ITRM20110653A1 - Contatti elettrochimici verticali di celle fotoelettrochimiche a basso impatto visivo. - Google Patents

Description

Contatti elettrochimici verticali di celle fotoelettrochimiche a basso impatto visivo

La presente invenzione riguarda contatti elettrochimici verticali di celle fotoelettrochimiche o DSSC (dye-sensitized solar cells) a basso impatto visivo.

Più dettagliatamente, l’invenzione riguarda la struttura di detti contatti elettrochimici verticali, integrati nei moduli fotovoltaici di celle DSSC, finalizzata in primo luogo alla riduzione dell’impatto visivo di tali contatti, ma anche ad un miglioramento delle loro performance operative, e un procedimento per la loro realizzazione.

Le celle DSSC sono delle celle fotovoltaiche costituite da una struttura multistrato delimitata da due substrati. Tipicamente, detti substrati sono realizzati con materiali trasparenti (preferibilmente vetro, ma anche PET o PEN) e sono rivestiti, sul lato rivolto verso l’interno della struttura multistrato, da un rivestimento elettricamente conduttivo anch’esso trasparente (generalmente un ossido conduttivo trasparente, preferibilmente un ossido di titanio drogato con fluoro o iodio, rispettivamente FTO e ITO).

Tra i due substrati sono disposti un fotoelettrodo (l’anodo), disposto sul rivestimento conduttivo di uno dei due substrati; un controelettrodo (il catodo), disposto sul rivestimento conduttivo dell’altro substrato; e un elettrolita interposto tra detto fotoelettrodo e detto controelettrodo. In particolare, il fotoelettrodo à ̈ generalmente costituito da un ossido di titanio poroso, che supporta il materiale attivo, costituito da un colorante in grado di trasferire elettroni in seguito all’assorbimento di un fotone. Il controelettrodo à ̈ generalmente costituito da platino, mentre la soluzione elettrolitica à ̈ generalmente a base di iodio (I2) e ioduro di potassio (KI).

Celle fotoelettrochimiche di questo tipo sono state descritte ad esempio nel brevetto statunitense N.

4,927,721; i materiali utilizzabili in questo tipo di celle sono stati descritti ad esempio nel brevetto statunitense N. 5,350,644.

Per la loro natura, i rivestimenti conduttivi delle strutture presentano resistenze elevate. Inoltre, singole celle di questo tipo non sono in grado di generare i livelli di tensione richiesti nella maggior parte delle possibili applicazioni cui una cella fotoelettrochimica può essere destinata.

Per superare questi inconvenienti à ̈ quindi necessario collegare una pluralità di celle fotoelettrochimiche in serie tra loro, con il risultato di generare differenze di tensione maggiori minimizzando la corrente complessiva, ovvero minimizzando le perdite di potenza dovute alla resistenza dei rivestimenti conduttivi.

In pratica, sullo stesso substrato viene realizzato un modulo fotoelettrochimico, ovvero i rivestimenti conduttivi di ciascun substrato vengono suddivisi in una pluralità di regioni elettricamente isolate, generalmente conformate come una pluralità di strisce affiancate tra loro, ciascuna regione del rivestimento conduttivo di uno dei due substrati essendo disposta in una posizione coincidente e solo leggermente sfalsata in direzione trasversale rispetto a quella di una regione del rivestimento conduttivo dell’altro substrato, tra ogni coppia di regioni coincidenti dei due substrati essendo realizzata una cella. Le celle fotoelettrochimiche affiancate, così ottenute, vengono connesse in serie con una connessione integrata sul substrato stesso, realizzata nel corso della realizzazione del modulo.

Le connessioni in serie integrate sul substrato possono essere realizzate secondo diversi schemi, noti come connessione Z, connessione W e connessione esterna.

Le connessioni di tipo Z sono costituite da una serie di contatti verticali, disposti nello spazio tra due celle affiancate, in particolare nello spazio compreso tra i lati lunghi di due celle, ovvero nello spazio non utilizzato per le celle in ragione della disposizione sfalsata delle regioni elettricamente isolate dei rivestimenti conduttivi dei due substrati, e che collegano tra loro le regioni elettricamente isolate del rivestimento conduttivo dei due substrati, secondo una configurazione che sarà spiegata in maggior dettaglio nel seguito della descrizione.

Le connessioni di tipo W sono ottenute senza bisogno di contatti, ma la configurazione del modulo fotoelettrochimico che ne deriva tende ad avere degli sbilanciamenti di corrente interni, in quanto la metà delle celle in un modulo in questa configurazione à ̈ illuminata dalla parte del controelettrodo. Inoltre, sullo stesso substrato si alternano fotoelettrodo e controelettrodo: il biossido di titanio e il platino sono quindi depositati e sinterizzati simultaneamente. Questo implica l’impossibilità di ottimizzare singolarmente il processo di sinterizzazione dei due materiali, che normalmente presentano temperature e tempi di cottura ottimi differenti (420°C circa e 15 minuti per il platino; 500°C circa e 30 minuti per il biossido di titanio).

Per quanto riguarda la connessione esterna, invece, questo tipo di connessione à ̈ realizzata sul bordo del modulo, in prossimità dei lati corti delle strisce che formano le celle fotoelettrochimiche. Il lungo percorso che devono fare gli elettroni per uscire ai lati del modulo, dove avviene la connessione fra singole celle, limita la lunghezza delle celle (per evitare che possano aggiungersi ulteriori perdite dovute alle resistenze) ed impatta notevolmente sul fill factor del modulo, parametro caratteristico che descrive il rapporto tra la potenza massima prodotta dal dispositivo e il prodotto della tensione a circuito aperto per la corrente a circuito chiuso, e che decresce proporzionalmente all’aumentare del valore della resistenza introdotta dalle connessioni tra celle e dalle resistenze di perdita introdotte da lunghi cammini degli elettroni.

Con riferimento alla figura 1, Ã ̈ mostrata schematicamente la configurazione di connessione di tipo Z tra due celle di un modulo fotoelettrochimico visto in sezione trasversale rispetto alla direzione delle strisce definite dalla celle fotoelettrochimiche.

In particolare, la figura 1 mostra i due substrati, indicati con il riferimento numerico 10, ciascuno dei quali à ̈ rivestito, sul lato rivolto verso l’altro substrato, da un rivestimento elettricamente conduttivo trasparente 11. Il rivestimento conduttivo 11 à ̈ suddiviso in regioni elettricamente isolate per mezzo delle interruzioni 12. Ciascuna cella fotoelettrochimica à ̈ realizzata nell’area compresa tra due coincidenti regioni elettricamente isolate dei rivestimenti conduttivi dei due substrati opposti, ciascuna cella essendo costituita da un fotoelettrodo 13, disposto sul rivestimento conduttivo 11 di uno dei due substrati 10; un controelettrodo 14, disposto sul rivestimento conduttivo 11 dell’altro substrato 10; e un elettrolita liquido interposto tra detto fotoelettrodo 13 e detto controelettrodo 14.

Ciascuna cella à ̈ delimitata lateralmente da un incapsulante 16, che serve a trattenere l’elettrolita liquido all’interno della cella.

La connessione in serie tra le due celle à ̈ ottenuta mediante il contatto elettrico verticale 17, che collega la porzione sfalsata della regione elettricamente isolata del rivestimento conduttivo 11 di uno dei due substrati 10 con la coincidente porzione sfalsata della regione elettricamente isolata del rivestimento conduttivo 11 del substrato 10 opposto.

Il percorso di connessione mediante il contatto verticale può essere schematizzato da tre resistenze: una prima resistenza costituita dalla resistenza di contatto tra il rivestimento conduttivo 11 disposto sul primo substrato 10 e il contatto elettrico verticale 17, una seconda resistenza costituita dalla resistenza del materiale del contatto elettrico verticale 17 stesso e una terza resistenza costituita dalla resistenza di contatto tra il contatto elettrico verticale 17 e il rivestimento conduttivo 11 disposto sul substrato 10 opposto al primo.

Secondo la tecnica nota, il contatto elettrico verticale 17 può essere realizzato mediante diverse tecnologie:

- deposizione di una pasta conduttiva sul rivestimento conduttivo di entrambi i substrati e sinterizzazione della stessa pasta prima dell’accoppiamento dei substrati a formare il modulo fotoelettrochimico (incapsulamento);

- deposizione di una pasta conduttiva sul rivestimento conduttivo di un singolo substrato e sinterizzazione della stessa prima dell’accoppiamento dei substrati a formare il modulo fotoelettrochimico (incapsulamento); oppure

- deposizione di una pasta conduttiva (sul rivestimento conduttivo di uno o di entrambi i substrati) e curing della stessa nella fase di sigillatura del modulo fotoelettrochimico.

Le connessioni così realizzate presentano tuttavia problemi di conduzione elettrica all’aumentare della temperatura. Ciò à ̈ dovuto al diverso comportamento termico fra il materiale che costituisce il contatto elettrico e il materiale dell’incapsulante che mantiene l’elettrolita liquido all’interno delle rispettive celle.

Inoltre, le connessioni di questo tipo hanno valori di conducibilità non ottimali, oltre al problema del degrado delle proprie prestazioni all’aumentare della temperatura.

Ma soprattutto, le connessioni di questo tipo sono estremamente visibili (hanno in genere una larghezza di 0,5mm). Inoltre, i metalli e le paste usate nella realizzazione di tali contatti elettrici sono suscettibili di corrosione da parte dell’elettrolita, ovvero in particolare da parte della coppia redox iodio ioduro (il mediatore più performante e usato diffusamente).

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di risolvere il problema del degrado delle prestazioni del contatto elettrico all’aumentare della temperatura, nonché di aumentarne la trasparenza, realizzando un contatto non puramente elettrico ma più specificamente elettrochimico.

Inoltre, tale interconnessione, essendo realizzata con gli stessi materiali delle DSC, come sarà mostrato nel seguito, non presenta i problemi di interazione con l’elettrolita che si riscontrano invece con i materiali usati comunemente secondo la tecnica nota.

Questi ed altri risultati sono ottenuti secondo la presente invenzione proponendo di realizzare contatti verticali elettrochimici, perfettamente mimetizzati all’interno del modulo, in quanto costituiti da una struttura molto simile a quella della cella stessa. I contatti verticali elettrochimici secondo la presente invenzione sono resistenti alle sollecitazioni termiche e meccaniche, altamente trasparenti e chimicamente inerti nei confronti dell’elettrolita.

Scopo della presente invenzione à ̈ quindi quello di realizzare un contatto elettrochimico verticale di celle fotoelettrochimiche che permetta di superare i limiti delle soluzioni secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.

Ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ che detto contatto verticale possa essere realizzato con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di produzione che per quanto concerne i costi di gestione.

Non ultimo scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un contatto elettrochimico verticale di celle fotoelettrochimiche che sia sostanzialmente semplice, sicuro ed affidabile.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un modulo fotovoltaico comprendente due pannelli sovrapposti, almeno uno dei quali à ̈ trasparente o semitrasparente, e ciascuno à ̈ costituito da un substrato piano ricoperto, sul lato rivolto verso l’altro pannello, da un rivestimento elettricamente conduttivo suddiviso in una pluralità di regioni adiacenti elettricamente isolate per mezzo di un corrispondente numero di interruzioni, tra detti pannelli essendo interposte una pluralità di celle fotoelettrochimiche adiacenti, una per ciascuna regione elettricamente isolata, ognuna delle celle fotoelettrochimiche essendo costituita da un fotoelettrodo, disposto sul rivestimento conduttivo di uno dei due substrati, da un controelettrodo, disposto sul rivestimento conduttivo dell’altro substrato, e da un elettrolita liquido interposto tra detto fotoelettrodo e detto controelettrodo, in cui dette celle fotoelettrochimiche adiacenti sono collegate in serie per mezzo di una corrispondente pluralità di contatti verticali, che collegano una regione elettricamente isolata del rivestimento elettricamente conduttivo di un substrato, in contatto con una cella fotoelettrochimica, con la regione elettricamente isolata del rivestimento elettricamente conduttivo del substrato opposto, in contatto con una cella fotoelettrochimica adiacente, in cui detti contatti verticali sono contatti elettrochimici.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, detti contatti verticali comprendono due strati catalitici contrapposti, rispettivamente uno strato catalitico per ciascun pannello, disposto a contatto con il rispettivo rivestimento conduttivo, uno strato di supporto di un colorante, in contatto con detto strato catalitico del pannello su cui si trovano i fotoelettrodi delle celle fotoelettrochimiche del modulo fotovoltaico, detto strato di supporto essendo costituito da un materiale che ha caratteristiche chimiche compatibili con quelle del materiale del fotoelettrodo e detto colorante avendo caratteristiche chimiche compatibili con quelle del colorante di detti fotoelettrodi e un elettrolita liquido, interposto tra detto strato di supporto di un colorante e lo strato catalitico del pannello opposto.

Più preferibilmente, secondo l’invenzione, detto strato di supporto di colorante à ̈ realizzato con lo stesso materiale del fotoelettrodo delle celle del modulo e inoltre detto colorante di detto strato di supporto del colorante à ̈ lo stesso del fotoelettrodo delle celle del modulo.

Ancora, secondo la presente invenzione, detto elettrolita liquido à ̈ chimicamente compatibile con quello delle celle del modulo e preferibilmente à ̈ lo stesso delle celle del modulo.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, detto elettrolita liquido ha una concentrazione ionica maggiore rispetto a quella delle celle del modulo.

Infine, sempre secondo l’invenzione, dette celle fotoelettrochimiche sono disposte a formare delle strisce, e preferibilmente hanno larghezza compresa tra 5 e 8mm.

Risulta evidente l’efficacia dei contatti elettrochimici verticali di celle fotoelettrochimiche secondo la presente invenzione, che, sfruttando le caratteristiche di dispositivi elettrochimici passivi, possono essere realizzati di diversi colori e/o essere altamente trasparenti; sono resistenti all’aumentare della temperatura e ad eventuali contatti con l’elettrolita delle celle DSC; sono integrabili nel processo di fabbricazione di moduli fotovoltaici DSC; offrono una soluzione ingegneristicamente percorribile per realizzare moduli fotovoltaici (e quindi vetrate fotovoltaiche), secondo la tecnologia Dye Solar Cell, con elevate caratteristiche di uniformità, quest’ultima caratteristica risultando fondamentale per soddisfare i requisiti delle soluzioni BIPV (Building-integrated Photovoltaics).

L’invenzione verrà descritta nel seguito a titolo illustrativo, ma non limitativo, con particolare riferimento ad alcuni esempi illustrativi, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 mostra schematicamente la configurazione di connessione di tipo Z tra due celle di un modulo fotoelettrochimico, secondo la tecnica nota,

- la figura 2 mostra schematicamente la configurazione di connessione di tipo Z tra due celle di un modulo fotoelettrochimico, secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione,

- la figura 3A mostra schematicamente un substrato per il fotoelettrodo di un modulo fotoelettrolitico secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione prima dell’accoppiamento con il corrispondente substrato del controelettrodo,

- la figura 3B mostra schematicamente un substrato per il controelettrodo corrispondente al substrato per il fotoelettrodo di figura 3A, prima dell’accoppiamento,

- la figura 4 mostra un grafico dell’andamento dell’efficienza (espressa in rapporto all’efficienza misurata ad una temperatura di riferimento pari a 25°C) al variare della temperatura (espressa in °C) di un modulo fotoelettrochimico realizzato secondo la presente invenzione,

- la figura 5 mostra due immagini fotografiche affiancate, rispettivamente quella a sinistra relativa ad un modulo in cui i contatti verticali sono realizzati secondo la tecnica nota e quella a destra relativa ad un modulo in cui i contatti verticali sono realizzati secondo gli insegnamenti della presente invenzione, e

- la figura 6 mostra un grafico dell’andamento dell’efficienza (espressa come la percentuale di potenza luminosa incidente convertita in potenza utile) al variare dell’intensità di illuminazione (espressa in W/m<2>) di due diversi tipi di modulo fotoelettrochimico realizzato secondo la presente invenzione, rispettivamente con celle disposte a strisce larghe 5mm e 10mm.

Come già precedentemente detto, obiettivo della presente invenzione à ̈ la realizzazione di contatti verticali elettrochimici perfettamente mimetizzati all’interno di un modulo fotoelettrochimico, in quanto costituiti da una struttura molto simile a quella delle celle del modulo fotoelettrochimico stesso.

Con riferimento alla figura 2, un contatto elettrochimico verticale secondo la presente invenzione à ̈ complessivamente indicato con il riferimento numerico 20 ed à ̈ costituito da due strati di catalizzatore 21 (ad esempio: platino, PEDOT, oro, CoS), disposti rispettivamente sul rivestimento conduttivo 11 di uno dei due substrati 10 e sul rivestimento conduttivo 11 dell’altro substrato 10; da uno strato 22, disposto sullo strato di catalizzatore 21 che a sua volta si trova sul rivestimento conduttivo 11 del substrato 10 su cui à ̈ disposto il fotoelettrodo 13 delle celle del modulo fotoelettrochimico (ma che potrebbe trovarsi anche sul rivestimento conduttivo 11 del substrato opposto, la scelta del substrato 10 su cui à ̈ disposto il fotoelettrodo 13 delle celle del modulo fotoelettrochimico avendo ragioni estetiche ma non di funzionamento), detto strato 22 essendo realizzato con un materiale compatibile con quello utilizzato per la realizzazione del fotoelettrodo 13 delle celle del modulo fotoelettrochimico (preferibilmente lo stesso materiale, generalmente un ossido di titanio poroso), e supportando un colorante compatibile con quello utilizzato per la realizzazione del fotoelettrodo 13 delle celle del modulo fotoelettrochimico (preferibilmente lo stesso colorante) e da un elettrolita liquido 23 interposto tra detto strato 22 e lo strato di catalizzatore 21 disposto sul rivestimento conduttivo 11 dell’altro substrato 10 (che può essere lo stesso elettrolita delle celle del modulo elettrochimico o comunque un elettrolita compatibile, ma che preferibilmente ha una concentrazione ionica maggiore).

Ciascun contatto elettrochimico verticale 20 secondo la presente invenzione à ̈ separato dalle celle che lo affiancano per mezzo dello stesso incapsulante 16 che delimita lateralmente ciascuna cella.

È di immediata evidenza che la struttura del contatto elettrochimico verticale 20 secondo la presente invenzione à ̈ estremamente simile alla struttura delle celle fotoelettrochimiche dello stesso modulo, ma ha una caratteristica puramente resistiva.

Il percorso di connessione mediante il contatto verticale elettrochimico della presente invenzione può essere schematizzato, tenendo presente la natura elettrochimica del contatto, da due resistenze di interfaccia (che diminuiscono all’ aumentare della temperatura) e dalla resistenza alla diffusione ionica dell’elettrolita (anch’essa diminuisce all’aumentare della temperatura). Le mancate corrispondenze di espansione termica e meccanica, che tipicamente caratterizzano le connessioni realizzate secondo le soluzioni della tecnica nota, sono in questo caso superate per il fatto che i materiali usati per produrre rispettivamente le celle e il contatto verticale sono gli stessi. Inoltre, il contatto dei due elettrodi à ̈ garantito dall’elettrolita liquido iniettato con il vuoto.

Il procedimento per la realizzazione del contatto elettrochimico verticale 20 secondo la presente invenzione prevede che lo stesso possa essere realizzato tramite varie tecniche di deposizione (serigrafia o, con terminologia inglese, screen printing, stampa a getto di inchiostro o ink jet printing, dispensing, sputtering, CVD, spray), stampando un catalizzatore (platino, PEDOT, oro, CoS) sul rivestimento conduttivo dei due substrati che dovranno poi essere accoppiati. Su uno dei due substrati viene successivamente depositato uno strato di materiale compatibile con il fotoelettrodo delle celle che costituiscono il modulo fotoelettrochimico, generalmente biossido di titanio mesoporoso, secondo le soluzioni di tecnica nota nell’ambito della tecnologia delle celle fotoelettrochimiche. Dopo una calcinazione in forno a 500 °C, o anche a basse temperature (100 °C) con aggiunta di pressione, il substrato su cui à ̈ stato deposto lo strato che costituirà il fotoelettrodo viene immerso in una soluzione di colorante secondo le soluzioni di tecnica nota nell’ambito della tecnologia delle celle fotoelettrochimiche. Successivamente, tale substrato viene risciacquato ed accoppiato all’altro substrato con l’intermediazione di un sigillante. Nell’interspazio tra i due substrati viene poi inserito un elettrolita per connettere le due superfici, opportunamente scelto in relazione al catalizzatore usato, sempre secondo gli insegnamenti della tecnica nota.

È di immediata evidenza che la realizzazione del contatto elettrochimico verticale 20 secondo la presente invenzione à ̈ perfettamente compatibile con il procedimento di realizzazione di un corrispondente modulo fotoelettrohimico, come sarà meglio descritto nel seguito.

Il dispositivo da realizzare con questo tipo di contatti, denominato modulo fotoelettrochimico, si compone (come i corrispondenti dispositivi ottenibili secondo la tecnica nota) di due pannelli 24’, 24†, costituiti dai substrati 10 e dai relativi strati che li ricoprono, che devono essere accoppiati tra loro mediante l’interposizione di un sigillante 16, fra i quali viene inserito un elettrolita 15, contenente un’opportuna coppia redox, responsabile del trasporto di carica interno tra i due pannelli 24’, 24†.

I due pannelli 24’, 24†possono essere distinti in pannello del fotoelettrodo 24’ e pannello del controelettrodo 24†, rispettivamente dovendo il loro nome al fatto di essere ricoperti con il materiale che formerà il fotoelettrodo 13 oppure con il materiale che formerà il controelettrodo 14.

Il dispositivo da realizzare à ̈ in realtà un modulo con celle integrate insieme alla connessione, sullo stesso substrato, connesse in serie. Ciò significa che il prodotto finale sarà in realtà la composizione di più dispositivi (celle) intervallati da un elemento di connessione(contatto verticale).

Con riferimento alla figura 3A, il pannello del fotoelettrodo 24’ à ̈ costituito da un’alternanza di bande di TiO2(rappresentanti i singoli fotoelettrodi 13 delle celle) e di catalizzatore (rappresentanti uno degli elettrodi 21 del contatto verticale 20). Il pannello del fotoelettrodo 24’ viene quindi realizzato stampando una pasta di TiO2sul substrato 10 e, dopo la calcinazione di quest’ultima, deponendo e processando il catalizzatore negli spazi dove non vi à ̈ il TiO2. Le zone in cui viene stampato il TiO2rappresentano le zone attive del dispositivo e quindi tenderanno ad occupare un’area maggiore sul modulo. Le zone dove viene depositato il catalizzatore, invece, costituiranno un elettrodo per il contatto verticale.

Con riferimento alla figura 3B, per realizzare il pannello del controelettrodo 24†, invece, si depone su tutto il substrato 10 uno strato 25 di catalizzatore. Successivamente si depone, solo nelle zone 26 che in fase di accoppiamento risulteranno corrispondenti alle aree del fotoelettrodo con il catalizzatore, il biossido di titanio, che viene poi calcinato.

Di conseguenza, il pannello del controelettrodo 24†à ̈ costituito da aree che funzionano da controelettrodo per le celle DSC che sono nel modulo e da aree (quelle su cui viene successivamente stampato il TiO2) che funzionano da secondo elettrodo per la connessione verticale.

Entrambi i pannelli 24’, 24†vengono successivamente immersi nel colorante.

Una volta realizzati i pannelli 24’, 24†, questi vengono accoppiati, attraverso l’intermediazione di un sigillante deposto in modo tale da isolare le une dalle altre le celle interne e i contatti verticali, secondo i procedimenti della tecnica nota.

Successivamente all’accoppiamento, sia nelle celle attive che nelle celle che costituiranno la connessione verticale viene inserito un rispettivo elettrolita.

Essendo le aree dei contatti e delle celle diverse, all’interno dei due elementi scorrerà una densità di corrente(mA/cm<2>) diversa.

In particolare, le celle del modulo fotoelettrochimico, che costituiscono le aree attive del modulo, avranno una densità di corrente minore rispetto a quella dei contatti (aree passive del modulo). Questo suggerisce che, sebbene si possa usare lo stesso elettrolita sia per le celle che per i contatti, à ̈ preferibile che la concentrazione ionica dell’elettrolita dei contatti sia maggiore di quella delle celle, dovendo il primo supportare una densità di corrente maggiore.

Una densità di corrente maggiore, infatti, a parità di concentrazione della coppia redox, può portare, specialmente ad alti livelli di irraggiamento solare del modulo (e quindi di corrente), ad una limitazione di tipo diffusivo della corrente all’interno del contatto e, dunque, ad un cattivo funzionamento del modulo.

È inoltre preferibile utilizzare per l’elettrolita dei solventi che favoriscano il trasporto ionico (ovvero poco viscosi) e la catalisi delle specie.

Per valutare le caratteristiche dei contatti elettrochimici verticali secondo la presente invenzione e dei moduli fotovoltaici di celle DSSC realizzati integrando detti contatti, e in particolare per verificare l’impatto delle caratteristiche geometriche delle celle ottenute secondo l’invenzione sulle performance dei moduli stessi, sono stati realizzati, secondo il procedimento sopra descritto, diversi tipi di moduli con celle a strisce. Tenendo presente che il parametro geometrico chiave di moduli con celle a strisce à ̈ la larghezza delle celle, sono stati realizzati due tipi di moduli, con strisce (celle) aventi rispettivamente larghezza pari a 5mm e a 10mm, mentre la larghezza di striscia del contatto elettrochimico in tutti i casi à ̈ stata fissata pari a 5mm.

I moduli realizzati a tale scopo sono stati ottenuti utilizzando materiali facilmente reperibili sul mercato, ovvero non à ̈ stato fatto nessuno studio di ottimizzazione dei materiali. Di conseguenza, i risultati ottenuti non sono rappresentativi dei risultati raggiungibili mediante la soluzione della presente invenzione, ma sono ritenuti dalla richiedente ugualmente soddisfacenti, dal momento che permettono di dimostrare la possibilità di un conveniente utilizzo della soluzione proposta secondo la presente invenzione.

È altresì chiaro che, in questi esempi, non essendo stati ottimizzati i materiali per la connessione (in particolare l’elettrolita), si sono ottenuti risultati al di sotto dei risultati ottenibili con la tecnica nota. Tali riscontri sperimentali dimostrano, tuttavia, il corretto funzionamento dei dispositivi realizzati secondo la presente invenzione.

In particolare, per il TiO2à ̈ stata utilizzata la pasta serigrafabile 18-nrt Dyesol. Il colorante utilizzato à ̈ un sensibilizzatore al rutenio commerciale, noto come N-719 Dyesol. Come elettrolita à ̈ stato utilizzato un elettrolita commerciale con solvente a base si acetonitrile (HPE- High Performance Electrolyte, Dyesol). Il materiale per il catalizzatore à ̈ una pasta serigrafabile commerciale HCP Dyers s.r.l.. L’incapsulante utilizzato à ̈ bynel Dupont e i vetri sono Pilkington TEC 8.

La figura 4 mostra l’andamento dell’efficienza al variare della temperatura di un modulo fotoelettrochimico realizzato secondo la presente invenzione ed à ̈ ugualmente rappresentativa dell’andamento di tutti i moduli realizzati ai fini di valutare l’applicabilità della presente invenzione. In particolare, sulle ordinate del diagramma sono riportati i valori di efficienza espressi in rapporto all’efficienza misurata a 25°C, assunta quale valore di riferimento. L’andamento mostrato nel diagramma permette di riscontrare un aumento di efficienza del 14% al variare della temperatura da 25°C a 60°C. L’andamento mostrato à ̈ dovuto principalmente alla diminuzione della resistenza dei contatti verticali realizzati secondo la presente invenzione rispetto ai contatti secondo la tecnica nota.

La figura 5 mostra l’impatto visivo dei contatti realizzati secondo la presente invenzione a paragone con quelli realizzati con la tecnica nota.

Infine, con riferimento alla figura 6, à ̈ mostrata l’efficienza misurata di due diversi moduli con connessione elettrochimica realizzati secondo la presente invenzione, al variare del livello di illuminazione. Le prove effettuate sui due moduli fotoelettrochimici, rispettivamente un primo modulo con celle larghe 5mm (larghezza comparabile con la larghezza del contatto verticale elettrochimico) e un secondo modulo con celle larghe 10mm (circa il doppio della larghezza del contatto verticale), hanno permesso di verificare che le celle più strette forniscono efficienze più alte, in quanto all’interno dei relativi contatti scorre meno corrente. Nel caso di cella larga 5mm, infatti, non si riscontrano problemi di limitazione dovuti a diffusione, essendo l’area di cella uguale all’area di contatto. Nel caso di cella larga 10mm, invece, si osservano ulteriori limitazioni dovute principalmente a fenomeni diffusivi.

Per entrambe le geometrie tuttavia à ̈ necessaria un’ulteriore ottimizzazione dei materiali.

Tenendo conto che gli intervalli di larghezza preferibili sono determinati in prima approssimazione dalla Sheet resistance dei substrati, dai livelli di corrente che la cella fornisce e dagli spazi inattivi del modulo, nonché dalla quantità di ioni a disposizione dell’elettrolita utilizzato per la connessione, l’intervallo di larghezza preferito delle celle può andare da 5 a 8mm, mentre, secondo le tecnologie a film sottile della tecnica nota, una larghezza di cella preferita varia da 6/7mm fino a 12mm, e ancora più preferibilmente ha un valore intorno ai 10mm.

La presente invenzione à ̈ stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma à ̈ da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1) Modulo fotovoltaico comprendente due pannelli (24’, 24†) sovrapposti, almeno uno dei quali à ̈ trasparente o semitrasparente, e ciascuno à ̈ costituito da un substrato (10) piano ricoperto, sul lato rivolto verso l’altro pannello, da un rivestimento elettricamente conduttivo (11) suddiviso in una pluralità di regioni adiacenti elettricamente isolate per mezzo di un corrispondente numero di interruzioni (12), tra detti pannelli (24’, 24†) essendo interposte una pluralità di celle fotoelettrochimiche adiacenti, una per ciascuna regione elettricamente isolata, ognuna delle celle fotoelettrochimiche essendo costituita da un fotoelettrodo (13), disposto sul rivestimento conduttivo (11) di uno dei due substrati (10), da un controelettrodo (14), disposto sul rivestimento conduttivo (11) dell’altro substrato (10), e da un elettrolita liquido interposto tra detto fotoelettrodo (13) e detto controelettrodo (14), in cui dette celle fotoelettrochimiche adiacenti sono collegate in serie per mezzo di una corrispondente pluralità di contatti verticali, che collegano una regione elettricamente isolata del rivestimento elettricamente conduttivo(11) di un substrato (10), in contatto con una cella fotoelettrochimica, con la regione elettricamente isolata del rivestimento elettricamente conduttivo(11) del substrato (10) opposto, in contatto con una cella fotoelettrochimica adiacente, caratterizzato dal fatto che detti contatti verticali sono contatti elettrochimici.
2. 2) Modulo fotovoltaico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti contatti verticali comprendono due strati catalitici (21) contrapposti, rispettivamente uno strato catalitico (21) per ciascun pannello, disposto a contatto con il rispettivo rivestimento conduttivo (11), uno strato (22) di supporto di un colorante, in contatto con detto strato catalitico (21) del pannello su cui si trovano i fotoelettrodi (13) delle celle fotoelettrochimiche del modulo fotovoltaico, detto strato di supporto essendo costituito da un materiale che ha caratteristiche chimiche compatibili con quelle del materiale del fotoelettrodo (13) e detto colorante avendo caratteristiche chimiche compatibili con quelle del colorante di detti fotoelettrodi (13) e un elettrolita liquido (23), interposto tra detto strato (22) di supporto di un colorante e lo strato catalitico (21) del pannello opposto.
3. 3) Modulo fotovoltaico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto strato (22) di supporto di colorante à ̈ realizzato con lo stesso materiale del fotoelettrodo (13) delle celle del modulo.
4. 4) Modulo fotovoltaico secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto colorante di detto strato (22) di supporto del colorante à ̈ lo stesso del fotoelettrodo (13) delle celle del modulo.
5. 5) Modulo fotovoltaico secondo una qualsiasi delle rivendicazione 2 - 4, caratterizzato dal fatto che detto elettrolita liquido (23) Ã ̈ chimicamente compatibile con quello delle celle del modulo.
6. 6) Modulo fotovoltaico secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto elettrolita liquido (23) Ã ̈ lo stesso delle celle del modulo.
7. 7) Modulo fotovoltaico secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che detto elettrolita liquido (23) ha una concentrazione ionica maggiore rispetto a quella delle celle del modulo.
8. 8) Modulo fotovoltaico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-7, caratterizzato dal fatto che dette celle fotoelettrochimiche sono disposte a formare delle strisce.
9. 9) Modulo fotovoltaico secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che dette celle fotoelettrochimiche hanno larghezza compresa tra 5 e 8mm.