BRPI0721426A2

BRPI0721426A2 - telha de cerÂmica com superfÍcie funcionalizada com cÉlulas fotovoltaicas

Info

Publication number: BRPI0721426A2
Application number: BRPI0721426-0A
Authority: BR
Inventors: Salomoni Arturo; Stamenkovic Ivan; Fazio Sandra
Original assignee: Consorzio Universitario Per La Gestione Del Centro Di Ricerca E Sperimentazione Oer L'industria Ceramica - Centro Ceramico
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2013-01-08
Also published as: WO2008120251A8; AU2007350532A1; CN101755343B; US8367456B2; MX2009010480A; EP2140501A1; JP2010524223A; WO2008120251A1; US20100126564A1; CN101755343A

Abstract

Telha de cerâmica com superficie funcionalizada com células fotovoltaicas. É descrita no presente uma telha (1) composta de: um corpo de base cerâmica (2) que possui uma absorção de água menor ou igual a 0,5% em peso; uma célula fotovoltaica (3) aplicada diretamente a uma primeira superfície (2a) do corpo de base cerâmica (2); um dispositivo que contém a parte elétrica e/ou eletrônica (4), aplicada a uma segunda superfície (2b) do corpo de base cerâmica (2); e um conector elétrico (5), projetado para conectar eletricamente a célula fotovoltaica (3) ao dispositivo que contém a parte elétrica e/ou eletrônica (4) através do corpo de base cerâmica (2).

Description

Telha de cerâmica com superfície funcionalizada com células fotovoltaicas.

CAMPO DA TÉCNICA

A presente invenção refere-se a uma telha de cerâmica com a sua superfície funcionalizada com células fotovoltaicas.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

Com a acentuação dos problemas relacionados a encontrar fontes de energia tradicionais, atenção crescente está sendo dirigida ao estudo da exploração de fontes de energia alternativas, tais como energia solar. Neste particular, há algum tempo vêm sendo produzidos dispositivos que exploram o efeito fotovoltaico e, desta forma, convertem a energia de radiação solar em energia elétrica.

Dispositivos do tipo acima, por conta das suas características técnicas, aparentemente também permitem aplicações interessantes na produção de energia elétrica nos setores de construção pública e privada. DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO O objeto da presente invenção é fornecer telhas cerâmicas

que compreendem células fotovoltaicas sobre as suas superfícies expostas. Desta forma, será possível utilizar as telhas para revestimento de superfícies externas de construções e, ao mesmo tempo, que possuam dispositivos disponíveis capazes de fornecer às próprias construções energia elétrica derivada da conversão de energia solar ou introduzir a mencionada energia na rede de fornecimento de eletricidade.

Forma o objeto da presente invenção uma telha que compreende pelo menos uma célula fotovoltaica, em que a mencionada telha é caracterizada pelo fato de que compreende: um corpo de base cerâmica que possui absorção de água menor ou igual a 0,5% em peso; uma célula fotovoltaica aplicada -25 diretamente a uma primeira superfície do mencionado corpo de base cerâmica; um dispositivo que contém a parte elétrica e/ou eletrônica, aplicada a uma segunda superfície do mencionado corpo de base cerâmica; e um conector elétrico projetado para conexão da mencionada célula fotovoltaica eletricamente ao mencionado dispositivo que contém a parte elétrica e/ou eletrônica através do mencionado corpo de base cerâmica. Segundo uma realização preferida, a célula fotovoltaica

compreende uma camada de material condutor de eletricidade definido diretamente sobre a mencionada primeira superfície do mencionado corpo de base cerâmica, uma série de camadas ativas e uma camada de material condutor de eletricidade com uma estrutura preferencialmente similar a grade; em que a mencionada série de camadas ativas compreende pelo menos, sucessivamente, uma camada de tipo n, uma camada intermediária fotoativa e uma camada de tipo p.

Segundo uma realização preferida adicional, a mencionada célula fotovoltaica compreende uma camada condutora transparente definida entre as mencionadas camadas ativas e a mencionada camada de material condutor de eletricidade com uma estrutura preferencialmente similar a grade. BREVE DESCRIÇÃO DA FIGURA

Os exemplos a seguir são fornecidos como forma de exemplo ilustrativo e não limitador para facilitar uma melhor compreensão da presente invenção com o auxílio da figura anexa, que é uma vista em seção cruzada lateral de um detalhe da telha conforme a presente invenção. MELHOR FORMA DE CONDUÇÃO DA INVENÇÃO

Designado como um todo por 1 na figura, encontra-se a telha que forma o objeto da presente invenção.

A telha 1 compreende um corpo de base cerâmica 2 que possui uma porosidade tal como a definir uma absorção de água menor ou igual a 0,5% em peso, determinada conforme o padrão ISO 10545-3.

A telha 1 compreende: uma célula fotovoltaica 3 aplicada a uma primeira superfície 2a do corpo de base cerâmica 2; um dispositivo 4 que contém a parte elétrica e/ou eletrônica aplicado sobre uma segunda superfície 2b oposta à superfície 2a; e um conector elétrico 5, que é abrigado no interior de um orifício 2c elaborado no corpo de base cerâmica 2 e através do qual conecta eletricamente a célula fotovoltaica 3 ao dispositivo 4. A célula fotovoltaica 3 compreende, sucessivamente: uma

camada de material condutor 6, definida em contato direto com a superfície 2a; um complexo de camadas ativas 7; uma camada de material condutor transparente 8; uma camada preferencialmente em forma de grade de material condutor 9; e uma camada protetora transparente 10. ,25 Particularmente, o complexo de camadas ativas 7

compreende uma camada de tipo η 11, uma camada fotoativa intermediária 12 e uma camada de tipo ρ 13.

A seguir, são fornecidos dois exemplos do processo de produção da telha que forma o objeto da presente invenção. Exemplo 1

A produção do corpo de base cerâmica 2 é obtida por meio de pressão a quente de um pó de cerâmica atomizado tipicamente utilizado para telhas de cerâmica, cuja umidade deve ser compreendida de 3 a 6% em peso. A pressão é conduzida sob pressão de 35 MPa a 60 MPa. A operação de pressão pode utilizar um molde que idealize, sobre a superfície 2b, um recesso de abrigo do dispositivo 4 que contém a parte elétrica e/ou eletrônica.

O corpo de base bruta obtido por meio da operação de pressão é seco e, em seguida, são elaborados um ou mais orifícios 2c, dos quais apenas um é indicado na figura.

O corpo de base processado desta forma é submetido a uma etapa de cozimento sob temperatura máxima de 1100 0C a 1250 °C. Desta forma, é obtido um corpo de base cerâmica 2 com uma porosidade menor ou igual a 0,5% em peso, determinada conforme o padrão ISO 10545-3.

Em seguida, é aplicada, por exemplo, por meio de métodos de serigrafia, sobre a superfície 2a do corpo de base cerâmica 2 uma camada de metal condutor de eletricidade 6. A camada condutora de eletricidade 6 pode consistir de uma camada de metal, tal como Ag ou uma mistura de Ag e Al. A fim de consolidar a mencionada camada metálica e fazer com que ela adquira as propriedades necessárias de condutividade elétrica, o produto semiacabado é submetido a um tratamento térmico apropriado que dependerá do material utilizado. Para pastas serigráficas com base em Ag e com base em Ag-AI, as mencionadas técnicas idealizam uma combinação de resfriamento e aquecimento rápida por que passa o produto semiacabado sob temperatura de 700 0C por cinco minutos ou um tratamento térmico da temperatura ambiente até 700 0C em uma velocidade de aquecimento de 5 a 20 °C/min. A espessura final da camada condutora 6 depositada, após o cozimento, variará de 5 a 20 μηι.

Depositada em seguida sobre a camada condutora 6 por meio de um método de CVD (Deposição de Vapor Químico), preferencialmente um método CVD amplificada por plasma (PECVD), são: uma camada 11 de silício amorfo com aditivo η com espessura de cerca de 30 nm, depositada sob temperatura máxima do substrato de cerca de 210 0C; uma camada fotoativa 12 de silício amorfo intrínseco que possui uma espessura de cerca de 580 nm, depositada sob temperatura máxima do substrato de cerca de 250 0C; e uma camada 13 de silício amorfo com aditivo ρ que ,25 possui uma espessura de cerca de 15 nm, depositada sob temperatura máxima do substrato de cerca de 250 °C.

É depositada sobre a segunda camada 13 de silício amorfo uma camada condutora de eletricidade transparente 8 de óxido de índio e estanho (ITO), oxido de estanho incentivado com flúor (FTO) ou outro óxido metálico transparente. A mencionada deposição pode ser obtida por meio do método de difusão sob temperatura do substrato de cerca de 250 0C para obter uma camada 8 com espessura máxima de cerca de 75 nm.

É depositada sobre a camada condutora de eletricidade transparente 8 uma camada de material condutor de eletricidade 9, tal como prata, preferencialmente em forma de grade. A camada 9 pode ser depositada por meio do método de serigrafia, método de bisturi, impressão a jato de tinta, difusão ou evaporação térmica. Além disso, a camada 9 pode ser consolidada por meio de um tratamento térmico apropriado que dependerá do material utilizado. Neste ponto, um conector condutor 5 do tipo rígido ou elástico é inserido nos orifícios 2c elaborados anteriormente. O conector condutor 5 pode ser fixado ao material cerâmico por meio de materiais especiais para garantir adesão firme.

O conector de um tipo rígido compreende, em uma primeira

extremidade, uma cabeça, que repousa sobre a superfície 2a, onde é soldada à camada de material condutor 6 e pode compreender, em uma segunda extremidade frontal à superfície 2b, um pino soldado com estanho sobre o dispositivo elétrico e/ou eletrônico 4 ou, alternativamente, uma haste rosqueada projetada para fixação ao próprio dispositivo elétrico e/ou eletrônico 4 com porcas, de forma a permitir manutenção conveniente. As conformações específicas do conector 5 são apenas descritas e não ilustradas na figura por motivo de simplicidade.

Utilizado como revestimento da célula fotovoltaica 3, encontra-se uma camada transparente protetora 10, projetada para garantir alta transmissão de radiação solar, resistência à umidade e agentes atmosféricos, estabilidade a raios UV e isolamento elétrico. A camada protetora 10 pode ser constituída por um verniz vítreo de baixa fusão ou, alternativamente, uma camada polimérica com composição apropriada, tal como policarbonato ou polímeros fluoretados (por exemplo, policlorotrifluoroetileno (PCTFE) ou uma combinação de metacrilato de polimetila e fluoreto de polivinila).

Por fim, sobre a superfície 2b, o dispositivo 4 que contém a parte elétrica e/ou eletrônica é fixo ao conector 5 por meio de sua colocação no interior do recesso elaborado no corpo de base cerâmica 2. O dispositivo 4 que contém a parte elétrica e/ou eletrônica é conhecido e não é descrito em detalhes no presente. .25 O dispositivo que contém a parte elétrica e/ou eletrônica 4

pode considerar a característica de componente eletricamente passivo, que possui o objeto de conectar as telhas em série ou em paralelo entre si a fim de elevar a voltagem e a corrente disponível para valores que possam ser manipulados adequadamente por conversores estáticos com potência adequada, que buscam introduzir a energia produzida na rede de fornecimento de eletricidade. Caso contrário, o dispositivo que contém a parte elétrica e/ou eletrônica 4 pode fornecer, utilizando tecnologia MOSFET, a função MPPT (Rastreamento de Ponto de Potência Máximo), ou seja, definir as condições elétricas de fornecimento da potência máxima disponível em função das condições de insolação e conduzi-las em um terminal intermediário com características apropriadas para a sua introdução subsequente na rede de fornecimento de eletricidade e/ou dirigir o uso e/ou utilizar para armazenagem em baterias. Exemplo 2

A telha de cerâmica produzida neste segundo exemplo é diferente da telha produzida conforme o Exemplo 1 com relação à composição do complexo de camadas ativas 7 e sua produção.

Especificamente, o corpo de base proveniente da etapa de cozimento em uma temperatura máxima de 1100 0C a 1250 0C e que compreende a camada condutora 6 é aquecido em seguida a uma temperatura de 450 0C. É depositada sobre ele uma camada 11 com espessura de 70 a 150 nm, preferencialmente 100 nm, de TiO2 compacto por meio de difusão, com uma solução hidroalcoólica, de um precursor de titânio (tal como uma solução de isopropóxido de titânio (IV) ou isopropoxiacetilacetonato de titânio (IV), conforme descrito em Kavan1 L., Gràtzel, M., Highly Efficient Semiconducting TiO2 Photoelectrodes Prepared by Aerosol Pyrolysis, Electroehim. Aeta, 1995, 40, 5, 643-652). O produto semiacabado obtido desta forma é adicionalmente aquecido a 500 cC por cerca de uma hora.

A camada ativa 12, que consiste de uma mistura de pós de TiO2 e CuInS2, é depositada sobre a camada 11 de TiO2 compacto. A camada ativa 12 pode ser composta de uma única camada de uma mistura de pós (constituída, por exemplo, por 50% em peso de TiO2 em pó e 50% de CuInS2 em pó) ou ser constituída por uma série de camadas; por exemplo, três camadas com razões em peso: 70-30/50- 50/30-70, respectivamente, de TiO2 e CuInS2. A camada ativa é depositada preferencialmente por meio de impressão em silk-screen, mas podem também ser utilizados métodos tais como o método de bisturi, impressão a jato de tinta, impressão com rolos de silicone ou difusão. A camada ativa 12 pode ser consolidada por meio de um tratamento térmico apropriado que dependerá das características do material utilizado.

A espessura total da camada (ou do número de camadas) é .25 preferencialmente de 1 a 5 μιη.

É depositada, com os métodos indicados anteriormente, sobre a camada ativa 12, uma camada de CuInS2 puro 13 com espessura de 0,8 a 0,12 Mm, preferencialmente 0,1 Mm.

Neste ponto, a preparação da telha segue com a deposição da camada condutora transparente 8, conforme descrito no Exemplo 1.

Como será óbvio para os técnicos no assunto, a composição específica do complexo de camadas ativas 7 pode diferir da descrita acima. Particularmente, a camada do tipo ρ 13 pode ser elaborada com qualquer composto que possua a fórmula empírica geral (IB) (IIIA) (VIA)2, em que IB designa os elementos Cu, Ag, Au; IIIA designa os elementos Al, Ga, In, Ti; e VIA designa os elementos S, Se, Te.

A presente invenção disponibiliza uma telha com uma base cerâmica capaz de contribuir consideravelmente com a economia de energia, tal como isolando uma construção do ponto de vista térmico e, simultaneamente, convertendo energia solar em energia elétrica.

Além disso, as etapas de produção são concebidas de forma a permitir a sua integração com as tecnologias utilizadas no setor de cerâmica, a fim de otimizar a economia do processo como um todo.

Claims

1. Telha (1) que compreende pelo menos uma célula fotovoltaica, em que a mencionada telha é caracterizada pelo fato de que compreende: um corpo de base cerâmica (2) que possui absorção de água menor ou igual a 0,5% em peso; uma célula fotovoltaica (3), aplicada diretamente sobre uma primeira superfície (2a) do mencionado corpo de base cerâmica (2); um dispositivo que contém a parte elétrica e/ou eletrônica (4) aplicada a uma segunda superfície (2b) do mencionado corpo de base cerâmica (2); e um conector elétrico (5), projetado para conectar a mencionada célula fotovoltaica (3) eletricamente ao mencionado dispositivo que contém a parte elétrica e/ou eletrônica (4) por meio do mencionado corpo de base cerâmica.

2. Telha conforme a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a célula fotovoltaica compreende uma camada de material condutor de eletricidade (6), aplicada diretamente sobre a mencionada primeira superfície (2a) do mencionado suporte de cerâmica (2), uma série de camadas ativas (7) e uma camada de material condutor de eletricidade com uma estrutura preferencialmente similar a grade (9); em que a mencionada série de camadas ativas (7) compreende sucessivamente uma camada de um tipo η (11), uma camada fotoativa (12) e uma camada de tipo ρ (13).

3. Telha conforme a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a mencionada célula fotovoltaica (3) compreende uma camada condutora transparente (8), definida entre as mencionadas camadas ativas (7) e a mencionada camada de material condutor de eletricidade (9).

4. Telha conforme a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a mencionada célula fotovoltaica (3) é revestida, isolada e vedada por uma camada protetora (10) elaborada com um dos materiais compreendidos no grupo composto de esmalte vítreo, policarbonato, polímeros fluoretados, policlorotrifluoroetileno (PCTFE) e uma combinação de metacrilato de polimetila e fluoreto de polivinila.

5. Telha conforme qualquer das reivindicações 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que a camada de material condutor de eletricidade (6) é constituída de Ag ou Ag-Al1 a camada de um tipo η (11) é constituída por silício amorfo com aditivo n, a camada fotoativa (12) é constituída por silício intrínseco, a camada de um tipo ρ (13) é constituída por silício amorfo com aditivo p, a camada condutora transparente (8) é constituída por ITO ou FTO e a camada de material condutor de eletricidade (9) é constituída por Ag.

6. Telha conforme qualquer das reivindicações 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que a camada de material condutora de eletricidade (6) é constituída por um material compreendido no grupo constituído por ITO, ZnO1 Ag, Ag-Al e Mo, a camada de um tipo η (11) é constituída por TiO2 compacto, a camada fotoativa (12) é constituída por uma mistura de TiO2 com um composto da fórmula empírica geral (IIIB) (IVA) (VIA)2, a camada de um tipo ρ (13) é constituída por um composto da fórmula empírica geral (IIIB) (IVA) (VIA)2, a camada condutora transparente (8) é constituída por ITO e a camada de material eletrocondutor (9) é constituída por Ag; em que IB é um dos elementos compreendidos no grupo constituído por Cu1 Ag1 Au; em que IIIA é um dos elementos compreendidos no grupo constituído por Al, Ga, In, TI; e em que VIA é um dos elementos compreendidos no grupo constituído por S, Se, Te.

7. Telha conforme a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o composto da fórmula empírica geral (IIIB) (IVA) (VIA)2 é CuInS2.

8. Método de produção de telhas conforme qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o corpo de base cerâmica (2) é obtido por meio,. sucessivamente, de uma operação de pressão, em que um pó de cerâmica atomizado com umidade de 3% em peso a 6% em peso é submetido a uma operação de pressão sob pressão de 35 a 60 MPa, uma operação de secagem e uma operação de cozimento sob uma temperatura máxima de 1100 a 1250 °C.

9. Método conforme a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa de formação de uma célula fotovoltaica (3) sobre uma superfície (2a) do mencionado corpo de base cerâmica (2); em que a mencionada etapa de formação da célula fotovoltaica (3) compreende uma série de operações de deposição, em que um material previamente formado é depositado para a produção de camadas funcionais correspondentes (6, 8, 9, 11, 12, 13).

10. Método conforme a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que cada uma das mencionadas operações de deposição é obtida por meio de um método compreendido entre impressão de silk-screen, impressão por meio de rolos de silicone, método de bisturi, impressão de jato de tinta ou difusão.

11. Método conforme qualquer das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que as mencionadas operações de deposição das camadas ativas (11, 12, 13) de silício amorfo são obtidas utilizando o método CVD (Deposição de Vapor Químico).

12.

Método conforme a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as mencionadas operações de deposição das camadas ativas (11, 12, 13) de silício amorfo são obtidas por meio do método CVD amplificado por plasma ou CVD de rádio freqüência.