ES2954873T3 - Una célula solar que comprende una pluralidad de capas porosas y un medio conductor de carga que penetra en las capas porosas - Google Patents

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ES2954873T3 ES21163437T ES21163437T ES2954873T3 ES 2954873 T3 ES2954873 T3 ES 2954873T3 ES 21163437 T ES21163437 T ES 21163437T ES 21163437 T ES21163437 T ES 21163437T ES 2954873 T3 ES2954873 T3 ES 2954873T3
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Abstract

La presente invención se refiere a una célula solar (1a) que comprende una pila de capas porosas, un sustrato de soporte (2) para soportar la pila y un medio conductor de carga (7) que penetra a través de las capas porosas. La pila comprende una capa porosa absorbente de luz (3), una primera capa conductora porosa (4) que incluye material conductor para extraer electrones fotogenerados de la capa absorbente de luz, un contraelectrodo poroso (6) que incluye material conductor, y un capa separadora (5) hecha de material poroso eléctricamente aislante y dispuesta entre la capa conductora (4) y el contraelectrodo (6), y donde la capa conductora (4) está dispuesta más cerca de la capa absorbente de luz (3) que la contraelectrodo (6). El sustrato de soporte (2) es poroso y el medio conductor de carga (7) penetra a través del sustrato de soporte (2). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Una célula solar que comprende una pluralidad de capas porosas y un medio conductor de carga que penetra en las capas porosas
Campo técnico
La presente invención se refiere a células solares para convertir energía lumínica en energía eléctrica que comprende una pluralidad de capas porosas y un medio conductor de carga que penetra en las capas porosas.
Antecedentes
Las células solares para convertir la luz en energía eléctrica que comprende una pluralidad de capas porosas son bien conocidas en la técnica.
Se sabe que las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) que comprenden una capa porosa absorbente de luz, capas porosas conductoras y una capa porosa de aislamiento tienen un alto potencial para la fabricación a escala industrial utilizando métodos de fabricación establecidos como la serigrafía, la impresión por chorro de tinta o el revestimiento de matrices ranuradas.
La fabricación a escala industrial de células solares sensibilizadas por colorante implica el procesamiento de grandes áreas de las capas delgadas de los componentes de célula solar. Estos componentes experimentan varias etapas del proceso, como la impresión, los tratamientos térmicos, los tratamientos al vacío, los tratamientos químicos durante la fabricación. Esto significa que para manejar el procesamiento de la célula solar, la arquitectura de la célula solar es importante para poder manejar los componentes mecánicamente y realizar los diversos tratamientos sin dañar los componentes subyacentes. La arquitectura de la célula solar también es importante para el rendimiento general de la célula solar.
Un procedimiento conocido para la fabricación de células solares sensibilizadas con colorantes es mediante un proceso de rollo a rollo. En EnergyTrend 20180614 “ Keys to Flexible Solar cell's Mass Production: Cell Encapsulation and Durability” los investigadores describen que las DSSC flexibles producidas mediante un proceso de fabricación rollo a rollo pueden comercializarse gracias a la eficacia del método de producción.
En un proceso de rollo a rollo, la célula solar comprende un sustrato sólido, como una lámina conductora flexible, que puede colocarse en una cinta transportadora y actuar como un sustrato mecánicamente estable para el posicionamiento de otros componentes de la célula solar. US-8658455 describe un proceso rollo a rollo que tiene un sustrato flexible sobre el que se forma una capa de TiO2 y la capa de TiO2 se sinteriza, se le proporciona colorante y se carga con electrolito, tras lo cual se añade encima un segundo sustrato flexible para sellar la DSSC de tipo sándwich. La etapa de sellado que también implica el proceso de rollo a rollo se dice que reduce el riesgo de fuga o evaporación del electrolito líquido.
Se conocen láminas conductoras flexibles, tales como titanio, acero inoxidable u otras láminas metálicas o láminas recubiertas de polímeros conductores o películas delgadas de vidrio conductor.
Un problema con la fabricación de rollo a rollo de células solares sensibilizadas por colorante se refiere a que algunos de los procesos como tratamientos térmicos o tratamientos de vacío deben tener lugar a través de los hornos o las cajas de tratamiento químico. Esto requiere espacio y tiempo para estos procesos.
En EP2834823B1 se describe otra forma de fabricar células solares sensibilizadas con colorantes en la que se muestra una célula solar monolítica sensibilizada con colorantes en la que todas las capas de componentes son porosas. Un sustrato aislante poroso hecho de fibras de vidrio tejidas y no tejidas actúa como una estructura de soporte durante la fabricación y las capas metálicas conductoras porosas se imprimen sobre ambas caras del sustrato aislante poroso. En un lado, la capa conductora porosa se imprime la capa de TiO2 y en el otro lado la capa conductora porosa se proporciona con un catalizador. La capa de TiO2 se sumerge con un tinte y se añade un electrolito a medida que las células se cortan en piezas adecuadas para la laminación de la lámina protectora. Durante las etapas del proceso que implican tratamientos térmicos, tratamiento al vacío o diversos tratamientos químicos, la pieza de trabajo en funcionamiento es completamente porosa y varias piezas de trabajo se pueden grapar una encima de la otra sin dificultar, por ejemplo, los gases liberados que se van a ventilar. El sustrato aislante poroso utilizado como sustrato de soporte en la fabricación será la capa aislante entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo en la célula solar final. Por lo tanto, el espesor del sustrato aislante poroso será un compromiso entre hacer que la capa aislante sea lo suficientemente delgada como para reducir las pérdidas resistivas en la célula solar y hacer que el sustrato poroso sea lo suficientemente espeso para lograr suficientes propiedades mecánicas para servir como estructura de soporte. Durante la fabricación, la estructura de soporte debe girarse para imprimir en ambos lados del soporte. EP1708301 describe una célula solar sensibilizada por colorante con una arquitectura que incluye una pila de capas porosas dispuestas una encima de la otra, electrolito posicionado integralmente en los poros de las capas porosas y una estructura de soporte para soportar la pila de capas porosas hechas de cerámica, metal, resina o vidrio.
KR201201 07253 A describe una célula solar sensibilizada por colorante formada sobre un sustrato de papel.
Otro problema con las células solares sensibilizadas por colorante se refiere a la evaporación o el agotamiento de la solución electrolítica o la posible fuga electrolítica, especialmente durante el uso a largo plazo de la célula solar.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se explicará más detalladamente la invención mediante la descripción de diferentes realizaciones de la misma haciendo referencia a las figuras adjuntas.
La Fig. 1 muestra una sección transversal a través de un ejemplo de célula solar según la invención.
La Fig. 2 muestra una sección transversal a través de otro ejemplo de célula solar según la invención.
La figura 3 muestra una imagen de SEM de una sección transversal a través de un ejemplo de una realización de la invención.
La figura 4 muestra una imagen de SEM de una sección transversal a través de otro ejemplo de una realización de la invención.
La Fig. 5 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de método de fabricación de la célula solar según la invención.
Descripción detallada
Los aspectos de la presente descripción se describirán más completamente de aquí en adelante con referencia a las figuras adjuntas. Sin embargo, el dispositivo de células solares puede realizarse en muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitado a los aspectos expuestos en la presente memoria. Los números similares en las figuras se refieren a elementos similares en toda la descripción.
La Figura 1 muestra esquemáticamente una sección transversal a través de un ejemplo de una célula solar 1a según la invención. La célula solar 1a comprende un sustrato 2 de soporte y una pila 12 de capas porosas 3-6 dispuestas encima del sustrato 2 de soporte. La pila 12 de capas porosas comprende una capa de absorción de luz 3, que sirve como electrodo de trabajo, una capa conductora 4 elaborada de material conductor poroso, que sirve como colector de corriente, una capa separadora 5 que comprende material eléctricamente aislante poroso y un contraelectrodo 6 que comprende material conductor poroso. El contraelectrodo 6 está formado en una cara del sustrato poroso 2. En este ejemplo, el contraelectrodo es una capa conductora porosa. La capa de separación 5 está dispuesta entre el contraelectrodo 6 y la capa conductora 4. La capa de separación 5 sirve la función de separar la capa conductora 4 y el contraelectrodo 6 física y eléctricamente para evitar un cortocircuito electrónico directo entre ellos. En este ejemplo, la capa de separación 5 se forma en el contraelectrodo 6 y la capa conductora 4 se forma en la capa de separación 5. La capa 3 de absorción de luz está dispuesta encima de la capa 4 de conducción. La primera capa conductora 4 incluye material conductor para extraer electrones fotogenerados de la capa absorbente de luz 3. La capa de absorción de luz 3 puede fabricarse de diferentes maneras. Por ejemplo, la capa de absorción de luz puede comprender moléculas de tinte adsorbidas sobre superficies de partículas semiconductoras o grupos de tinte, o granos de un material semiconductor, tal como silicio.
Las capas porosas 3-6 son capas activas, lo que significa que están involucradas en la producción de energía. El sustrato de soporte 2 no es una capa activa en la célula solar, es decir, no está involucrado en la producción de energía. El sustrato 2 de soporte soporta la pila 12 de capas porosas 3-6. Además, el sustrato 2 de soporte permite que el contraelectrodo 6 se imprima en él durante la fabricación de la célula solar. Las capas porosas 3-6 están dispuestas en un lado del sustrato 2 de soporte.
Cada una de las capas porosas formadas sobre el sustrato de soporte tiene un gran número de poros. La célula solar comprende además un medio 7 conductor de carga que penetra en los poros de las capas porosas 3-6 para permitir el transporte de cargas entre la capa de absorción de luz 3 y el contraelectrodo 6. El sustrato de soporte 2 también es poroso e incluye poros. El medio 7 conductor de carga penetra en los poros del sustrato 2 de soporte, así como los poros de las capas porosas 3-6 de la célula solar. Debido a la porosidad del sustrato 2 de soporte, los poros del sustrato de soporte funcionan como un depósito de medio conductor de carga.
En un aspecto, el tamaño promedio de los poros de las capas porosas 3-6 en la pila 12 es menor que el tamaño promedio de los poros del sustrato 2 de soporte, de modo que las fuerzas capilares en los poros de las capas porosas 3-6 son más fuertes que las fuerzas capilares en el sustrato 2 de soporte. La diferencia en el tamaño de poro entre el sustrato de soporte 2 y las capas porosas 3-6 hace que las fuerzas de capilaridad en las capas porosas sean más fuertes que las fuerzas de capilaridad en el sustrato de soporte 2, y consecuentemente el medio de conducción de carga 7 se bombeará hacia arriba a las capas activas 3-6 si el contenido de medio conductor de carga en las capas activas de la célula solar se reduce.
Preferiblemente, al menos el 80 % de los poros en el sustrato 2 de soporte son mayores de 3 |jm, y al menos el 80 % de los poros en las capas porosas son menores de 3 jm . Más preferiblemente, al menos el 90 % de los poros en el sustrato 2 de soporte son más de 3 jm , y al menos el 90 % de los poros en las capas porosas 3-6 son menores de 3 jm . Por ejemplo, al menos el 80 % de los poros en el sustrato de soporte 2 están entre 3 jm y 10 jm .
El sustrato de soporte más grueso 2, mayor es el depósito de medio conductor de carga en la célula solar. Típicamente, el espesor del sustrato 2 de soporte está entre 20 jm y 200 jm . Preferiblemente, el espesor del sustrato de soporte es de al menos 30 jm .
La mayor porosidad en el sustrato de soporte, el depósito más grande del medio 7 conductor de carga. Preferiblemente, la porosidad del sustrato de soporte es de al menos el 50 %, y más preferiblemente de al menos el 70 %. Si el sustrato de apoyo es demasiado poroso, la resistencia mecánica del sustrato será demasiado baja. Preferiblemente, la porosidad del sustrato de soporte está entre el 50 y el 90 %.
La célula solar comprende además una encapsulación 10 que encapsula las capas porosas 3-6, el sustrato 2 de soporte y el medio 7 de conducción. La pila 12 de capas porosas está dispuesta en un lado del sustrato de soporte 2, y un lado opuesto del sustrato de soporte está orientado hacia la encapsulación 10.
La pila 12 de capas porosas puede incluir otras capas porosas dispuestas entre las capas porosas 3-6. Por ejemplo, puede haber una capa catalítica porosa dispuesta entre el sustrato de soporte 2 y el contraelectrodo 6, o entre el contraelectrodo 6 y la capa de separación 5, como se muestra en la figura 1b. Además, puede haber una capa reflectante porosa dispuesta entre la capa conductora 4 y la capa de absorción de luz 3. Las mismas condiciones mencionadas anteriormente con respecto al tamaño de poro se aplican para todas las capas en la pila 12 de capas porosas independientemente del número de capas.
La Figura 2 muestra esquemáticamente una sección transversal a través de un ejemplo de una célula solar 1b según la invención. La célula solar 1b comprende un sustrato 2 de soporte y una pila 12 de capas porosas 3-6 dispuestas encima del sustrato 2 de soporte. La célula solar 1 b difiere de la célula solar 1a en que el contraelectrodo 6 de la célula solar 1b comprende una segunda capa conductora porosa 6a y una capa catalítica porosa 6b formada en la parte superior de la capa conductora porosa 6a.
En este ejemplo, el sustrato 2 de soporte comprende una capa de microfibras tejidas 2a y una capa de microfibras no tejidas 2b dispuestas sobre la capa de microfibras tejidas 2a. El contraelectrodo 6 está dispuesto sobre la capa 2b de microfibras no tejidas. En este ejemplo, la capa 6a conductora porosa del contraelectrodo 6 está formada sobre la capa 2b de microfibras no tejidas. De forma alternativa, la capa 6b catalítica está dispuesta sobre la capa 2b de microfibras no tejidas. La capa 2a de microfibras tejidas comprende hilos con agujeros formados entre ellos, y al menos una parte de las microfibras no tejidas se acumula en los agujeros entre los hilos. Preferiblemente, las microfibras en la capa 6b de microfibras no tejidas tienen un diámetro entre 0,2 jm y 5 jm , para lograr poros que tienen un tamaño superior a 1 jm . EP2834824B1 describe métodos para fabricar un sustrato 2 que comprende microfibras tejidas, así como no tejidas.
Las células solares 1a y 1b son de tipo monolítico. Esto significa que todas las capas porosas se depositan directa o indirectamente sobre el mismo sustrato 2 de soporte. Las células solares 1a y 1b pueden ser, por ejemplo, células solares sensibilizadas por colorante (DSC).
La Fig. 3 muestra una imagen de SEM de una sección transversal a través de un ejemplo de una realización de la invención que muestra el sustrato 2 de soporte que comprende la capa de microfibras tejidas 2a encima de la capa de microfibras no tejidas 2b. En el sustrato 2 de soporte, la segunda capa 6a conductora porosa está dispuesta, después de eso, la capa catalítica 6b, y encima de la capa catalítica la capa separadora 5. En la parte superior de la capa de separación 5 se dispone la primera capa conductora 4 y sobre la misma la capa de absorción de luz 3.
La figura 4 muestra una imagen de SEM de una sección transversal a través de otro ejemplo de una realización de la invención que muestra un sustrato de soporte 2 que comprende una capa de microfibras no tejidas 2b sobre una capa de microfibras tejidas 2a. En el sustrato 2 de soporte, la segunda capa 6a conductora porosa está dispuesta, después de eso, la capa catalítica 6b, y encima de la capa catalítica la capa separadora 5. En la parte superior de la capa de separación 5 se dispone la primera capa conductora 4 y sobre la misma la capa de absorción de luz 3.
Preferiblemente, el tamaño de poro de la capa de absorción de luz 3 es igual o menor que el tamaño de poro de la primera capa conductora 4, el tamaño de poro de la primera capa conductora 4 es igual o menor que el tamaño de poro de la capa de separación 5, y el tamaño de poro de la capa de separación 5 es igual o menor que el tamaño de poro de las capas del contraelectrodo 6, 6a, 6b. El tamaño de poro del contraelectrodo 6, 6a, 6b es preferiblemente más pequeño que el tamaño de poro del sustrato de soporte 2, 2a, 2b.
En una realización de la invención, el tamaño de poro en la pila 12 de capas porosas disminuye desde el contraelectrodo 6 hasta la capa 3 de absorción de luz. Por ejemplo, el tamaño de poro de la capa de absorción de luz 3 es más pequeño que el tamaño de poro de la primera capa conductora 4, el tamaño de poro de la primera capa conductora 4 es más pequeño que el tamaño de poro de la capa de separación 5, y el tamaño de poro de la capa de separación 5 es más pequeño que el tamaño de poro del contraelectrodo 6, 6a, 6b. El tamaño de poro del contraelectrodo 6, 6a, 6b es más pequeño que el tamaño de poro del sustrato de soporte 2, 2a, 2b. Esta realización fortalece la diferencia en las fuerzas capilares en las capas porosas en comparación con las fuerzas capilares en el sustrato 2 de soporte.
La capa de absorción de luz 3 está orientada hacia la luz incidente. La capa de absorción de luz 3 puede fabricarse de diferentes maneras. Por ejemplo, la capa 3 de absorción de luz porosa puede comprender una capa porosa de TiO2 depositada sobre la primera capa 4 de conducción. La capa de TiO2 puede comprender partículas de TiO2 con moléculas de colorante absorbidas en su superficie. En otro ejemplo, la capa de absorción de luz 3 comprende una pluralidad de granos de un material semiconductor dopado, tal como el silicio, depositado sobre la capa conductora 4. El medio conductor de carga se coloca integralmente en poros formados entre los granos. El espesor de la capa de absorción de luz 3 puede variar y depende del tipo de la capa de absorción de luz 3.
El lado superior de la célula solar 1a;1b debe estar orientado hacia la luz para permitir que la luz golpee la capa de absorción de luz 3. Según algunos aspectos, la capa de absorción de luz es una capa de nanopartículas de TiO2 porosa con colorante orgánico adsorbido o moléculas de colorante organometálico o moléculas de colorante natural. Sin embargo, la capa fotoabsorbente 3 también puede comprender granos de un material semiconductor dopado, p. ej. Si, CdTe, CIGS, CIS, GaAs o perovskita.
La capa conductora 4 sirve como un contacto posterior que extrae cargas fotogeneradas de la capa de absorción de luz 3. La porosidad de la capa conductora 4 puede estar preferiblemente entre el 30 y el 85 %. Dependiendo de qué material se use para la capa conductora 4 y cuyo método de fabricación se use, el espesor de la capa conductora 4 puede variar entre 1 μm y 50 μm. Por ejemplo, la capa conductora 4 está elaborada de un material seleccionado de un grupo que consiste en titanio, aleaciones de titanio, aleaciones de níquel, grafito y carbono amorfo, o mezclas de los mismos. Lo más preferible es que la capa conductora esté elaborada de titanio o de una aleación de titanio o de mezclas de los mismos. En tal caso, el espesor de la capa conductora 4 es preferiblemente entre 4 μm y 30 μm.
La capa de separación 5 sirve como una separación eléctrica entre la capa conductora 4 y el contraelectrodo 6 para evitar un cortocircuito entre ellos. La distancia entre el contraelectrodo 2 y la capa 3 de absorción de luz depende del espesor de la capa 5 de separación y debería ser lo más pequeña posible de modo que el transporte de cargas entre el contraelectrodo 2 y la capa 3 de absorción de luz se vuelva tan rápido como sea posible y concuerde secuencialmente para reducir las pérdidas resistivas en la célula solar. El espesor de la capa separadora está comprendido, por ejemplo, entre 3 μm y 50 μm, y preferiblemente entre 4 μm y 20 μm. La capa de separación comprende material poroso eléctricamente aislante. Por ejemplo, la capa de separación comprende una capa porosa de partículas eléctricamente aislantes. Por ejemplo, las partículas aislantes tienen un núcleo de un material semiconductor y una capa exterior de material aislante eléctrico. Por ejemplo, se forma una capa de óxido aislante sobre las superficies del material semiconductor. Convenientemente, el material semiconductor es dióxido de titanio (TiO2). El material aislante es, por ejemplo, alúmina u óxido de silicio. Alternativamente, todas las partículas pueden ser de material aislante, por ejemplo, alúmina (AbOa), óxido de silicio (SO 2) u óxido de circonio (ZrO2).
El contraelectrodo 6 comprende una capa 6a conductora porosa. El contraelectrodo suele comprender también una capa catalítica 6b. El contraelectrodo 6 puede tener una capa 6b catalítica porosa separada o tener partículas catalíticas integradas en la capa 6a conductora porosa. La porosidad del contraelectrodo 6 puede estar preferiblemente entre el 30 y el 85 %. Dependiendo de qué material se use para el contraelectrodo 6 y el método de fabricación, el espesor del contraelectrodo 6 puede variar entre 1 μm y 50 μm. Por ejemplo, el contraelectrodo 6 se fabrica de un material seleccionado de un grupo que consiste en titanio, aleaciones de titanio, aleaciones de níquel, grafito y carbono amorfo, o mezclas de los mismos. Lo más preferible es que el contraelectrodo 6 esté hecho de titanio o de una aleación de titanio o de mezclas de los mismos. En tal caso, la enfermedad de la capa conductora 4 está preferiblemente entre 10 μm y 30 μm. Para lograr un efecto catalítico, el contraelectrodo 6 puede incluir partículas platinizadas de óxidos metálicos conductores, tales como ITO platinado, ATO, PTO y FTO, o partículas de negro de carbón platinado o grafito.
El sustrato 2 de soporte puede ser un sustrato basado en microfibras, tal como sustrato de microfibra de vidrio o sustrato de microfibra cerámico. El sustrato de soporte 2 es adecuado hecho de microfibras. Una microfibra es una fibra que tiene un diámetro inferior a 10 μm y una longitud superior a 1 nm. De manera adecuada, el sustrato de soporte 2 comprende microfibras tejidas. Las microfibras pueden estar hechas de un material refractario e inerte, como vidrio, SiO2 , AbO3 y aluminosilicato. Las microfibras orgánicas son fibras fabricadas de materiales orgánicos, tales como polímeros como, p. ej., policaprolactona, PET, PEO, etc., o celulosa tal como, p. ej., nanocelulosa (MFC) o pasta de madera. El sustrato de soporte 2 puede comprender microfibras tejidas y microfibras no tejidas dispuestas sobre microfibras tejidas. De manera adecuada, el sustrato de soporte 2 comprende fibra de vidrio. Por ejemplo, el sustrato de soporte poroso puede estar hecho de fibras de vidrio tejidas y no tejidas. El espesor del sustrato 2 de soporte está convenientemente entre 10 μm y 1 mm. Tal capa proporciona la resistencia mecánica requerida.
El medio 7 conductor de carga está posicionado integralmente en los poros de las capas porosas 3-6 y los poros del sustrato 2 de soporte y transfiere cargas entre el contraelectrodo 6 y la capa 3 de absorción de luz. El medio conductor 7 puede ser cualquier medio conductor adecuado, como un líquido, un gel o un material sólido como un semiconductor. Ejemplos de electrolitos son electrolitos líquidos, como los basados en iones yoduro(I')/trioduro(I3‘) o complejos de cobalto como par redox, o electrolitos en gel, electrolitos poliméricos ordinarios. Preferiblemente, el medio de conducción es un electrolito líquido, tal como un electrolito a base de líquido iónico, un electrolito basado en complejo de cobre o un electrolito basado en cobalto.
Las células solares deben estar adecuadamente selladas para evitar fugas del medio conductor de carga. Por ejemplo, la célula solar está provista de la encapsulación 10 que encierra la unidad de célula solar. Sin embargo, la encapsulación debe penetrarse de alguna manera para permitir el acceso a la potencia producida por la célula solar. Aunque las penetraciones están selladas, existe un riesgo de una fuga lenta del medio conductor de carga desde la célula solar. También pueden producirse fugas desde los bordes sellados de la encapsulación. La lenta fuga de medio conductor de carga provocará un deterioro lento de la eficiencia de la célula solar. Cuando el contenido de medio conductor de carga en la célula solar ha alcanzado un nivel mínimo, la capacidad de conversión de luz a electricidad de la célula solar disminuirá. Este proceso puede tardar varios meses o incluso años dependiendo de la calidad de la encapsulación y del sellado.
La encapsulación 10 actúa como barreras para proteger la célula solar contra la atmósfera circundante, y para evitar la evaporación o fuga del medio conductor de carga desde el interior de la célula. La encapsulación 10 puede incluir una lámina superior que cubra una cara superior de la célula solar y una lámina inferior que cubra una cara inferior de la célula solar. La lámina superior de la parte superior de la célula solar cubre la capa absorbente de luz y tiene que ser transparente, para permitir el paso de la luz. Un lado inferior del sustrato de soporte 2 está orientado hacia la lámina inferior de la encapsulación 10. La capa de absorción de luz 3 está orientada hacia la lámina superior de la encapsulación 10. Las láminas superior e inferior se fabrican, por ejemplo, de un material polimérico. Los bordes de las láminas superior e inferior están sellados.
Según un aspecto, la encapsulación 10 de la célula solar 1a;1b comprende una pluralidad de aberturas de penetración (no mostradas en las figuras) para permitir el acceso a la potencia producida por la célula solar. Las aberturas de penetración reciben cables para conectarse eléctricamente a la primera capa conductora 4 y al contraelectrodo 6. Las aberturas de penetración pueden disponerse en conexión con la primera capa conductora 4 y el contraelectrodo 6. Preferiblemente, las aberturas de penetración están dispuestas en el lado de la encapsulación dispuesta debajo del sustrato 7 de soporte.
La Fig. 5 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de método de fabricación de la célula solar según la invención. El método de la Figura 5 comprende las siguientes etapas:
S1: proporcionar un sustrato 2 de soporte poroso,
S2: depositar un contraelectrodo poroso 6 sobre el sustrato de soporte poroso 2,
S3: depositar una capa de separación porosa 5 sobre el contraelectrodo 6,
S4: depositar una primera capa conductora porosa 4 sobre la capa de separación 5,
S5: depositar una capa de absorción de luz porosa 3 sobre la primera capa conductora 4,
S6: introducir un medio 7 conductor de carga en la pila 12 y el sustrato 2 de soporte hasta que el medio 7 conductor de carga penetre en el sustrato 2 de soporte y la pila 12,
S7: sellar la célula solar.
Según un aspecto, el medio 7 conductor de carga se introduce en el lado del sustrato de soporte que se orienta hacia el interior de la pila 12 de manera que el sustrato de soporte y la pila se impregnan con el medio conductor de carga.
El depósito en las etapas S2-S5 se realiza, por ejemplo, mediante una técnica de pulverización o impresión, tal como impresión por chorro de tinta o serigrafía.
Ahora se explicará con más detalle un ejemplo de cómo se puede llevar a cabo la etapa S3. Se prepara una tinta separadora mezclando un polvo de partículas aislantes con un disolvente, un agente dispersante y un aglutinante. El disolvente es, por ejemplo, agua o un disolvente orgánico. El aglutinante es, por ejemplo, hidroxipropilcelulosa. El agente dispersante es, por ejemplo, Byk 180. La mezcla se agita hasta que las partículas agregadas en el polvo se separan en partículas individuales, y las partículas de la tinta se dispersan bien. La tinta separadora se deposita en el contraelectrodo 6 mediante una técnica de pulverización o impresión. El depósito de la tinta separadora puede repetirse dos, tres o más veces hasta que se haya depositado una capa suficientemente gruesa de partículas aislantes en el contraelectrodo. Preferiblemente, la capa de tinta separadora se seca antes de depositar la siguiente capa de tinta separadora sobre la capa anterior de tinta separadora. Es ventajoso repetir el depósito de la tinta separadora dos o más veces, ya que las siguientes capas de tinta repararán posibles defectos en las capas anteriores de partículas aislantes. Es importante que no haya defectos, tales como grietas u orificios, en la capa de separación 5 ya que esto conducirá a un cortocircuito entre el contraelectrodo 6 y la primera capa conductora 4 porosa.
La célula solar 1a en la Figura 1 se infiltra con un medio 7 conductor de carga en los poros de la capa fotoabsorbente 3, en los poros de la primera capa conductora 4, en los poros de la capa separadora 5, en los poros del contraelectrodo 6 y en los poros del sustrato 2 de soporte. El medio conductor de carga forma una capa continua en el interior de los poros de las capas conductoras, y entre las capas conductoras en el interior de los poros de la capa separadora permitiendo así el transporte de carga eléctrica entre el contraelectrodo 6 y el electrodo de trabajo que incluye la primera capa conductora 4 y la capa de absorción de luz 3. La primera capa de conducción porosa 4 extrae los electrones de la capa de absorción de luz y transporta los electrones hasta un circuito eléctrico externo conectado al contraelectrodo 6 (no mostrado en la Fig. 1). El contraelectrodo 6 se usa para transferir los electrones al medio de conducción de carga 7. El medio de conducción 7 transfiere electrones hacia la capa de absorción de luz 3, completando así el circuito eléctrico.
Dependiendo de la naturaleza del medio de conducción de carga 7, los iones o electrones y los orificios pueden transportarse entre el contraelectrodo y el electrodo de trabajo.
Los electrolitos en las células solares sensibilizadas por colorante se clasifican normalmente en electrolitos líquidos, electrolitos en estado casi sólido o electrolitos en estado sólido. Los electrolitos pueden estar en estado líquido, de gel o sólido. Hay un gran número de electrolitos de cualquier tipo conocido en la bibliografía, véase por ejemplo Chemicals Reviews, Jan 28, 2015, “ Electrolytes in Dye-Sensitized Solar Cells” . Los electrolitos son un componente costoso de las células solares sensibilizadas por colorante. El contraelectrodo está equipado normalmente con una sustancia catalítica 6b que sirve para facilitar la transferencia de electrones al electrolito.
El medio de conducción de carga presenta una cierta resistencia eléctrica a las cargas de transporte. La resistencia eléctrica aumenta con la distancia de transporte de carga. Por lo tanto, cuando se transporta carga eléctrica entre el contraelectrodo y la capa de absorción de luz, siempre habrá una cierta pérdida de resistencia eléctrica en el medio de conducción. Al hacer que el sustrato poroso sea más delgado, las pérdidas resistivas se pueden reducir. Sin embargo, cuando el sustrato poroso se vuelve más delgado, también se vuelve mecánicamente más frágil.
El medio conductor es, por ejemplo, un electrolito convencional IVta" o un electrolito similar, o un electrolito complejo Cu-/C0-. Los complejos a base de metales de transición en estado sólido o los conductores de orificios poliméricos orgánicos son medios de conducción conocidos.
Según algunos aspectos, el medio de conducción comprende complejos de iones de cobre. Un medio de conducción que tiene complejos de cobre como conductor de carga es un medio de conducción no tóxico. Se ha demostrado que el uso de complejos de cobre como medio de conducción proporciona una fototensión resultante muy alta.
El contraelectrodo 6 puede, por ejemplo, depositarse sobre el sustrato 2 de soporte imprimiendo con una tinta que incluye partículas conductoras sólidas. Las partículas conductoras, tales como partículas de hidruro metálico, pueden mezclarse con un líquido para formar una tinta adecuada para el proceso de impresión. Las partículas conductoras también pueden molerse o tratarse de otro modo para lograr un tamaño de partícula adecuado y, en consecuencia, un tamaño de poro deseado del contraelectrodo poroso 6. Las partículas sólidas son preferiblemente basadas en metales y pueden ser metales puros, aleaciones metálicas o hidruros metálicos o hidruros de aleaciones metálicas o mezclas de los mismos.
La capa conductora 4 puede depositarse sobre la capa separadora 5 de la misma manera que el contraelectrodo 6 se deposita sobre el sustrato de soporte 2. Los depósitos pueden tratarse mediante una etapa de tratamiento térmico. Durante el tratamiento térmico, también se tiene lugar una sinterización de las partículas, aumentando así la conductividad y la estabilidad mecánica de las capas conductoras. Los hidruros metálicos se transformarán en metal durante el tratamiento térmico. Al calentar en vacío o en contaminación de gas inerte de las partículas se evita, y se mejora el contacto eléctrico entre las partículas.
La terminología usada en la presente descripción tiene únicamente el fin de describir aspectos particulares de la descripción y no se pretende que limite la invención. Como se usan en la presente memoria, las formas singulares “ un” , “ una” y “ el/la” pretenden incluir asimismo las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
Los términos célula fotovoltaica y célula solar son sinónimos.
A menos que se defina lo contrario, todas las expresiones usadas en la presente memoria tienen el mismo significado que entendería comúnmente el experto en la técnica a la que pertenece esta descripción.
La presente invención no se limita a las realizaciones expuestas, sino que puede variarse y modificarse dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones. Por ejemplo, la pila de capas porosas puede contener otras capas porosas, y el orden de las capas porosas en la pila puede cambiarse.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Una célula solar (1a; 1b) que comprende una pila (12) de capas porosas (3-6), un sustrato (2) de soporte para soportar la pila, y un medio (7) conductor de carga que penetra a través de la pila, en donde la pila (12) comprende:
-una capa fotoabsorbente porosa (3),
-una primera capa (4) conductora porosa que incluye material conductor para extraer electrones fotogenerados de la capa fotoabsorbente,
-un contraelectrodo (6) poroso que incluye material conductor, y
-una capa de separación (5) elaborada de material eléctricamente aislante poroso y dispuesta entre la primera capa conductora (4) y el contraelectrodo (6), y donde la primera capa conductora (4) está dispuesta más cerca de la capa fotoabsorbente (3) que el contraelectrodo (6),
caracterizada porque la pila de capas porosas (3-6) está dispuesta sobre el sustrato de soporte, el sustrato de soporte (2) es poroso, y el medio (7) conductor de carga penetra a través del sustrato de soporte (2).
2. La célula solar según la reivindicación 1, en donde el medio (7) conductor de carga está posicionado integralmente en poros de las capas porosas (3-6) y poros del sustrato (2) de soporte, y el tamaño promedio de los poros de las capas porosas (3-6) es menor que el tamaño promedio de los poros del sustrato (2) de soporte, de modo que las fuerzas capilares en los poros de las capas porosas son más fuertes que las fuerzas capilares en los poros del sustrato de soporte.
3. La célula solar según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en donde el tamaño de al menos 80 % de los poros en las capas porosas (3-6) es menor que 3 μm.
4. La célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el tamaño de al menos 80 % de los poros en el sustrato (2) de soporte es mayor que 3 μm.
5. La célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la porosidad del sustrato (2) de soporte es al menos 50 %, y preferiblemente al menos 70 %, y con máxima preferencia al menos 80 %.
6. La célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el espesor del sustrato (2) de soporte es al menos 20 μm, preferiblemente al menos 30 μm, y con máxima preferencia al menos 50 μm.
7. La célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sustrato (2) de soporte comprende microfibras.
8. La célula solar según la reivindicación 7, en donde el sustrato (2) de soporte comprende microfibras que tienen un diámetro entre 0,2 μm y 10 μm, preferiblemente entre 0,2 μm y 5 μm, y más preferiblemente entre 0,2 y 1 μm.
9. La célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sustrato (2) de soporte comprende microfibras tejidas y no tejidas.
10. La célula solar según la reivindicación 9, en donde el sustrato (2) de soporte comprende una capa (2a) de microfibras tejidas y una capa (2b) de microfibras no tejidas dispuesta sobre la capa (2a) de microfibras tejidas 14.
11. La célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sustrato (2) de soporte es flexible.
12. La célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el espesor de la capa separadora (5) está comprendido entre 3 μm y 50 μm, y preferiblemente entre 15 y 35 μm, y más preferiblemente entre 4 μm y 20 μm.
13. La célula solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio (7) conductor de carga es un electrolito líquido.
14. Un método para fabricar la célula solar según la reivindicación 1, en donde el método comprende:
-proporcionar (S1) un sustrato (2) de soporte poroso,
-depositar (S2) un contraelectrodo poroso (6) sobre el sustrato (2) de soporte poroso, -depositar (S3) una capa (5) de separación porosa sobre el contraelectrodo (6), -depositar (S4) una primera capa conductora (4) porosa sobre la capa de separación (5), -depositar (S5) una capa fotoabsorbente porosa (3) sobre la capa conductora (4),
-introducir (S6) un medio ( 7 ) conductor de carga en la pila (12) y el sustrato (2) de soporte hasta que el medio (7) conductor de carga penetre en el sustrato (2) de soporte y la pila (12), - sellar (S7) la célula solar.
15. Un método según la reivindicación 14, en donde depositar (S2) el contraelectrodo poroso (6) comprende depositar una segunda capa conductora porosa (6a) y una capa (6b) catalítica porosa encima de la segunda capa conductora (6a).
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