 1994.
5525440, Method of manufacture of
photoelectrochemical cell and a cell made by this method; Andreas
Kay, Michael Graetzel and Brian O'Regan, 1996.
5728487, Photoelectrochemical cell and
electrolyte for this cell; Michael Graetzel, Yordan Athanassov and
Pierre Bonhote, 1998.
El documento DE 4306904 describe un dispositivo
fotoelectroquímico que comprende una pluralidad de celdas,
conectadas en serie, mediante un material que comprende un polvo
metálico y un aglutinante de resina.
Las celdas fotoelectroquímicas PV, como las del
tipo descrito en las patentes anteriores, pueden fabricarse en una
disposición laminada entre dos sustratos de gran área sin un gasto
excesivo. Una disposición típica utiliza recubrimientos
eléctricamente conductores sobre las superficies internas de dichos
sustratos, siendo al menos uno de dichos sustratos transparente a la
luz visible (por ejemplo, compuesto por vidrio o plásticos) y
recubierto con un conductor de electrones transparentes (TEC). Sin
embargo, dichos recubrimientos TEC, que normalmente comprenden un
óxido u óxidos metálicos, tienen alta resistividad cuando se
comparan con conductores metálicos normales, dando como resultado
altas pérdidas de resistividad para las celdas RPEC de gran área.
Además, las celdas RPEC individuales generan una tensión que es
inadecuada para muchas aplicaciones. Múltiples celdas RPEC
(denominado en este documento "módulos RPEC") conectadas en
serie generarán altas tensiones y minimizarán la corriente total,
minimizando de esta manera la pérdida de potencia debido a la
resistencia de dicho recubrimiento o recubrimientos TEC. La conexión
en serie externa de las celdas RPEC puede aumentar los costes de
fabricación e introducir pérdidas de resistividad adicionales. Para
posibilitar una conexión en serie interna de celdas RPEC adyacentes,
las áreas seleccionadas de dichos recubrimientos conductores deben
aislarse eléctricamente, las porciones de dichas áreas deben
solaparse cuando se laminan, deben usarse interconexiones para
conectar dichas áreas solapadas y deben usarse barreras impermeables
al electrolito para separar el electrolito de las celdas
individuales.
Preferiblemente la presente invención
proporciona materiales y métodos para interconexiones para usar con
módulos RPEC que solucionan las desventajas mencionadas en la
técnica.
La presente invención proporciona un dispositivo
fotoelectroquímico fotovoltaico regenerativo de acuerdo con la
reivindicación 1 que comprende dos o más celdas fotoelectroquímicas
laminadas entre dos sustratos (1, 12), con conductores eléctricos
opuestos (2, 11) soportados sobre la superficies internas de dichos
sustratos, donde al menos un conductor y su sustrato adyacente es
sustancialmente transparente a la luz visible y donde cada uno de
dichos conductores sobre cada sustrato se divide en regiones
eléctricamente aisladas estando formada cada una de dichas celdas
entre las partes de dos regiones de dichos conductores planos
opuestos y comprendiendo cada una de dichas celdas: un fotoánodo
(3), un cátodo (11) y un medio electrolito (5), localizado
entre dicho fotoánodo y dicho cátodo, donde dichas celdas
fotoelectroquímicas adyacentes están eléctricamente interconectadas
en serie mediante un material eléctricamente interconector que
comprende partículas conductoras (6).
Obsérvese que las interconexiones que se usan
con los módulos RPEC preferiblemente no necesitan tener
conductividades que se aproximen a las de los metales, porque la
interconexión se realiza a lo largo de toda la longitud de cada
celda y, además, la longitud de la trayectoria de conducción
normalmente es de solo 30 \mum-50 \mum, que es
la distancia entre los recubrimientos eléctricamente conductores
opuestos. Por lo tanto, se ha descubierto que pueden prepararse
módulos RPEC eficaces y satisfactorios con interconexiones que
tienen resistividad general menor de 20 ohmios cm.
\newpage
En una realización, esta invención implica el
uso de un material compuesto mejorado tal como tales interconexiones
que puedan depositarse como una tira fina de líquido o pasta, de
manera que dicha tira se adapta para conectar dichas áreas solapadas
de recubrimientos conductores y después se cura (por ejemplo, se
reticula), se termoestabiliza, se seca, se sinteriza o se procesa de
otra manera para formar un conductor electrónico entre dichos
recubrimientos conductores después de que dichos sustratos opuestos
se hayan ensamblado. Aunque dicho material compuesto puede
depositarse mediante proyección convencional o impresión con
plantilla, este proceso puede provocar daño a los electrodos
depositados anteriormente. En una realización preferida de la
invención, el material compuesto se deposita como una tira fina de
líquido o pasta desde una boquilla, donde dicha boquilla o sustrato
o ambos se mueven para realizar dichas deposición. El material
compuesto comprende preferiblemente partículas eléctricamente
conductoras embebidas en una matriz polimérica. En una realización
preferida de la invención, la proporción relativa en volumen de
partículas conductoras a material de matriz en dichas
interconexiones es preferiblemente entre 1:5 y 2:1, siendo
preferidas las altas concentraciones de partículas conductoras.
En una realización preferida de la invención,
dicha interconexión puede ser sustancialmente impermeable a y no
reactiva para el electrolito de las celdas RPEC, realizando de esta
manera también la función de una barrera impermeable a electrolito.
En otra realización preferida de la invención, la interconexión
puede no ser reactiva para, aunque no sustancialmente impermeable a,
el electrolito de las celdas RPEC. En esta realización preferida de
la invención, se usa una barrera impermeable a electrolito
localizada al lado de la interconexión para separar el electrolito
de las celdas individuales. En esta realización preferida de la
invención, dichas partículas conductoras y dicha matriz polimérica
de dicha interconexión pueden seleccionarse entre un amplio
intervalo de materiales debido a unas necesidades de permeabilidad
química menos rigurosas. En otra realización preferida de la
invención, la interconexión está químicamente aislada del
electrolito de las celdas RPEC mediante barreras impermeables a
electrolito en ambos lados de la interconexión. En esta realización
preferida de la invención, dichas partículas conductoras y dicha
matriz polimérica de dicha interconexión pueden seleccionarse entre
un amplio intervalo de materiales debido a las necesidades de
reactividad química menos rigurosas. Dichas barreras impermeables
pueden ser eléctricamente conductoras o no conductoras y pueden
estar compuestas por cualquier material adecuado incluyendo, aunque
sin limitación, siliconas, epoxis, poliésteres, poliolefinas,
acrílicos, ormóceros y termoplásticos. Dichas barreras impermeables
pueden depositarse en forma de tiras finas de líquido o pasta. Es
preferible que dichas barreras impermeables se
co-depositen con dichas interconexiones en boquillas
separadas montadas al lado de la boquilla en la cual se deposita la
interconexión. En otra realización preferida de la invención, la
interconexión comprende dicho material compuesto con una tira muy
fina de polímero conductor localizado entre dicho material
compuesto y uno o ambos de dichos recubrimientos conductores. En
esta realización preferida de la invención, dicha tira o tiras muy
finas de polímero conductor proporcionan conductividad eléctrica
mejorada entre dicho material compuesto y dicho recubrimiento o
recubrimientos conductores. En esta realización preferida de la
invención, dicha tira o tiras muy finas de polímero conductor pueden
contener polipirroles, polianalinas, 3,4-etilen
dioxitiofenos y similares y se deposita preferiblemente en una
boquilla como se ha descrito anteriormente.
La matriz polimérica de la interconexión puede
ser eléctricamente conductora (por ejemplo, puede contener
polipirroles, polianalinas, 3,4-etilen dioxitiofenos
y similares) o puede ser eléctricamente aislante (por ejemplo,
conteniendo siliconas, epoxis, poliésteres, poliolefinas, acrílicos,
ormóceros, termoplásticos). Los materiales adecuados para partículas
conductoras pueden incluir, aunque sin limitación, conductores
metálicos tales como materiales metálicos (por ejemplo, volframio,
titanio y platino) en la forma de partículas y/o perlas metálicas,
y conductores no metálicos tales como carbono, cerámicos (por
ejemplo, óxido de indio y estaño, dióxido de rutenio, estannato de
cadmio y óxido estánnico dopado con flúor) y polímeros conductores
(por ejemplo polipirroles, polianalinas, 3,4-etilen
dioxitiofenos y similares, que pueden formarse como partículas a
partir de una solución o formarse a granel y reducir al tamaño).
En la invención se incluyen partículas
conductoras de dimensiones de aproximadamente la distancia entre los
recubrimientos opuestos eléctricamente conductores. En una
realización preferida de la invención, se incluyen adicionalmente
partículas conductoras de dimensiones menores que dicha distancia y
preferiblemente de dimensiones menores del 5% de dicha distancia. En
otra realización preferida más de la invención, las partículas
conductoras son de una mezcla de tamaños, donde algunas de dichas
partículas tienen dimensiones de aproximadamente la distancia y
otras de dichas partículas tienen dimensiones menores que dicha
distancia y preferiblemente tienen dimensiones menores del 5% de
dicha distancia. En otra realización preferida más de la invención,
las partículas conductoras son de una mezcla de tamaños, donde
algunas de dichas partículas, que comprenden al menos el 20% del
peso total de dichas partículas, tienen dimensiones de
aproximadamente dicha distancia y otras de dichas partículas tienen
dimensiones menores que dicha distancia y preferiblemente tienen
dimensiones menores del 5% de dicha distancia. En otra realización
preferida adicional de la invención, las partículas conductoras son
de una mezcla de tamaños, donde algunas de dichas partículas tienen
dimensiones de aproximadamente dicha distancia y otras de dichas
partículas, que comprenden al menos el 20% del peso total de dichas
partículas, tienen dimensiones menores que dicha distancia y
preferiblemente tienen dimensiones menores que el 5% de dicha
distancia. En otra realización preferida más de la invención, las
partículas conductoras son de una mezcla de tamaños, donde algunas
de dichas partículas tienen dimensiones de aproximadamente dicha
distancia, otras de dichas partículas tienen dimensiones menores que
dicha distancia y preferiblemente tienen dimensiones menores del 5%
de dicha distancia y otras partículas más tienen dimensiones menores
que dicha distancia y mayores del 5% de dicha distancia. Ciertas
fuerzas mecánicas tales como la carga eólica, pueden provocar que
ocurra un cortocircuito entre los electrodos laminados en algunos
diseños de módulo de RPEC. Es una característica de esta invención,
que las interconexiones que contienen partículas conductoras de
dimensiones aproximadamente o cerca de dicha distancia entre dichos
recubrimientos opuestos eléctricamente conductores pueden evitar o
minimizar la aparición de dichos cortocircuitos durante dicha carga
mecánica.
Habiendo descrito ampliamente la naturaleza de
la presente invención, las realizaciones de la misma se describirán
ahora únicamente a modo de ejemplo e ilustración. En la siguiente
descripción, se hará referencia a los dibujos adjuntos en los
que:
La Figura 1 es una sección transversal parcial
agrandada de la región que rodea a la interconexión dentro de un
módulo RPEC formado de acuerdo con un ejemplo de la invención.
La Figura 2 es una representación perspectiva de
un diagrama de un módulo RPEC formado de acuerdo con el ejemplo
anterior de la invención.
La Figura 3 es una sección transversal parcial
agrandada de la región que rodea a una interconexión dentro de un
módulo RPEC formado de acuerdo con un ejemplo adicional de la
invención.
Haciendo referencia a la Figura 1, esta porción
del módulo RPEC comprende dos sustratos de vidrio (1, 12), estando
ambos recubiertos con un recubrimiento conductor de electrones
transparente (TEC) (2, 11). Las capas TEC se aíslan selectivamente
(3, 10) para separar eléctricamente cada celda individual. El cátodo
comprende un electrocatalizador de platino (4) unido a un
recubrimiento TEC (2), el fotoánodo comprende titania activada con
colorante de rutenio (9) unida al otro recubrimiento TEC (11) y un
electrolito (5) que contiene un mediador rédox se localiza entre el
cátodo y el fotoánodo. Todos los materiales mencionados
anteriormente se describen con más detalle en la Patente de Estados
Unidos Nº 5350644. La interconexión está compuesta por dos
partículas eléctricamente conductoras diferentes, titanio de 45
\mum (6) y volframio de 0,5 \mum (7), embebidas dentro de una
matriz de silicona polimérica (8) en proporciones en peso de 1 a 10
a 4 respectivamente.
Haciendo referencia a la Figura 2, este diagrama
de un módulo RPEC comprende dos sustratos de vidrio (1, 12),
recubiertos ambos con un recubrimiento conductor de electrones
transparente (TEC) (2, 11). El cátodo comprende un
electrocatalizador de platino (4) unido a un recubrimiento TEC (2).
El fotoánodo comprende titania activada con colorante de rutenio (9)
unida al otro recubrimiento TEC (11). Se muestran también la
interconexión (13) y las tiras donde el recubrimiento TEC se ha
retirado (3, 10).
Haciendo referencia a la Figura 3, se ilustra un
ejemplo adicional de un módulo RPEC formado de acuerdo con la
presente invención. Se han usado los mismos números de referencia
que en la Figura 3 para los mismos componentes designados en la
Figura 1 y no se dará una descripción adicional de estos
componentes. Los números de referencia (14) designan capas
protectoras que forman barreras impermeables a electrolito para
separar el electrolito (5) de las celdas individuales.
Claims (16)
1. Un dispositivo fotoelectroquímico
fotovoltaico regenerativo que comprende dos o más celdas
fotoelectroquímicas laminadas entre dos sustratos (1, 12), con
conductores eléctricos opuestos (2, 11) soportados sobre las
superficies internas de dichos sustratos, donde al menos un
conductor y su sustrato adyacente es sustancialmente transparente a
luz visible, y donde cada uno de dichos conductores sobre cada
sustrato se divide en regiones eléctricamente aisladas, estando
formada cada una de dichas celdas entre partes de dos regiones de
dichos conductores planos opuestos y comprendiendo cada una de
dichas celdas: un fotoánodo (3), un cátodo (11) y un medio
electrolito (5) localizado entre dicho fotoánodo y dicho cátodo, y
dichas celdas adyacentes fotoelectroquímicas están eléctricamente
interconectadas en serie mediante un material eléctricamente
interconector que comprende partículas conductoras (6), donde dichas
partículas eléctricamente conductoras incluyen partículas de
dimensiones de aproximadamente la distancia entre dichos
conductores opuestos.
2. El dispositivo fotoelectroquímico de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que las partículas
conductoras se sitúan entre una parte separada de la región y de
dicho conductor adyacente, dicho fotoánodo de dicha enésima celda y
una parte separada de la región de dicho conductor opuesto adyacente
a dicho cátodo de dicha enésima celda.
3. El dispositivo fotoelectroquímico de
acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las
conexiones eléctricas externas se preparan para dicho dispositivo
mediante contactos eléctricos (7) colocados sobre una parte separada
de la región de dicho conductor adyacente a dicho cátodo de dicha
primera celda y sobre una parte separada de la región de dicho
conductor adyacente a dicho fotoánodo de la última de dichas
celdas.
4. El dispositivo fotoelectroquímico de
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho
material eléctricamente interconector está compuestos por partículas
conductoras contenidas dentro de una matriz.
5. El dispositivo fotoelectroquímico de
la reivindicación 4, en el que la matriz es una matriz
polimérica.
6. El dispositivo fotoelectroquímico de
una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, donde dichas
partículas eléctricamente conductoras incluyen adicionalmente
partículas de dimensiones menores que la distancia entre dichos
conductores opuestos.
7. El dispositivo fotoelectroquímico de
la reivindicación 6, en el que las partículas eléctricamente
conductoras son de dimensiones menores del 5% de dicha distancias
entre dichos conductores opuestos.
8. El dispositivo fotoelectroquímico de
una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, donde dichas
partículas eléctricamente conductoras son de una mezcla de tamaños,
donde algunas de dichas partículas eléctricamente conductoras tienen
dimensiones de aproximadamente la distancia entre dichos conductores
planos opuestos y otras de dichas partículas eléctricamente
conductoras tienen dimensiones menores que dicha distancia.
9. El dispositivo fotoelectroquímico de
la reivindicación 8, en el que la dimensión de las otras de dichas
partículas eléctricamente conductoras es menor del 5% de la
distancia entre dichos conductores opuestos.
10. El dispositivo fotoelectroquímico de
una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9 en el que dicha matriz
polimérica está total o parcialmente compuesta por uno o más
materiales poliméricos eléctricamente conductores.
11. El dispositivo fotoelectroquímico de
acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el
que las partículas conductoras están hechas de Pt, W, Ti o
carbono.
12. El dispositivo fotoelectroquímico de
acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el
que las partículas conductoras están hechas de óxidos conductores
tales como ITO, óxido de Ru.
13. El dispositivo fotoelectroquímico de
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una
capa adicional de polímero conductor se coloca entre dichas
partículas conductoras y los conductores.
14. El dispositivo fotoelectroquímico de
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el
fotoánodo está compuestos por una capa de semiconductor de hueco de
banda ancha (3) que está activado mediante una capa extremadamente
fina adsorbida de colorante (4) que absorbe una gran fracción de luz
visible.
15. El dispositivo fotoelectroquímico de
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un
material electrocatalíticamente activo (10) se deposita sobre el
cátodo (11).
16. El dispositivo fotoelectroquímico de
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el
medio electrolito (5) contiene mediador rédox.
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