ES2954469T3 - Un dispositivo fotovoltaico y un método para la preparación del mismo - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo fotovoltaico (PV) que comprende un sustrato semitransparente 120 y al menos una célula fotovoltaica (PV) translúcida 100. La celda fotovoltaica 100 comprende una pila 110 de capas dispuestas sobre el sustrato 120, comprendiendo la pila 110: una capa de electrodo frontal 112, una capa de electrodo posterior 113 y una capa fotoactiva 111 entre la capa de electrodo frontal 112 y la capa de electrodo posterior 113 , en donde una de la capa de electrodo frontal 112 y la capa de electrodo posterior 113 constituye un ánodo de la celda PV 100 y la otra constituye un cátodo de la celda PV 100. La pila 110 comprende además aberturas 130 que se extienden a través de al menos la capa de electrodo posterior 113 y al menos parte de la capa fotoactiva 111. Las aberturas 130 contienen un agente funcionalizante 131. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Un dispositivo fotovoltaico y un método para la preparación del mismo
Campo técnico
La presente divulgación se refiere a un dispositivo fotovoltaico (FV) de funcionalidad mejorada y a un método para la preparación del mismo.
Antecedentes
Los dispositivos fotovoltaicos (FV) de película fina son atractivos debido a su alto coeficiente de absorción, altas eficiencias de conversión de potencia, bajo peso y capacidades de producción a alta velocidad.
Las características deseables de estos dispositivos son la semitransparencia o la translucidez, las cuales están relacionadas con el constante aumento del consumo de energía. Los dispositivos FV semitransparentes y translúcidos, especialmente aquellos de bajo peso y preferiblemente flexibles, son adecuados para su aplicación en ventanas y otras superficies transparentes. Por ende, este tipo de dispositivos FV pueden cubrir no sólo las superficies opacas (como techos o paredes), sino que pueden tomar la forma de paredes de vidrio de edificios, pegatinas para las ventanillas y carrocerías de coches, así como formas de carcasas para teléfonos móviles, tabletas, ordenadores portátiles, así como otros dispositivos electrónicos.
Se sabe que la semitransparencia/translucidez de los dispositivos FV se obtiene mediante tres métodos diferentes. El primer método implica el uso de materiales semitransparentes, proporcionando así semitransparencia del dispositivo. El segundo método consiste en el uso de materiales opacos (no transparentes), tales como metales, para las respectivas capas del dispositivo FV, seguido de la eliminación parcial del material opaco formando así huecos transparentes que permiten que la luz pase a través del dispositivo. La eliminación suele realizarse mediante lavado mecánico o ablación con láser. El tercer método consiste en depositar rejillas metálicas sobre una capa de polímero conductor que proporciona translucidez. La deposición se realiza mediante diferentes técnicas de impresión como chorro de tinta, serigrafía, etc. Los dispositivos FV obtenidos mediante el primer método suelen denominarse semitransparentes, mientras que los obtenidos por el segundo y tercer método se denominan translúcidos.
Se conocen diversas células FV y módulos FV que comprenden una pluralidad de células FV que son translúcidas debido a las aberturas transmisoras de luz formadas dentro del material de células FV.
Por ejemplo, una publicación de patente estadounidense US9257592 describe un dispositivo fotovoltaico que comprende una pluralidad de aberturas transmisoras de luz. El dispositivo comprende un sustrato, una primera capa de electrodo, una capa fotoconductora y una segunda capa de electrodo. Las primeras aberturas transmisoras de luz están formadas en la segunda capa de electrodo, mientras que las aberturas se extienden además en una dirección de profundidad hasta la capa fotoconductora para formar una pluralidad de segundas aberturas transmisoras de luz correspondientes a las primeras aberturas transmisoras de luz. Un área proyectada de cada una de las segundas aberturas transmisoras de luz es más pequeña que la de una primera abertura transmisora de luz correspondiente. La diferencia en la dimensión de las áreas de las primeras y segundas aberturas luminotransmisibles abastece la eliminación de los cortocircuitos. No obstante, el método presentado implica un método láser complejo de múltiples etapas para formar por separado una primera y segunda aberturas transmisoras de luz.
Los módulos FV que consisten en células FV que tienen una pluralidad de aberturas están sellados además mediante un material sellador que forma una capa plana más externa que cubre las capas externas del módulo FV, protegiendo así las capas de trabajo FV contra la difusión de impurezas ambientales, así como el vapor de agua y oxígeno. La capa de sellado más exterior cubre también las aberturas transmisoras de luz desde su parte superior, dejando vacío el interior de las aberturas.
También se conocen diversos enfoques destinados a mejorar la funcionalidad de las células FV. Uno de ellos es colorear los dispositivos de células FV para proporcionar un efecto estético que sea visible para los usuarios. Esto es especialmente ventajoso cuando los dispositivos FV se aplican en ventanas y/o fachadas de edificios.
Una publicación "Light Management with Patterned Micro- and Nanostructure Arrays for Photocatalysis, Photovoltaics, and Optoelectronic and Optical Devices", Wenhui Wang y Limin Qi, Adv. Funct. Mater. 2019, 1807275, DOI: 10.1002/adfm.201807275, describe un método para la fabricación de matrices de micro y nanoestructuras en patrones que exhiben una gestión eficiente de la luz. El método descrito permite obtener reflectancia óptica sintonizable ajustando la característica de la superficie de las películas de perovskita, en concreto, nanoestructuras en forma de cuencos. Estas estructuras se pueden utilizar para la preparación de células solares coloridas de perovskita.
Una publicación de patente estadounidense US2019/088417 describe un dispositivo convertidor fotoeléctrico de arquitectura en capas. El dispositivo tiene cavidades, teniendo cada cavidad un diámetro que disminuye desde el contraelectrodo hasta el sustrato, de forma que dicha cavidad tenga un área de abertura mayor en dicho contraelectrodo que en dicha capa activa. La presencia de dichas cavidades es consecuencia de defectos que se producen en el material de las respectivas capas del convertidor fotoeléctrico. En concreto, las cavidades se forman solo en los puntos defectuosos - para eliminar los defectos, por ejemplo, despegando o succionando los defectos junto con sus periféricos. El documento US2019/088417 describe también que antes de la eliminación, las posiciones de los defectos se determinan por medio de una unidad de determinación de la posición de los defectos -una cámara CCD equipada con lentes. De esta manera, la aparición aleatoria de las cavidades creadas (en los puntos defectuosos) es una característica inherente del convertidor fotoeléctrico del documento US2019/088417. Como se desprende de la literatura citada anteriormente, la funcionalización de los dispositivos FV de perovskita se desarrolla constantemente con el objetivo de mejorar la funcionalidad de los dispositivos FV, incluyendo translucidez y variedad de colores, manteniendo el rendimiento deseado o incluso más preferiblemente, proporcionando un rendimiento mejorado del dispositivo FV.
Por lo tanto, el objetivo de la presente divulgación es proporcionar una funcionalidad mejorada del dispositivo FV que incluye, aunque no de forma limitativa, semitransparencia y variedad de colores. Otro objetivo de la presente divulgación es proporcionar un método para preparar el dispositivo FV que presenta una funcionalidad mejorada. Sumario de la divulgación
Se presenta un dispositivo fotovoltaico (FV) y un método para preparar un dispositivo FV de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
El objeto de la presente divulgación se muestra mediante ejemplos de realización en un dibujo, en donde:
las Figuras 1A, 1B, 1F son una representación esquemática de una vista en sección transversal que muestra los elementos principales de una célula FV de un dispositivo FV que no se reivindica;
las Figuras 1C, 1D, 1E son una representación esquemática de una vista en sección transversal que muestra los elementos principales de una célula FV de la invención de un dispositivo FV de acuerdo con diversas realizaciones de la presente divulgación;
las Figuras 2A, 2B muestran un dispositivo FV translúcido, que no se reivindica, que comprende dos células solares FV mostradas en una vista general y en dos vistas en sección transversal: A-A, B-B;
la Figura 3 muestra una fotografía FIB-SEM de una abertura antes de introducir un agente funcionalizante; la Figura 4A muestra una fotografía de cuatro composiciones del agente funcionalizante en forma de tintas; la Figura 4B muestra una fotografía de un dispositivo FV que comprende una célula FV que tiene aberturas cargadas con el agente funcionalizante en forma de tinta verde.
Descripción detallada
Un dispositivo FV de acuerdo con la presente divulgación comprende al menos una célula FV, y preferiblemente una pluralidad de células FV, con aberturas formadas en su interior.
Las aberturas están cargadas con al menos un tipo de agente funcionalizante, que puede ser una sustancia de un solo compuesto o una sustancia de múltiples compuestos que comprende uno o más ingredientes funcionalizantes. El agente funcionalizante proporciona una funcionalidad mejorada del dispositivo FV. Dependiendo de sus características químicas, el agente funcionalizante puede proporcionar al menos uno de los siguientes: estabilidad mejorada del dispositivo FV, aspecto estético mejorado del dispositivo FV, gestión de luz mejorada del dispositivo FV, así como otras mejoras que se describen en detalle a continuación.
Como se muestra en las Figuras 1C, 1D, 1E, (en donde las Figuras 1A, 1B, 1F, 2A, 2B son para fines ilustrativos) el dispositivo FV de la presente divulgación comprende un sustrato translúcido o semitranslúcido 120 a través del cual puede pasar la luz, para que la luz pueda llegar a la capa fotoactiva del dispositivo FV. Preferiblemente, el sustrato 120 es una lámina fina flexible o una lámina flexible, preferiblemente de plástico, tal como PET, (tereftalato de polietileno) de modo que el sustrato 120 pueda deformarse fácilmente de forma reversible, proporcionando la flexibilidad del dispositivo FV. El sustrato 120 puede ser una lámina, tal como una lámina de PET, ETFE (etileno tetrafluoroetileno), PI (poliimida), PEEK (poliéter éter cetona), PES (polietersulfona) o PEN (naftalato de polietileno). Es más, la lámina puede ser una lámina de barrera que comprende capas de óxido metálico, que presenta una transmisión de vapor limitada y, por ende, protege las capas de trabajo del dispositivo FV contra agua y gases, limitando así el deterioro de las características del dispositivo FV durante su explotación.
No obstante, dependiendo de las necesidades, el sustrato 120 puede estar en forma de material grueso y/o duradero y/o rígido tal como, por ejemplo, una placa de vidrio. Asimismo, el sustrato puede tener la forma de un laminado translúcido, tal como vidrio laminado. De acuerdo con la presente divulgación, se pueden usar diversos materiales para el sustrato 120, siempre que el sustrato 120 permita que la luz lo atraviese.
El dispositivo FV comprende además al menos una célula FV 100. La parte principal de la célula FV se muestra esquemáticamente en una vista en sección transversal en las Figuras 1A-1F.
La célula FV comprende una pila de capas 110, que son las capas de trabajo del dispositivo FV. La pila 110 de capas comprende:
- una capa de electrodo frontal 112 hecha de un material semitransparente, por ende capaz de transmitir la luz a la capa fotoactiva 111,
- una capa de electrodo posterior 113 y
- una capa fotoactiva 111 entre la capa de electrodo frontal 112 y la capa de electrodo posterior 113.
Dentro de la capa fotoactiva, los fotones de luz son absorbidos y convertidos en un par de cargas: un electrón y un hueco. Estas cargas se propagan a la capa de electrodo posterior 113 y a la capa de electrodo frontal 112, respectivamente.
La capa de electrodo frontal 112 puede estar hecha de cualquier material adecuado para el electrodo del dispositivo FV, que es al menos parcialmente transparente a la luz. Por ejemplo, la capa de electrodo frontal puede comprender al menos un material seleccionado del grupo que consiste en AZO (óxido de zinc dopado con aluminio), FTO (óxido de flúor y estaño), ITO (óxido de indio y estaño), IZO (óxido de indio y zinc), etc. El espesor de la capa del electrodo frontal puede variar, preferiblemente oscilando entre 10 nm y 10 μm.
La capa fotoactiva 111 comprende cualquier material de perovskita adecuado. Los materiales de perovskita preferidos para la capa de perovskita 111 incluyen la estructura de perovskita ABX3 tridimensional, que consiste en una red de octaedro BX 6 que comparte esquinas, donde el átomo de B es un catión metálico divalente (normalmente Ge2+, Sn2+ o Pb2+) y X es un anión monovalente (normalmente Cl-, Br, I-); se selecciona el catión A para equilibrar la carga total y puede ser un Cs+ o una pequeña especie molecular. Otro tipo es la perovskita bidimensional que se puede clasificar en tipo Ruddlesden-Popper y Dion-Jacobson, con una estructura: R2An-1 BnX3n+1 donde R es un catión orgánico voluminoso. Feniletilamonio (PEA+) y butilamonio (BA+), son el catión R más utilizado.
La capa de electrodo posterior 113 puede tener una estructura de una sola capa o una estructura de múltiples capas. La capa de electrodo posterior 113 puede ser transparente u opaca. La capa de electrodo posterior 113 está hecha de carbono.
El uso de una capa de electrodo posterior de carbono 113 es particularmente ventajoso, porque proporciona una alta estabilidad (no reacciona a los iones migrados de la capa de provskita), bajo coste, baja temperatura y puede procesarse en solución, se puede depositar mediante técnicas de deposición convencionales, tales como serigrafía o revestimiento con cuchilla, que facilitan su ampliación.
La capa de electrodo posterior de carbono 113 puede comprender carbono en forma de negro de humo y grafito (y posiblemente aditivos inorgánicos adicionales para mejorar el rendimiento). La capa de carbono puede ser flexible debido a los aglutinantes poliméricos que unen el negro de humo y las escamas de grafito conductor. Es más, la capa puede ser fina, aproximadamente 20 micrómetros. Para formar la capa de electrodo posterior de carbono 113, el material de carbono se puede suministrar en forma de una pasta. La capa de carbono 113 se puede formar aplicando la pasta de carbono como deposición de contacto posterior. Los ingredientes básicos de la pasta son negro de carbono, grafito, aglutinantes poliméricos y sistema disolvente compatible con perovskita.
Por ejemplo, se puede utilizar una pasta de carbono tal como se menciona en el documento de patente CN104966548, que tiene un sistema disolvente: isopropanol, acetato de etilo y clorobenceno. Se utiliza resina acrílica y etilcelulosa como aglutinantes para la suspensión, se utiliza grafito en escamas como relleno conductor, se utiliza polvo de nanocarbono como catalizador y se utiliza ZrO.2 o NiO como aditivos inorgánicos.
La pasta de carbono se puede depositar en la pila de dispositivos utilizando una impresora de pantalla semiautomática. Para el proceso de impresión se puede seleccionar una malla con un tamaño de malla de poliéster de 6,14-9,84 hilos/mm (156-250 hilos/pulg.) y una tensión de malla >25 N/cm. Después del proceso de deposición, las capas se pueden recocer mediante un emisor de infrarrojos para eliminar los disolventes y aumentar la conductividad.
El dispositivo FV, que comprende la capa de electrodo posterior 113 y el sustrato flexible 120, preferiblemente un sustrato de lámina, tal como, por ejemplo, una lámina de PET, exhibe flexibilidad y durabilidad, para que pueda deformarse reversiblemente sin deterioro de la cohesividad del electrodo, manteniendo así el rendimiento del dispositivo FV en el nivel deseado durante mucho tiempo.
La pila 110 de capas 111-113 de la célula FV 100 puede comprender además una o más capas adicionales tales como, por ejemplo, al menos una capa de transporte de carga: capa de transporte de carga frontal 112a y/o capa de transporte de carga posterior 113a para transportar los huecos y los electrones, respectivamente a la capa de electrodo frontal 112 y a la capa de electrodo posterior 113, como se logra normalmente en las células FV conocidas. La arquitectura de la célula FV 100 que comprende la pila 110 de capas con las capas transportadoras de carga adicionales 112a, 113a, es decir, una capa transportadora de electrones y una capa transportadora de huecos se muestra esquemáticamente en la Figura 1B.
Dependiendo de las características de trabajo deseadas y de los materiales funcionales utilizados para la célula FV 100, la pila 110 de capas puede tener varias arquitecturas. Por ejemplo, la pila 110 de la célula FV 100 puede tener una arquitectura n-i-p, ya sea plano o mesoscópica, en la que la capa de electrodo posterior 113 constituye un cátodo, y la capa de electrodo frontal 112 constituye una capa de ánodo, por ende, las capas transportadoras de carga 112a y 113a para transportar las cargas son la capa transportadora de electrones 112a entre la capa fotoactiva 111 y la capa anódica 112, y la capa transportadora de huecos 113a entre la capa fotoactiva 111 y la capa catódica 113, respectivamente.
En otra realización, la pila 110 de la célula FV 100 puede tener una arquitectura de p-i-n ya sea plana o mesoscópica, en la que la capa de electrodo posterior 113 constituye un ánodo, y la capa de electrodo frontal 112 constituye un cátodo, de ahí las capas transportadoras de carga 112a y 113a para transportar las cargas, son la capa transportadora de huecos 112a entre la capa fotoactiva 111 y la capa catódica 112, y la capa transportadora de electrones 113a entre la capa fotoactiva 111 y la capa anódica 113, respectivamente.
La capa transportadora de huecos puede, por ejemplo, comprender al menos uno de los materiales seleccionados del grupo que consiste en materiales Spiro-OMeTAD orgánicos (N2, N2, N2', N2', N7, N7, N7', N7'-octaquis(4-metoxifenil)-9,9'-espirobi[9H-fluoreno]-2,2',7,7'-tetramina) / PTAA (poli(triarilamina)) / PEDOT (Poli(3,4 -etilendioxitiofeno))/ P3HT (poli(3-hexiltiofeno-2,5-diil))) o (NÍOx (Óxido nítrico) inorgánico, CuSCN (tiocianato de cobre (I), CuO (óxido de cobre (II)), MoOx (óxido de molibdeno)). La capa transportadora de electrones puede, por ejemplo, comprender al menos un material seleccionado del grupo formado por TÍOx (óxido de titanio), ZnO (óxido de zinc), Pc Bm (éster metílico del ácido fenil-C61-butírico) u Ox D-7 (1,3-bis[2-(4-terf-butilfenil)-1,3,4-oxadiazo-5-il]benceno), SnO (óxido de estaño (II)).
En una realización, el dispositivo FV comprende la pila 110 de capas de la célula FV de la arquitectura n-i-p que comprende los siguientes materiales en capas, sobre el sustrato de PET 120, en la pila 110: AZO (112)/SnO2(112a)/perovskita (111)/PTAA(113a)/carbono(113). Tal combinación de los materiales de trabajo de la célula FV da como resultado que tenga baja temperatura y pueda procesarse totalmente en solución, lo que lo hace adecuado para la fabricación de dispositivos sobre sustratos flexibles.
La pila 110 de capas de al menos una célula FV 100 del dispositivo FV, de acuerdo con la presente divulgación, comprende al menos una abertura 130, y preferiblemente una pluralidad de aberturas 130 que se extienden a través de al menos la capa de electrodo posterior 113 y al menos parte de la capa fotoactiva 111. Preferiblemente, la al menos una abertura 130 se extiende a través de todas las capas 111-113 de la pila. Las aberturas 130 se cargan con un agente funcionalizante 131.
El espesor de carga (T) es menor que la profundidad de abertura (D), por ende, el volumen de la abertura 130 se carga parcialmente con el agente funcionalizante 131. Para proporcionar una mejora visible en la funcionalidad, el espesor de carga (T) constituye al menos el 20 % (como se muestra en la Figura 1C) de la profundidad de abertura (D). Más preferiblemente, el espesor de carga (T) debe constituir al menos el 50 % (como se muestra en la Figura 1D) de la profundidad de abertura. Lo más preferiblemente, el espesor de carga (T) debe constituir al menos el 75 % (como se muestra en la Figura 1E) de la profundidad de abertura.
En otra figura más, como se muestra en la Figura 1F, capas de pasivación adicionales: la capa de pasivación frontal 112b y la capa de pasivación posterior 113b pueden incorporarse al dispositivo fotovoltaico 100, entre la capa fotoactiva 111 y las capas de transporte de carga 112a, 113a. La capa de pasivación 112b, 113b sirve como un medio para reducir o inhibir la recombinación no radiativa en la interfaz entre el material fotoactivo 111 y la capa de transporte de carga 112a, 113a. Esto se puede lograr mediante materiales de coordinación de enlaces iónicos, y convirtiendo la superficie en una región con una banda prohibida más amplia que la del material fotoactivo 111. La capa de pasivación 112b, 113b podrá estar hecha de un material seleccionado del grupo de: Ácidos y bases de Lewis, aniones y cationes, zwitteriones, semiconductores y aislantes. Algunos ejemplos no exhaustivos incluyen: materiales de perovskita con una composición diferente de la mayor parte de la capa fotoactiva, aisladores (como polímeros como PMMA (poli(metacrilato de metilo)), moléculas pequeñas, tales como BCP (batocuprona), PCBM (éster metílico del ácido fenil-C61-butírico) y sus derivados, monocapas de autoensamblaje (SAM), etc.), materiales iónicos, tales como: NaCl, KI y óxidos metálicos tales como AlOx (por ejemplo, AhOa). El espesor de la capa de pasivación 112b, 113b se puede seleccionar de acuerdo con las necesidades, la misma mejora el rendimiento fotovoltaico, sin embargo, su presencia no afecta significativamente el proceso requerido para fabricar dispositivos translúcidos mediante patrones láser.
El agente funcionalizante 131 que constituye la carga de la abertura comprende al menos un ingrediente funcionalizante, y preferiblemente dos o más de dos ingredientes funcionalizantes.
El agente funcionalizante 131 puede constituir un material opaco, un material semitransparente o un material transparente, dependiendo de su composición química. El agente funcionalizante 131 que presenta transparencia o semitransparencia proporciona la transmisividad de la luz de las aberturas 130, proporcionando así semitransparencia del dispositivo FV de acuerdo con la presente divulgación.
El agente funcionalizante 131, dependiendo de su función deseada, comprende al menos uno de los siguientes ingredientes funcionalizantes:
- ingredientes colorantes tales como pigmentos o colorantes, por ejemplo: Esmaltado (vidrio de cobalto), Azul egipcio (silicato de cobre y calcio), Azurita, Amarillo Nápoles, Malaquita, Quisocola, Aegirina, Epidota, Verde florentino, Amarillo burdeos - proporcionan la variedad de colores del dispositivo FV que es visible para el usuario;
- ingredientes fluorescentes y/o fosforescentes, tales como el sulfuro de zinc (ZnS), aluminato de estroncio (SrAhO4), sulfuro de calcio (CaS), proporcionan la fluorescencia y/o fosforescencia del dispositivo FV;
- ingredientes absorbentes de humedad, tales como sílice u otros desecantes como sulfato de calcio (CaSO4), cloruro de calcio (CaCh) proporcionan la reducción del contenido de humedad en el dispositivo FV;
- ingredientes retrorreflectantes, tales como microesferas de vidrio de titanato de bario revestidas de aluminio, proporcionan las propiedades retrorreflectantes al dispositivo FV;
- puntos cuánticos, tales como CdSe/CdZnS-QD encapsulados en cáscaras de sílice, que se utilizan como concentradores solares luminiscentes, proporcionan la guía de luz mejorada dentro de la estructura del dispositivo FV;
- ingredientes que mejoran la resistencia mecánica del dispositivo FV, tales como microesferas acrílicas sólidas; - aislantes térmicos, tales como microesferas de vidrio de borosilicato de sodio, proporcionan el aislamiento térmico del dispositivo FV en tejados o ventanas (BIPV - FV Integrado en edificios) donde los rayos infrarrojos se dispersan y no dejan que los rayos entren para mantener la habitación fresca durante el verano y viceversa durante el invierno al hacer rebotar los rayos en el interior de la habitación;
- microesferas que sirven como cavidades ópticas, tal como se divulga en "High refractiveindex microspheres of optical cavity structure" (by Yusuke Arai y col., Appl. Phys. Lett. 82, 3173 (2003)), proporcionan una absorción óptica mejorada del material fotoactivo ayudando a reducir las pérdidas reflectantes y mejorando la absorción óptica del material fotoactivo;
- nanopartículas metálicas que exhiben un efecto plasmónico, tal como una capa de finas nanoestructuras plasmónicas de plata (Ag), proporcionan la dispersión de luz deseada hacia la capa fotoactiva. La dispersión se puede ajustar aún más en diferentes longitudes de onda cambiando el tamaño y la concentración de las nanopartículas metálicas;
- partículas que se desplazan hacia abajo en el espectro y que pueden absorber fotones de mayor energía (por ejemplo, no visibles para el ojo humano) y emiten posteriormente fotones de menor energía (por ejemplo, visibles para el ojo humano), mejorando así las propiedades fotoactivas del dispositivo FV y proporcionan un efecto de desplazamiento descendente;
- partículas que se desplazan hacia arriba en el espectro y que pueden absorber fotones de menor energía (por ejemplo, no visibles para el ojo humano) y emiten posteriormente fotones de mayor energía (por ejemplo, visibles para el ojo humano), mejorando así las propiedades fotoactivas del dispositivo FV y proporcionan un efecto de desplazamiento ascendente.
Adicionalmente, el agente funcionalizante 131 puede comprender otros ingredientes, que proporcionan la consistencia y estabilidad deseadas de las composiciones del agente funcionalizante 131. Los ejemplos no limitantes de tales ingredientes son disolventes, diluyentes, solubilizantes, estabilizadores, dispersantes o tensioactivos
Preferiblemente, todos los componentes del agente funcionalizante 131 no afectarán negativamente a los materiales de las capas de trabajo del dispositivo FV, en particular, la capa fotoactiva.
Ejemplos no limitantes de disolventes que pueden usarse como ingredientes del agente funcionalizante 131 son butanol, isopropanol anhidro, etanol, anisol, terpineol y polipropilenglicol.
No obstante, algunos compuestos que en general afectan negativamente a uno o más de un material de la capa de trabajo de la célula FV se pueden usar también como el ingrediente del agente funcionalizante 131. En tal caso, una capa protectora 132, como se muestra en la Figura 1E, tal como, por ejemplo, un revestimiento de un material aislante, por ejemplo, AIOx, por ejemplo, AI2O3 o LiF (fluoruro de litio) o BCP (batocuprona), se puede aplicar a las paredes interiores de la abertura 130, antes de cargar la abertura 130 con el agente funcionalizante 131. Tal capa protectora puede separar eficazmente el material fotoactivo de las moléculas que actúan de forma adversa.
En algunas realizaciones, todas las aberturas 130 dentro de la única célula FV del dispositivo FV, pueden cargarse con el mismo agente funcionalizante 131. En otras realizaciones, una parte de las aberturas dentro de una única célula FV puede llenarse con una composición de agente funcionalizante 131 y otra parte de las aberturas 130, dentro de la misma célula FV, puede cargarse con otra composición del agente funcionalizante 131. En este último caso, el procedimiento de carga se puede realizar en pocas etapas, incluyendo el uso de una primera máscara que comprende un primer patrón de aberturas para cargar solo una parte de las aberturas, mientras que en la siguiente etapa se puede utilizar una segunda máscara que comprende un segundo patrón de aberturas, para cargar la parte restante de las aberturas con la otra composición del agente funcionalizante 131.
Son posibles varias consistencias del agente funcionalizante 131.
Por ejemplo, el agente funcionalizado 131 puede ser líquido, por ejemplo, en una forma de tinta líquida. La Figura 4A muestra una fotografía de cuatro tintas que pueden usarse como agentes funcionalizantes 131 para cargar las aberturas 130. La tinta puede ser de cualquier color, dependiendo de las necesidades, por ejemplo, verde, amarillo, rojo, carmesí, etc.
En otra realización, el agente funcionalizante 131 puede tener una forma sólida o semisólida tal como un polvo, por ejemplo, tinta seca, pasta, sol, o gel.
Los ingredientes funcionalizantes del agente funcionalizante 131, pueden ser de varios tamaños, y preferiblemente del tamaño que va desde el intervalo de nanómetros a micrómetros. Tales dimensiones permiten una distribución uniforme de los ingredientes funcionalizantes dentro de las aberturas 130 interiores. El intervalo de tamaño seleccionado proporciona además flexibilidad en la elección del proceso de deposición. La impresión por chorro de tinta es adecuada para tener partículas en el intervalo de nanómetros. Para el proceso de serigrafía convencional, las partículas están en el intervalo de micrómetros.
Diferentes agentes funcionalizantes 131 pueden comprender diferentes concentraciones totales de ingredientes funcionalizantes, dependiendo del tipo y funcionalidad deseada de los ingredientes. Por ejemplo, la cantidad total de ingredientes funcionalizantes presentes en el agente funcionalizante puede variar del 10 % al 100 %.
Por ejemplo, el agente funcionalizante puede comprender sílice (SO2), que sirve como absorbente de humedad. En otra realización, un ingrediente funcionalizante puede proporcionar una o más de una funcionalidad. Por ejemplo, la sílice (SO2) introducida en una composición del agente funcionalizante, puede servir como agente colorante y como agente absorbente de humedad.
Se pueden usar varios métodos para cargar las aberturas 130 con el agente funcionalizante 131, dependiendo, entre otras cosas, de la consistencia del agente funcionalizante 131. Los ejemplos no limitantes del método para introducir el agente funcionalizante 131 en las aberturas 130 incluyen evaporación térmica, deposición física de vapor, pulverización y "boquillas de tolva" (tales como las divulgadas en "Direct-write deposition of fine powders through miniature hopper-nozzles for multi-material solid freeform fabrication" (by Kumar Pranav y col., Rapid Prototyping Journal, Volumen 10, Número 1 DOl 10.1108/13552540410512499).
Asimismo, el agente funcionalizante 131 en forma de tinta transportada por un sistema disolvente altamente volátil se puede depositar dentro de las aberturas usando un aerógrafo, revestimiento por pulverización o técnica de deposición en aerosol. Tales métodos limitan significativamente la difusión de las moléculas de disolvente hacia el interior de las aberturas 130, restringiendo así su influencia destructiva sobre los materiales de trabajo de la célula FV.
En algunas realizaciones, en la etapa inicial, realizada antes de cargar las aberturas 130 con el agente funcionalizante 131, la superficie de las paredes interiores de las aberturas 130 puede estar cubierta con una capa protectora, que puede ser inorgánica (AIOx, LiF, etc.) u orgánica (BCP (batocuprona), PMMA, etc.). La etapa inicial se puede emplear en el caso en que la composición del agente funcionalizante 131 comprenda uno o más de un ingrediente que pueda afectar negativamente a la capa de trabajo de la célula de PC 100. La capa protectora aplicada evita que las capas de trabajo de la célula FV: 111, 112, 113, 112a, 113a de reacciones químicas no deseadas.
La fina capa protectora de AIOx puede depositarse preferiblemente después de formar las aberturas 130. La deposición de la fina capa protectora puede realizarse, por ejemplo, mediante al menos uno de los siguientes métodos: ALD, o pulverización.
En algunas realizaciones, después de la introducción del agente funcionalizante 131 en las aberturas 130, el agente funcionalizante 131 puede requerir tratamiento adicional, tal como por ejemplo secado o reticulación - para adquirir las propiedades finales del producto. Por tanto, el método seleccionado de tratamiento adicional, si se aplica, depende de la composición del agente funcionalizante. Por ejemplo, el agente funcionalizante, en forma de tinta líquida, puede requerir la evaporación del solvente.
Las aberturas 130 cargadas con el agente funcionalizante 131 pueden tener varias formas, por ejemplo, al menos una forma seleccionada del grupo que consiste en una forma circular, elíptica, triangular, rectangular, cuadrada y rómbica. Por ejemplo, las aberturas 130 cargadas con el agente funcionalizante 131 que constituyen una tinta colorida, pueden crear patrones que consistan en aberturas que tengan varias formas para impartir un efecto estético específico para el espectador.
Como se muestra esquemáticamente en la Figura 2A, los interiores de las aberturas 130 no penetran el espacio entre dos células FV separadas. Además, las aberturas, dentro de una sola célula FV, se disponen de forma que el material de trabajo (área fotoactiva) de la pila 110 de capas adopte una forma de trayectoria continua, proporcionada entre las aberturas 130, para recoger todas las cargas generadas dentro de una sola célula FV.
Las aberturas 130 están distribuidas uniformemente dentro de la célula FV. Las aberturas dentro de una única célula
FV pueden tener la misma área o áreas diferentes. Las mismas pueden tener formas circulares, rectangulares, triangulares u otras. Preferiblemente, cada abertura 130 puede tener un área que oscila entre 10 μm2 y 1000 cm2, con distinta separación entre dos aberturas adyacentes 130. Por ejemplo, la separación entre dos aberturas adyacentes 130 (dependiendo de la resolución del láser) puede oscilar entre 1 μm y 100 cm. Se pueden formar varios puntos láser uno al lado del otro o superponerse entre sí.
En una realización del dispositivo FV, las aberturas pueden cargarse con agente funcionalizante transparente o semitransparente 131, proporcionando así transmisividad de luz de las aberturas 130 y, por tanto, semitransparencia del dispositivo FV. La distribución sustancialmente uniforme de las aberturas 130 de dimensiones micrométricas, dadas anteriormente, proporciona la ventaja adicional de una impresión de semitransparencia mejorada, visible para el espectador a escala macroscópica. Entre otras cosas, esto es causado por las dimensiones seleccionadas y la separación de las aberturas 130 cargadas con el agente funcionalizante semitransparente 131. La Figura 4B presenta la fotografía de dicho dispositivo FV semitransparente con las aberturas 130 cargadas con agente funcionalizante semitransparente 131 que constituye una tinta verde.
El dispositivo FV semitransparente de la presente divulgación se puede utilizar en diversas aplicaciones, tal como, por ejemplo, la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) para fachadas o ventanas de edificios, energía fotovoltaica integrada en vehículos para ventanillas de automóviles, ventanas de transporte público tales como autobuses, trenes, tranvías, etc. El dispositivo FV de la presente divulgación se puede utilizar además en otras aplicaciones que incluyen la tecnología de Internet de las cosas (loT), sensores autónomos, muebles inteligentes, etc.
Como se puede ver en la Figura 4B, las aberturas 130 cargadas con el agente funcionalizante 131 forman un patrón, mientras que el dispositivo FV comprende además aberturas vacías 130, que no están cargadas con el agente funcionalizante. La compilación de aberturas cargadas y vacías 130 dentro de un dispositivo FV proporciona una mejora adicional del efecto estético del dispositivo FV colorido, tal como proporcionar logotipos de marketing u otros patrones.
Las aberturas 130 pueden formarse en la pila 110 de capas de la célula FV 100 mediante diversos métodos, tal como, por ejemplo, trazado por láser para la estampación o trazado mecánico.
Sin embargo, el método preferido para formar las aberturas 130 es la ablación por láser porque es un proceso rápido y se puede modelar cualquier forma y el proceso puede extirpar capas selectivamente basándose en los parámetros del láser utilizados.
Es más, la técnica de trazado mecánico para formar las aberturas 130 es especialmente adecuada porque no requiere equipos costosos y no depende de una serie de parámetros como la longitud de onda, frecuencia, etc. como se utiliza en las técnicas de láser.
La célula FV, en la que el carbono se utiliza como material de la capa de electrodo posterior 113, la técnica de trazado por láser es especialmente ventajosa para formar las aberturas 130 que se extienden a través de las capas del apilamiento de la célula FV. Se cree que la capa de electrodo posterior de carbono 113 durante el tratamiento con láser sufre una combustión oxidativa completa. Por tanto, el material de carbono se elimina mediante el láser sin contaminación del interior de las aberturas 130 con subproductos de la interacción del láser-carbono. A diferencia de los materiales metálicos comúnmente utilizados para las capas opacas del electrodo posterior, presumiblemente, el carbono no se derrite ni se evapora, tras su interacción con un rayo láser, proporcionando así el efecto descrito anteriormente. Por este motivo, las aberturas 130 no comprenden un material residual no eliminado de la capa de electrodo posterior 113, y esto proporciona además la eliminación de los efectos de los cortocircuitos y la delaminación de la capa de carbono (ya que la capa de carbono no se funde). Debido a que el interior de las aberturas 130 está libre de contaminaciones, el agente funcionalizante 131, introducido en las aberturas 130, puede actuar sin verse afectado por tales contaminaciones.
El método para fabricar el dispositivo FV comprende la etapa de proporcionar un sustrato transparente o semitransparente 120, tal como lámina de plástico, y formar una pila 110 de capas de trabajo de una o más células
FV 110, preferiblemente, las capas se forman una por una sobre el sustrato 120. En el caso, se forma más de una célula FV 100 sobre el sustrato 120, entre la formación de las respectivas capas en la pila 110, ciertas etapas de estampación, tales como patrones láser, pueden llevarse a cabo para proporcionar una arquitectura de dispositivo adecuada, incluyendo una formación de contactos. Después de la preparación de la pila 110 de capas de células FV respectivas, se forman las aberturas 130 extendiéndose a través de las capas de la pila 110.
Un método que emplea estampación por láser para preparar el dispositivo FV de la presente divulgación que comprende dos células FV incluye proporcionar un sustrato translúcido 120, tal como lámina de plástico, y formar una pila 110 de capas de trabajo de la una o más células FV 110, mediante etapas sucesivas de deposición y estampación por láser P1-P4 como se describe a continuación. Por ejemplo, la etapa de retirar el electrodo frontal mediante la estampación por láser P1, se puede implementar para crear áreas de células separadas. Se pueden utilizar varios láseres en el la estampación P1, dependiendo del material del electrodo frontal, por ejemplo, para óxidos conductores transparentes (TCO), normalmente se utiliza un láser infrarrojo. La segunda estampación por láser - P2, puede ser necesaria después de la deposición de la capa transportadora de carga frontal 112a, en la capa de electrodo frontal 112, que puede ser una capa transportadora de electrones o transportadora de huecos, dependiendo de la arquitectura de la célula FV, ya sea p-i-n o n-i-p. La estampación por láser P2 elimina localmente la capa transportadora de carga frontal 112a. Normalmente, en la estampación P2 se pueden utilizar IR u otros láseres visibles.
A continuación, se deposita una capa de electrodo posterior 113 y se lleva a cabo la etapa de estampación P3, para definir los límites de células individuales o para separar células individuales.
Después de completar la etapa de estampación P3, la pila 110 se somete a la estampación por láser P4, de forma que al menos una, y preferiblemente una pluralidad de aberturas transmisoras de luz 130 se formen en la célula FV 100, dentro de la pila 110 de sus capas de trabajo, de tal forma que las aberturas 130 se extiendan a través de al menos la capa de electrodo posterior 113 y al menos parte de la capa fotoactiva 111. Esto es especialmente importante en el caso de electrodos posteriores opacos 113, ya que esto hace que la célula FV transmita la luz. Opcionalmente, para mejorar aún más la transmisión de la luz, las aberturas 130 pueden extenderse a través de todas las capas de la pila 110 desde la capa de electrodo posterior 113 hasta la capa de electrodo frontal 112.
En la estampación P4, el láser incide en la pila 110, opuesta al sustrato 120. El electrodo posterior 113 está hecho de carbono, cada abertura transmisora de luz 130 se realiza en una única etapa de tratamiento con láser de forma que el rayo láser penetre en las capas de la pila 110 de la célula FV que se van a eliminar a lo largo de la profundidad de la abertura 130, a la vez.
Posteriormente, las aberturas se cargan con el agente funcionalizante 131, siguiendo su tratamiento opcional, dependiendo de la composición química del agente funcionalizante 131.
Ejemplo 1: preparación de un dispositivo FV semitransparente con aberturas estampadas por láser.
Los dispositivos FV de arquitectura n-i-p se fabricaron sobre un sustrato (lámina) de PET flexible con una capa fina (300 nm) de AZO aplicada sobre el mismo, de EASTMAN. Las capas de trabajo restantes se depositaron una a una sobre el sustrato mediante revestimiento por centrifugación: SnO2 (como capa transportadora de electrones), Perovskita (como capa fotoactiva) con una relación estequiométrica Cs0,05(MA0,17FA0,83)0,95Pb(Iü,83Br0,17)3 en donde Cs es cesio, MA es metilamonio, FA es formamidinio, Pb es plomo, I es yodo y Br es bromo y PTAA (Poli(triarilamina)) (capa transportadora de huecos). Para el contacto posterior (capa de electrodo posterior), se revistió con cuchilla la pasta de carbono de EMS (CI-2042) y se recoció mediante el método de enfriamiento con gas a una temperatura de aproximadamente 80 °C durante 5 minutos.
Se midió el espesor de la pasta de carbono para ser de 20 μm mediante FIB-SEM, lo que proporcionó una resistencia de la lámina de aproximadamente 20 Q/cuad. Posteriormente, los dispositivos fueron estampados por láser usando un láser de nanosegundos Nd:YAG de 1064 nm de la línea Rofin-Power. La semitransparencia se logró formando las aberturas mediante ablación de una matriz de puntos (aberturas) con un diámetro de 200 μm y una separación de 500 μm cada uno sobre las capas de trabajo del dispositivo. Se obtuvo el dispositivo FV de la siguiente estructura: PET/AZO/ SnO2/ CH3NH3PM3 (Yoduro de plomo y metilamonio)/PTAAcarbono. La imagen FIB-SEM (microscopía electrónica de barrido por haz de iones enfocado) de la abertura con diseño de láser se muestra en la Figura 3.
Ejemplo 2: preparación de tintas - como las composiciones del agente funcionalizante, seguido de la carga de las aberturas de los dispositivos FV con las tintas.
Las tintas se formularon mezclando 250 mg/ml de PMMA (Poli(metacrilato de metilo)) en Anisol formando una solución madre. Se agregaron 5 mg de pigmentos Verde de Kremer y Azul de Kremer a la solución madre, generando tintas separadas como se muestra en la Figura 4A. Las tintas se vertieron en las aberturas 130 de los dispositivos FV obtenidos en el Ejemplo 1 y se secaron durante 5 minutos dentro de un horno a 80 °C para eliminar los disolventes, formando finalmente dispositivos FV de colores. La Figura 4B muestra uno de los dispositivos FV obtenidos.
Ejemplo 3: realización adicional
La tinta se formuló mezclando 50 mg de pigmento azul de Kremer en 1 ml de cloroformo. La tinta se depositó en las aberturas 130 del dispositivo FV obtenido en el Ejemplo 1 usando un revestidor con aerógrafo. Durante el proceso de deposición, el cloroformo se evapora en el aire y solo los pigmentos alcanzan la abertura 130. Esto se debe al bajo punto de ebullición y a la alta presión de vapor del cloroformo, que se evapora rápidamente y no llega al dispositivo FV.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo fotovoltaico (FV) que comprende un sustrato semitransparente (120) y al menos una célula fotovoltaica (FV) translúcida (100), comprendiendo la célula FV (100) una pila (110) de capas dispuestas sobre el sustrato (120), comprendiendo la pila (110):
- una capa de electrodo frontal (112),
- una capa de electrodo posterior (113), y
- una capa fotoactiva (111) entre la capa de electrodo frontal (112) y la capa de electrodo posterior (113), en donde una de la capa de electrodo frontal (112) y de la capa de electrodo posterior (113) constituye un ánodo de la célula FV (100) y la otra constituye un cátodo de la célula FV (100),
- y en donde la pila (110) comprende además aberturas (130) que se extienden a través de al menos la capa de electrodo posterior (113) y al menos parte de la capa fotoactiva (111),
en donde las aberturas (130) contienen un agente funcionalizante (131), que comprende al menos un ingrediente funcionalizante seleccionado del grupo que consiste en ingrediente colorante, ingrediente fluorescente y/o fosforescente, absorbente de humedad, ingrediente retrorreflectante, puntos cuánticos que mejoran la guía de la luz dentro de la estructura del dispositivo FV, ingredientes que mejoran la resistencia mecánica del dispositivo FV, aislante térmico, microesferas que sirven como cavidades ópticas, nanopartículas metálicas que exhiben un efecto plasmónico, partículas que se desplazan hacia abajo en el espectro y partículas que se desplazan hacia arriba en el espectro,
en donde la capa fotoactiva (111) es una capa de perovskita y la capa de electrodo posterior (113) es una capa de carbono,
caracterizado por que un volumen de las aberturas 130 se carga con el agente funcionalizante (131), de forma que un espesor de carga (T) es menor que una profundidad de abertura (D), en donde el espesor de carga (T) constituye al menos el 20 % de la profundidad de abertura (D), y en donde las aberturas (130) están distribuidas uniformemente dentro de la célula FV.
2. El dispositivo FV de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el agente funcionalizante (131) es semitransparente u opaco.
3. El dispositivo FV de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde un área de las aberturas (130) es de 10 μm2 a 1000 cm2.
4. El dispositivo FV de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pila (110) de capas de la célula FV (100) comprende además:
- una capa transportadora de carga frontal (112a) dispuesta entre la capa fotoactiva (111) y la capa frontal de electrodo (112),
- y una capa transportadora de carga posterior (113a) dispuesta entre la capa fotoactiva (111) y la capa de electrodo posterior (113).
5. El dispositivo de FV de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además una capa de pasivación frontal (112b) dispuesta entre la capa de perovskita (111) y la capa transportadora de carga frontal (112a) y/o una capa de pasivación posterior (113b) dispuesta entre la capa de perovskita (111) y la capa transportadora de carga posterior (113a).
6. El dispositivo FV de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una capa protectora (132) de un material aislante entre las paredes internas de la abertura (130) y el agente funcionalizante (131) .
7. El dispositivo FV de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los ingredientes funcionalizantes del agente funcionalizante (131) tienen varios tamaños.
8. Un método para preparar un dispositivo FV que comprende al menos una célula fotovoltaica (FV) (100), comprendiendo el método las etapas de:
- proporcionar un sustrato semitransparente (120),
- formar una pila (110) de capas de la célula FV (100) sobre el sustrato (120), comprendiendo la pila (110): una capa de electrodo frontal (112), una capa de electrodo posterior (113) y una capa fotoactiva (111) entre la capa de electrodo frontal (112) y la capa de electrodo posterior (113), en donde una de la capa de electrodo frontal (112) y de la capa de electrodo posterior (113) constituye un ánodo de la célula FV (100) y la otra constituye un cátodo de la célula FV (100),
- formar aberturas (130) en la pila (110) de capas de la célula FV (100), distribuyendo uniformemente las aberturas (130) dentro de la célula FV, extendiéndose las aberturas (130) a través de al menos la capa de electrodo posterior (113) y al menos parte de la capa fotoactiva (111);
en donde el método comprende además introducir un agente funcionalizante (131), en las aberturas (130), que comprende al menos un ingrediente funcionalizante seleccionado del grupo que consiste en ingrediente colorante, ingrediente fluorescente y/o fosforescente, absorbente de humedad, ingrediente retrorreflectante, puntos cuánticos que mejoran la guía de la luz dentro de la estructura del dispositivo FV, ingredientes que mejoran la resistencia mecánica del dispositivo FV, aislante térmico, microesferas que sirven como cavidades ópticas, nanopartículas metálicas que exhiben un efecto plasmónico, partículas que se desplazan hacia abajo en el espectro y partículas que se desplazan hacia arriba en el espectro, para cargar un volumen de las aberturas (130) con el agente funcionalizante (131), caracterizado por que un espesor de carga (T) es menor que una profundidad de abertura (D) y en donde el espesor de carga (T) constituye al menos el 20 % de la profundidad de abertura (D), en donde la etapa de formar una pila (110) de capas de la célula FV (100) que comprende que la capa fotoactiva (111) sea una capa de perovskita y que la capa de electrodo posterior (113) sea una capa de carbono.
9. El método de acuerdo con la reivindicación 8 en donde, en la introducción, el agente funcionalizante (131) está en forma de tinta o polvo.
10. El método de acuerdo con la reivindicación 8 en donde, en la introducción, el agente funcionalizante (131) comprende un pigmento y al menos un disolvente seleccionado del grupo que consiste en butanol, anisol, terpineol, polipropilenglicol, isopropanol anhidro y etanol.
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