BR112014008631B1 - Método para preparação de células solares sensibilizadas por corantes e células solares assim produzidas - Google Patents
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Abstract
método para preparação de célula solares sensibilizadas por corantes e células solares assim produzidas uma célula solar sensibiliza com corante tendo uma camada de pó condutor porosa, camada esta que é formada: por deposição de um depósito compreendendo partículas de metal por sobre um substrato aquecimento do depósito em uma etapa de aquecimento subsequente, a fim de decompor as partículas de hidreto de metal para formar partículas de metal; e sinterização das partículas de metal, para formar uma camada de pó condutor porosa.
Description
[001] A invenção diz respeito a um método para produção de células solares sensibilizadas por corantes, DSC, compreendendo pelo menos um eletrodo de uma camada de pó condutivo poroso, e à DSC tendo desempenho elétrico aperfeiçoado.
[002] Existe uma demanda crescente por células solares fotovoltaicas de baixo custo. Células solares sensibilizadas por corante (DSC’s) desenvolvidas por M Gratzel, et a. são um novo tipo de células solares feitas de materiais de baixo custo e que podem ser fabricadas por técnicas de impressão convencionais; ver, por exemplo, o documento US5084365.
[003] A DSC convencional tem uma camada de eletrodo operacional de TiO2 poroso de poucos micrômetros de espessura, por sobre um substrato condutor transparente. O eletrodo operacional de TiO2 compreende partículas de TiO2 interconectadas tingidas por moléculas de corante adsorventes (tipicamente, um complexo de poli(rutênio-piridila)) na superfície das partículas de TiO2. O substrato condutor transparente é, normalmente, um óxido condutor transparente (TCO), por exemplo, óxido de estanho dopado com flúor (FTO), depositado por sobre um substrato de vidro. Outros tipos de materiais de TCO, tais como óxido de estanho dopado com índio (ITO) ou óxido de zinco dopado com alumínio, ou óxido de estanho dopado com antimônio, são também usados. A camada de TCO serve a função como um contato traseiro extraindo elétrons foto-gerados a partir do eletrodo operacional de TiO2 corado. O eletrodo de TiO2 está em contato com um eletrólito (tipicamente contendo pares de íons I_/I3’) e outro substrato condutor transparente, isto é, um contra-eletrodo. A camada de TCO do contra-eletrodo é usualmente coberta com uma espessa camada catalítica de platina. A platina tem um forte efeito catalítico, facilitando a transferência de elétrons para o eletrólito.
[004] As bordas dos substratos condutores estão usualmente não depositadas com material de eletrodo de TiO2. Os dois substratos condutores são selados nas bordas, a fim de proteger os componentes de DSC contra a atmosfera circundante, e para evitar a evaporação ou o vazamento dos componentes de DSC do lado de dentro da célula.
[005] A luz incidente passa através do TCO, para criar elétrons foto-gerados a partir do eletrodo operacional de TiO2 tingido. O TCO tem um efeito de sombreamento, conforme ele absorve partes da luz incidente, diminuindo, assim, a quantidade de luz que alcança o eletrodo operacional de TiO2 tingido. A transparência aumentada no TCO conduz à condutividade mais baixa e vice-versa. Não é possível ter elevada transparência e elevada condutividade ao mesmo tempo.
[006] Devido à baixa condutividade do óxido condutor transparente, TCO, as células têm que ser depositadas em segmentos ou fitas com intervalos entre elas. Os coletores atuais são depositados nos intervalos para conectar os segmentos de fitas, para formar módulos de células solares. Quanto mais largos forem os segmentos, maiores serão as perdas ôhmicas eletrônicas na camada de TCO, por causa da pobre condutividade de TCO. As células individuais são conectadas eletricamente em paralelo ou em série, para intensificar a corrente da DSC ou a voltagem da DSC, respectivamente. A conexão elétrica pode ser feita do lado de fora das células usando equipamento periférico, tais como cabos ou soldas. Alternativamente, a conexão elétrica pode ser feita do lado de dentro das células, por distribuição dos componentes da DSC, de uma maneira tal que a desejada conexão em paralelo ou em série das células seja conseguida.
[007] A baixa condutividade do óxido condutor transparente, TCO, é um problema, já que ela limita a largura dos segmentos. Outro problema é que vidro com base em TCO é caro, e o uso de dois vidros com base em TCO, na construção de DSC, aumenta o custo ainda mais. A fim de resolver esses problemas, têm sido feitas tentativas de se trocar vidro com base em TCO do contato traseiro por depósito a vácuo de uma camada de metal condutor sobre o eletrodo operacional de TiO2 por uso de técnicas de salpicamento (sputtering) de metal. Uma vez que a camada de metal salpicado depositada é eletricamente condutora, o vidro com base em TCO pode ser trocado por um vidro sem TCO, o qual é muito mais barato.
[008] Em Yohei Kashiwa, Yorikazu Yoshida e Shuzi Hayase, PHYSICS LETTERS 92, 033308 (2008)) é descrita a eletro-aspersão de um ZnO com formato de tetrápode por sobre a camada de TiO2, seguida por salpicamento de metal de titânio sobre o topo da camada de TiO2 recoberta com ZnO. O ZnO com formato de tetrápode, que foi incrustrado na camada de titânio, foi, então, removido por lavagem por subsequente dissolução de ZnO em HCl, a fim de formar uma camada de titânio suficientemente porosa. A porosidade da camada de titânio tem que ser suficiente, a fim de não criar limitações de fusão de íons de eletrólito com perdas resistivas, como uma consequência. Além disso, o processo de sensibilização com corante pode ser desacelerado, devido a problemas de difusão através da camada de titânio.
[009] Yohei Kashiwa, Yorikazu Yoshida e Shuzi Hayase, PHYSICS LETTERS 92, 033308 (2008)) e o documento U.S. 2009314339 descrevem métodos para aumentar a porosidade de camadas de metal depositadas a vácuo. No documento U.S. 2009314339, é formada uma camada de partículas finas sobre a superfície da camada de TiO2 porosa e, subsequentemente, é formado um filme de metal condutor sobre a superfície da camada de partículas finas; e, depois disto, a camada de partículas finas é removida por aquecimento ou limpeza com solvente. O salpicamento e a deposição a vácuo de camadas de metais são muito caros e métodos lentos, que não são adequados para produção em massa de grandes áreas. Também não é possível formar camadas de espessura e porosidade suficientes com esses métodos.
[0010] Outras tentativas têm sido feitas para diminuir a resistência interna do contato traseiro por colocação do contato traseiro no lado oposto do eletrodo operacional da luz incidente e formar o contato traseiro como um filme de metal poroso em contato com o eletrodo operacional. No documento EP 1708301, é descrita uma célula solar sensibilizada com corante feita por impressão de um substrato de folha verde de alumina e, depois disto, fornece um segundo eletrodo coletor por impressão com tela de uma pasta contendo partículas de tungstênio até uma espessura de 1 a 10 micrômetros, um filme condutor de uma tinta metalizada contendo platina é impressa com tela sobre o segundo eletrodo coletor (contra-eletrodo). Uma folha verde de alumina adicional, para uma camada isolante, é formada por impressão com tela de uma lama de alumina por sobre o filme condutor. Por sobre a camada de folha verde de alumina, é aplicado um primeiro eletrodo coletor (contato traseiro) por impressão com tela da pasta contendo tungstênio. Depois disso, a lâmina verde é sinterizada à 1.500°C em uma atmosfera redutora e, então, a camada de eletrodo de titânia é impressa sobre o laminado sinterizado e secada e, depois disto, a célula é selada.
[0011] O segundo eletrodo coletor não necessita ser uma camada impressa e pode ser trocada por um substrato de metal ao invés. O metal pode ser tungstênio, titânio, níquel, platina, ouro ou cobre. As partículas de tungstênio na pasta poderiam ser trocadas por outros metais, tais como titânio ou níquel. Um material de óxido formador de poros pode ser incluído na pasta, a fim de assegurar uma porosidade de 10 a 30 %, de modo que o eletrólito possa ser distribuído no material poroso. A impressão com tela do substrato é um procedimento lento, que frequentemente resulta em defeitos, como pequenos furos no material, o que torna difícil imprimir a camada de metal condutor por sobre o substrato verde.
[0012] O laminado impresso é integralmente sinterizado à 1.500°C. A temperatura de sinterização pode ser necessária para se conseguir um efeito de sinterização entre as partículas de tungstênio.
[0013] A elevada temperatura, à parte dos custos de aquecimento, também exige que a célula contenha materiais específicos, que possam resistir à temperatura elevada. A sinterização à elevada temperatura é também combinada com um risco de contaminação do material condutor e, assim, deteriora suas propriedades condutoras.
[0014] No documento WO 2011096154, é descrita uma célula solar sensibilizada com corante do tipo sanduíche, com uma camada de metal condutor porosa formada sobre um pano de vidro ou um substrato de papel de vidro. A camada de metal porosa pode ser formada por salpicamento ou por impressão de uma pasta contendo partículas de titânio até uma espessura de 0,3 a 100 micrômetros. Uma pasta de titânia é impressa repetidamente por sobre o filme de metal condutor poroso e calcinada à 400°C até que a espessura desejada seja atingida. Uma folha de resina transparente, depois disso, pode ser colada ao eletrodo de titânia. Outra folha de resina é fornecida com um filme condutor transparente tendo uma camada fina de platina salpicada e é disposta no lado de topo do pano de vidro e o eletrólito é fornecido e a célula é selada. O pó de metal de titânio fino usado é muito caro e os procedimentos para preparação da célula são complicados.
[0015] Outro problema com as soluções acima diz respeito às partículas de metal usadas para formar os eletrodos. As partículas de tungstênio e as partículas de titânio têm uma fina camada de óxido sobre a superfície, o que prejudica o contato elétrico entre as partículas.
[0016] No documento PCT/EP2011/067603 (não publicado), é mostrado um método para produção de células solares sensibilizadas com corante, compreendendo um eletrodo traseiro e um contra-eletrodo de camada de pó condutor porosa, sendo que a camada de pó condutivo porosa pode ser feita por impressão de um pó de metal ou de hidreto de metal e, depois disto, por compactação da camada de pó, para se conseguir o contato entre as partículas. As partículas de hidreto são tratadas com calor depois da compactação, de modo a transformar o hidreto em metal. Um tratamento com calor adicional é opcional.
[0017] A etapa de compactação é custosa e pode introduzir zonas irregulares, nas quais o material está se agregando de maneiras indesejadas, que podem causar problemas quando o eletrólito da DSC for distribuída uniformemente ao longo de toda a camada. Isso é especialmente pronunciado para camadas de partículas de hidreto de metal, que, em um grau maior, consistem em partículas com formato não conforme.
[0018] É um objetivo da presente invenção fornecer um método eficaz quanto aos custos para produção de uma células solar sensibilizada por corante, DSC, tendo uma camada de pó condutor porosa.
[0019] A camada de pó condutor porosa terá baixas perdas elétricas devido à sua baixa resistividade. A porosidade da camada de pó condutor porosa permitirá transporte iônico e de corante através da camada.
[0020] A DSC compreendendo uma camada de pó condutor porosa terá uma capacidade de lidar com corrente aumentada. Isso possibilita a construção de módulos de células solares sensibilizadas por corante, nas quais cada célula pode ter uma área maior.
[0021] A camada de pó condutor porosa pode ter diferentes funções na DSC: - Função de contato traseiro. Um contato traseiro extrai elétrons do eletrodo operacional - Função de contra-eletrodo. O contra-eletrodo transfere elétrons para o eletrólito. - Tanto o contato traseiro quanto o contra-eletrodo podem ser camadas de pó condutor porosas.
[0022] Um camada de pó condutor porosa usada como contato traseiro está em contato elétrico direto com o eletrodo operacional.
[0023] O contra-eletrodo compreende uma segunda camada de pó condutor porosa. A segunda camada de pó condutor porosa pode ter partículas catalíticas integradas na estrutura de pó condutor poroso. Alternativamente, a segunda camada condutora porosa compreende uma camada de pó condutor porosa e uma camada catalítica separada em contato direto com a camada de pó condutor porosa. A segunda camada de pó condutor porosa é formada da mesma maneira que a camada de pó condutor porosa.
[0024] A camada de pó condutor porosa é formada por: - Deposição de um depósito compreendendo partículas de hidreto de metal por sobre um substrato; - Aquecimento do depósito em uma etapa de aquecimento subsequente, a fim de decompor as partículas de hidreto de metal para formar partículas de metal; e sinterização das partículas de metal para formação uma camada de pó condutor porosa.
[0025] No caso da segunda camada de pó condutor porosa estar em contato com uma camada catalítica separada, então, a segunda camada de pó condutor porosa será formada por: - Deposição de um depósito compreendendo partículas de hidreto de metal por sobre uma camada catalítica ou a deposição da camada catalítica por sobre o depósito compreendendo partículas de hidreto de metal. - Aquecimento do depósito em uma etapa de aquecimento subsequente, a fim de decompor as partículas de hidreto de metal para formar partículas de metal; e sinterização as partículas de metal para formação de uma camada de pó condutor porosa.
[0026] A fim de minimizar a resistência da célula, é vantajoso depositar a camada catalítica tão próximo quanto possível da camada de contato traseiro.
[0027] Os hidretos de metal são quebradiços e as partículas de hidreto de metal têm uma forma irregular, não esférica. O depósito de partículas de hidreto de metal forma uma camada relativamente estável e a compactação da camada a fim de se conseguir o contato interpartículas e a estabilidade mecânica não é necessário. Em uma etapa ou etapas de aquecimento subsequentes, as partículas de hidreto de metal são decompostas em partículas de metal e as partículas de metal são sinterizadas para formar uma camada de pó condutor porosa. A decomposição das partículas de hidreto de metal pode ocorrer na mesma etapa de tratamento com calor que a sinterização ou ser realizada em uma etapa separada antes da etapa de tratamento com calor de sinterização. De preferência, a sinterização é realizada em vácuo ou gás inerte, a fim de evitar a contaminação das partículas.
[0028] As temperaturas de tratamento com calor, suficientes para que ocorra a sinterização entre as partículas, dependem do material usado. As temperaturas estão normalmente na faixa de 550 - 1.250°C, ou de 550 - 850°C ou de 700 - 1.200°C.
[0029] Uma primeira etapa de tratamento com calor, abaixo da temperatura de sinterização e acima da temperatura de decomposição do hidreto, a fim de primeiro liberar o hidrogênio antes da sinterização, é normalmente feita em uma temperatura na faixa de 300 - 600°C. TiH2, por exemplo, pode ser pré-aquecido à 350 - 550°C, para liberar uma quantidade substancial de hidrogênio antes da sinterização.
[0030] As partículas de metal formadas a partir das partículas de hidreto de metal assumem uma forma irregular, não esférica, e podem estar basicamente livres de óxido na superfície. Isso torna as partículas adequadas para formação de uma camada de pó condutor porosa com excelente condutividade.
[0031] Para impressão do depósito, podem ser usadas várias técnicas conhecidas na técnica. Exemplos de técnicas de impressão são revestimento com molde de fenda, gravura, impressão com tela, revestimento com faca, revestimento com lâmina, bisturi (doctor blading), impressão flexográfica, revestimento por imersão ou aplicação de spray. A deposição de pó seco pode ser feita, por exemplo, por peneiramento ou deposição de pó eletrostática.
[0032] As partículas de hidretos de metal podem ser misturadas com um líquido para formar uma tinta adequada para o processo de impressão. As partículas também pode ser moída ou de outra maneira tratadas a fim de alcançar um tamanho ou tamanhos de partícula particulares, para formação da camada de pó condutor porosa. Outros componentes também em forma sólida podem ser adicionados à tinta. O depósito para deposição de pó seco pode conter outros componentes para facilitar o processo de deposição.
[0033] O depósito de hidretos de metais pode ser misturado com partículas de metais puros ou ligas de metais.
[0034] A porosidade da camada de pó condutor porosa é importante, a fim de assegurar a passagem do eletrólito na estrutura. Se o eletrólito não for bem distribuído, a eficiência da célula diminuirá.
[0035] A porosidade da camada de pó condutor porosa, de preferência, estará entre 30 a 70 % ou entre 45 ou 65 % ou 40 a 60 %.
[0036] Os hidretos de metais podem ser hidretos de metais puros ou hidretos de ligas de metais ou misturas dos mesmos.
[0037] O componente de metal resultante formando a camada de pó condutor porosa têm que ter uma resistência à corrosão adequada, como resistir ao ambiente na DSC.
[0038] O hidreto de metal é, de preferência, um hidreto de titânio ou liga de titânio ou misturas dos mesmos. Outros exemplos são hidretos de ligas de níquel, como, por exemplo, Hasteloy, Incoloy, Inconel, liga Haynes e Monel ou hidretos de molibdênio, tungstênio, cromo, zircônio, nióbio ou suas ligas ou misturas dos mesmos.
[0039] Dependendo de qual metal é usado para a camada de pó condutor porosa e de qual método de aplicação é usado, a espessura da camada pode variar de cerca de 1 micrômetro até 100 micrômetros ou de 1 micrômetro a 50 micrômetros.
[0040] A deposição pode ser feita por sobre vários tipos de substratos. O substrato pode ser rígido ou flexível e denso ou poroso.
[0041] Exemplos de substratos são vidro sem TCO, vidro recoberto com TCO, vidro, metal. Outros exemplos de substratos são substratos cerâmicos porosos. Exemplos de substratos cerâmicos porosos são substratos com base em microfibras de vidro, ou substratos com base em fibras de alumino-silicato ou substrato compreendendo fibras de alumino-silicato e fibras de vidro.
[0042] Os substratos cerâmicos porosos têm várias vantagens como substratos, uma vez que eles são quimicamente inertes, podem resistir a temperaturas elevadas, e estão prontamente disponíveis e são baratos e simples de manusear em várias etapas de processo. Os substratos porosos são isolantes elétricos, porém permitindo que líquidos e íons de eletrólitos penetrem.
[0043] Os substratos porosos são flexíveis e podem ser manuseados na forma de folhas ou na forma de rolos para um processo contínuo.
[0044] Os substratos com função de liberação permitem a formação de camadas de pó condutor porosas auto-portantes (free-standing},que podem ser integradas na estrutura de célula durante a fabricação da DSC. Exemplos de tais substratos são, por exemplo, grafite, zircônia, óxido de ítrio, nitreto de boro ou substratos equipados com uma fina camada de liberação de, por exemplo, zircônia, óxido de ítrio, nitreto de boro, para tornar possível formar camadas de pó condutor porosas auto-portantes.
[0045] É também possível imprimir uma camada de pó condutor porosa por sobre um componente de DSC como uma camada separadora ou um eletrodo operacional.
[0046] A camada de pó condutor porosa pode ser formada a partir de um depósito compreendendo um catalisador, formando, assim, uma segunda camada de pó condutor porosa. A segunda camada de pó condutor porosa é adequada como contra-eletrodo da DSC.
[0047] A camada de pó condutor porosa também pode estar em contato direto com uma camada catalítica, formando, assim, uma segunda camada de pó condutor porosa. A segunda camada de pó condutor porosa é adequada como contra-eletrodo da DSC.
[0048] A deposição por sobre um substrato poroso pode ser feita por deposição de um depósito por sobre ambos os lados de um substrato poroso. Em um lado, o depósito pode formar uma camada de pó condutor porosa e, no outro lado, o depósito pode formar uma segunda camada de pó condutor porosa. O tratamento com calor subsequente dos depósitos pode ser feito depois que a deposição por sobre ambos os lados tenha ocorrido.
[0049] O contato traseiro e o contra-eletrodo são formados pela camada de pó condutor porosa e pela segunda camada de pó condutor porosa, respectivamente. A fim de que luz alcance o eletrodo operacional, um substrato transparente é colocado no lado da luz incidente.
[0050] Existem várias vantagens com a DSC compreendendo uma camada de pó condutor porosa e/ou uma segunda camada de pó condutor porosa, de acordo com a presente invenção: - o uso de hidretos de metais permite que a camada de pó condutor porosa seja formada a partir de materiais relativamente baratos; - a transformação de partículas de hidreto de metal em partículas de metal com forma irregular, não esférica, dá camadas porosas com uma porosidade uniformemente distribuída; - as partículas de metal são substancialmente livres de oxigênio e a sinterização resulta em uma camada porosa com boa conexão partícula a partícula, tendo, assim, excelente condutividade; - as camadas de pó condutor porosas propiciando rápido transporte de íons de eletrólito e rápida sensibilização por corante; - camadas de pó condutor porosas mais espessas podem ser formadas sem problemas de transporte de íons de eletrólito ou de sensibilização por corante; - filmes de camada de pó condutor porosa altamente condutores podem ser formados, propiciando a impressão de segmentos de células solares mais largas; - impressão ou deposição de pó seco são muito mais rápidas e mais baratas do que técnicas de deposição a vácuo, tai como deposição por salpicamento ou deposição por evaporação com feixe de elétrons, e podem ser feitas de maneira seletiva, assim não há necessidade de mascaramento caro, as camadas podem ser impressas em padrões; - o processo para formação das camadas de pó condutor porosas é muito flexível e uma variedade de substratos estão disponíveis.
[0051] Uma razão que explica a condutividade superior quando do uso, por exemplo, de partículas de TiH2 ao invés de partículas de Ti poderia ser que a atmosfera redutora causada pelo gás hidrogênio, que é liberado durante o procedimento de sinterização a vácuo, remove qualquer óxido a partir da superfície das partículas de hidreto de titânio.
[0052] Outra explicação possível para a condutividade elétrica superior é que as partículas de titânio conformadas de maneira irregular, não esféricas, formadas por partículas com base em TiH2, recebem uma elevada interconectividade partícula a partícula, o que beneficia o processo de sinterização e, assim, permite a formação de uma camada de pó tanto porosa quanto eletricamente condutora.
[0053] A simplicidade de impressão ou de deposição de pó seco de um depósito, os materiais baratos usados e a condutividade aperfeiçoada da DSC compreendendo a camada de pó condutor porosa, em uma célula solar sensibilizada por corante, com características de desempenho aperfeiçoadas.
[0054] A presente invenção será adicionalmente explicada com referência à seguinte descrição de modalidades exemplificativas e aos desenhos acompanhantes.
[0055] A referência ao TiO2 como eletrodo operacional não está limitada a TiO2, porém, poderia ser qualquer outro material ou materiais adequados para formar o eletrodo operacional tingido da DSC, tal como, por exemplo, ZnO. Igualmente, o corante pode ser qualquer corante adequado para o eletrodo operacional e o eletrólito qualquer eletrólito ou eletrólito sólido adequado para DSC.
[0056] Os exemplos abaixo são mostrados com depósitos compreendendo hidreto de titânio. O hidreto de titânio também pode ser um hidreto de liga de titânio ou uma mistura de hidreto de titânio e hidreto de liga de titânio.
[0057] Outros hidretos de metais também podem ser usados, por exemplo, hidretos de ligas de níquel, como Hasteloy, Incoloy, Inconel, liga de Haynes e Monel, ou hidretos de molibdênio, tungstênio, cromo, nióbio ou suas ligas ou misturas dos mesmos.
[0058] O depósito compreendendo partículas de hidreto de metal pode ser preparado como uma tinta adequada para impressão. A tinta pode compreender aglutinantes orgânicos, para, por exemplo, aperfeiçoar a qualidade da impressão. Os aglutinantes são removidos antes que a etapa de aquecimento de sinterização seja realizada.
[0059] As substâncias orgânicas podem ser removidas em um tratamento com calor do depósito em atmosfera redutora, tal como, por exemplo, atmosfera de hidrogênio ou atmosfera de H2/Ar.
[0060] Para formação da segunda camada de pó condutor porosa, o depósito para impressão de um contra-eletrodo pode compreender um catalisador. Alternativamente, uma solução compreendendo um catalisador é impressa separadamente por sobre uma camada de pó condutor porosa pré-formada. O catalisador pode ser quantidades catalíticas de platina ou de outros catalisadores conhecidos adequados para um DSC. Por exemplo, é possível platinizar pó de carbono condutor e formar uma camada de superfície de platina sobre a superfície do carbono. Tal pó de carbono platinizado poderia ser adicionado à tinta, que forma o depósito para a segunda camada de pó condutor porosa, para lhe conferir propriedades catalíticas. Um exemplo, de uma camada catalítica é uma camada de pó condutor porosa de titânio compreendendo partículas de carbono platinizadas.
[0061] Antes da deposição por sobre um substrato poroso, pode ser vantajoso primeiramente tornar a superfície do substrato de fibra mais liso. Isso pode ser feito de várias maneiras, por exemplo, por deposição de uma cerâmica porosa inerte, tal como alumino-silicato, SiO2, Al2O3 ou alguma outra cerâmica com elevada temperatura, que também seja quimicamente compatível com os componentes da célula de DSC, por sobre a superfície do substrato poroso. O substrato poroso também pode ser tornado mais liso por aplicação de pressão, e possivelmente também calor, ao substrato poroso, por exemplo, por passagem do substrato poroso através de rolos pressurizados.
[0062] Uma DSC pode ter diferentes lay-outs.Exemplos de lay-outsde DSCs compreendendo camada de pó condutor porosa são mostrados nas Figuras 1-3. Os exemplos não são uma lista exaustiva de possíveis lay-outsde DSCs. Figura 1 - Uma seção transversal de uma DSC tipo sanduíche. Figura 2 - Uma seção transversal de uma DSC tipo monolítico. Figura 3 - Uma seção transversal de uma DSC tipo monolítico. Figuras 4 a, b, c - Fotos SEM de uma camada de partículas de metal sinterizadas.
[0063] A Figura 1 mostra uma seção transversal de uma DSC tipo sanduíche. Uma camada de eletrodo operacional de TiO2 tingido 1 é posicionada no topo de um substrato 2. Uma camada de pó condutor porosa 3 é posicionada no topo da camada de eletrodo operacional de TiO2 tingido 1. Um contra-eletrodo 4, compreendendo uma camada de pó condutor porosa 5 e um substrato 6 são posicionados opostos ao eletrodo operacional 1. O eletrólito 7 está penetrando a camada de pó condutor porosa 3 e o eletrodo operacional 1 e o contra-eletrodo 4.
[0064] A camada de pó condutor porosa 3 funciona como um contato traseiro para a camada de eletrodo operacional de TiO2 tingido 1. Isso significa que a camada de contato traseiro de TCO, usada em DSC convencional, pode ser omitida e substituída por uma camada de pó condutor porosa. A porosidade da camada de pó condutor porosa 3 permite que o eletrólito 7 penetre e passe através da camada de pó condutor porosa. Cargas foto- geradas, criadas no TiO2 tingido, podem ser extraídas pela camada de pó condutor porosa.
[0065] Um contra-eletrodo 4, tendo uma segunda camada de pó condutor porosa compreendendo catalisador de platina, está substituindo uma camada de TCO platinizada sobre vidro, em termos tanto de condutividade elétrica quanto de efeito catalítico.
[0066] A segunda camada de pó condutor porosa na DSC pode servir à função de meramente um condutor de elétrons no contra-eletrodo e, em um tal caso, uma camada catalítica separada tem que ser incluída no contra-eletrodo e estar em contato direto com a camada de pó condutor porosa.
[0067] O substrato 2, na camada de eletrodo operacional de TiO2 tingido 1, será um substrato transparente, como vidro.
[0068] A Figura 2 mostra uma seção transversal de uma DSC de tipo monolítico. Uma camada de eletrodo operacional de TiO2 tingido 1 é mostrada no topo de um substrato 2. Uma camada de pó condutor porosa 3 é mostrada no topo da camada de eletrodo operacional de TiO2 tingido 1. Um separador poroso 8 é depositado no topo da camada de pó condutor porosa 3. Uma segunda camada de pó condutor porosa, compreendendo um catalisador, atua como contra-eletrodo poroso 9 depositado no topo do separador 8. O eletrólito (não mostrado na Figura 2) penetra no contra-eletrodo 9, no separador 8, na camada de pó condutor porosa 3 e na camada de eletrodo operacional de TiO2 tingido 1.
[0069] A camada de pó condutor porosa 3 funciona como um contato traseiro para o eletrodo operacional 1. Isso significa que a camada de contato traseiro de TCO, usada em DSC convencional, pode ser omitida e substituída por uma camada de pó condutor porosa. A porosidade da camada de pó condutor porosa permite que o eletrólito penetre na camada de pó condutor porosa e passe através da camada de pó condutor porosa. As cargas foto-geradas, criadas no TiO2 tingido, são extraídas pela camada de pó condutor porosa. Uma vez que a camada de pó condutor porosa é eletricamente condutora, a demanda por uma camada de TCO para extração de cargas é eliminada. O substrato 2, abaixo da camada de eletrodo operacional de TiO2 tingido 1, será transparente, por exemplo, vidro ou plástico.
[0070] O separador 8 é um óxido poroso e quimicamente inerte e pobremente eletricamente condutor, tal como alumina, alumino-silicato, magnésia e zircônia. O material de separador também deve ser substancialmente inerte ao eletrólito e aos processos de sensibilização com corante. A camada de separador 8 deve se ligar bem à camada de pó condutor porosa 3 e fornecer isolamento elétrico adequado, assim como boa porosidade e permeação de eletrólito, com mínima queda ôhmica no eletrólito. É possível formar uma camada de separador por múltiplas deposições de camadas quimicamente inertes e pobremente condutoras do mesmo ou de diferentes materiais. É também possível formar uma camada de separador pela deposição de camadas alternadas de camadas quimicamente inertes e pobremente eletricamente condutoras.
[0071] O contra-eletrodo proso 9 pode ter uma camada catalítica e uma camada condutora. A camada catalítica é adaptada para catalisar a reação redox no contra- eletrodo na célula.
[0072] A Figura 3 mostra uma seção transversal de uma DSC do tipo monolítico. Uma camada de pó condutor porosa, compreendendo partículas de platina, é depositada como contra-eletrodo poroso 9 no topo de um substrato 2, um separador 8 é depositado no topo do contra-eletrodo poroso 9, uma camada de pó condutor porosa 3 é formada no topo do separador 8 e uma camada de eletrodo operacional de TiO2 1 é depositada no topo da camada de pó condutor porosa 3. O eletrólito (não mostrado na Figura 4) está em contato com o contra-eletrodo 9, o separador 8, a camada de pó condutor porosa 3 e o eletrodo operacional tingido 1.
[0073] Na Figura 3, a camada de pó condutor porosa 3 funciona como um contato traseiro ao eletrodo operacional 1. Isso significa que uma camada de contato traseiro de TCO, usada em DSC convencional, pode ser omitida e substituída por uma camada de pó condutor porosa.
[0074] O substrato 2, no contra-eletrodo proso 9, pode ser um substrato de vidro ou um substrato de metal. A fim de produzir a DSC mostrada nas Figuras 1 a 3, as células são seladas e, adicionalmente, conexões são feitas, de modo que a corrente foto-gerada possa ser usada em um circuito elétrico externo.
[0075] A Figura 4a mostra uma foto de SEM de uma camada de pó condutor porosa auto-portante de partículas de titânio formadas a partir de hidreto de titânio. A tinta com base em hidreto de titânio foi depositada em um substrato de zircônia e secada. A sinterização a vácuo foi realizada à 850°C durante 30 minutos. Depois da sinterização, as propriedades de liberação da zircônia torna possível remover a camada de pó condutor porosa a partir do substrato de zircônia e formar uma camada auto-portante, que pode ser manuseada sem suporte. Conforme é mostrado na figura, o formato das partículas de titânio é irregular e não esférico. O formato irregular das partículas de titânio resultantes, na camada de pó condutor porosa, é típico para depósito de partículas de hidreto de titânio.
[0076] A Figura 4b mostra uma camada de pó condutor porosa auto-portante de partículas de titânio formadas a partir de partículas de hidreto de titânio. A tinta de hidreto de titânio foi depositada sobre um substrato de alumina, que foi pré-depositado com uma camada de partículas de nitreto de boro. A sinterização a vácuo foi realizada à 850°C durante 30 minutos. Conforme mostrado na figura, flocos de partículas de nitreto de boro estão assentadas no topo da camada de pó condutor porosa de titânio.
[0077] A Figura 4c mostra uma camada de pó condutor porosa auto-portante de partículas de titânio formadas a partir de partículas de hidreto de titânio. A temperatura de sinterização da camada de pó condutor porosa foi de 850°C, 30 minutos. Conforme mostrado na figura, uma camada de TiO2 porosa (tamanho de partícula de TiO2 em torno de 20 nm) do eletrodo operacional é depositada no topo da camada de pó condutor porosa. A temperatura de cozimento do TiO2 depositado era de 500°C, 15 minutos.
[0078] As micrografias de SEM das Figuras 4a, b e c mostram a estrutura das partículas sinterizadas das camadas de pó condutor porosas tendo partículas de titânio com formato irregular e não esférico e as bordas afiadas das partículas de titânio obtidas a partir do depósito com base em TiH2.
[0079] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 com terpineol. A tinta é, então, moída com contas durante 25 minutos, à 5.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,3 mm. As contas de zircônia são separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada foi, então, impressa por sobre um substrato com base em microfibras de vidro, com 0,38 μm de espessura, e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Subsequentemente, o substrato de microfibras de vidro revestido foi sinterizado a vácuo à 585°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. A camada de pó condutor porosa resultante é um filme poroso de metal de titânio. Subsequentemente, componentes de DSC adicionais foram impressos por sobre a camada de pó condutor porosa e o substrato com base em microfibras cerâmico.
[0080] Uma variação do Exemplo 1 é que o substrato tem por base fibras de alumino- silicato.
[0081] Outra variação do Exemplo 1 é que o substrato compreende uma mistura de fibras de alumino-silicato e microfibras de vidro.
[0082] Outra variação do Exemplo 1 é que o substrato, antes da impressão, é passado através de rolos revestidos com borracha aquecidos, causando um alisamento da superfície do substrato.
[0083] Outra variação do Exemplo 1 é que o substrato é tratado com sílica coloidal antes de se passar o substrato através dos rolos revestidos com borracha.
[0084] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 com terpineol. A tinta foi, então, moída com contas durante 30 minutos, à 4.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,3 mm. As contas de zircônia foram separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada foi, então, impressa por sobre um substrato cerâmico 90 % poroso, com 40 μm de espessura, de fibras de alumino-silicato e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Subsequentemente, o substrato cerâmico revestido foi sinterizado a vácuo, à 850°C durante 30 minutos, e, então, resfriado para cerca de 20°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. A camada de pó condutor porosa resultante é um filme poroso de metal de titânio. Subsequentemente, componentes de DSC adicionais foram impressos por sobre a camada de pó condutor porosa e o substrato cerâmico. A espessura da camada de pó condutor porosa era de 16 micrômetros e a porosidade era de 44 %. A resistência de camada (sheet resistance) medida era mais baixa do que 0,5 Ohm/sq.
[0085] Uma variação do Exemplo 2 é que o substrato cerâmico é primeiramente impresso com uma camada porosa de TiO2 para tornar a superfície do substrato mais lisa e mais planar antes de imprimir a tinta de TiH2. Os inventores constataram que quanto mais lisa estiver a superfície do substrato antes da impressão da tinta de TiH2, mais baixa será a resistência de camada de camada de pó condutor porosa, para uma dada espessura de camada de pó condutor porosa.
[0086] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 com terpineol. A tinta é moída com contas durante 25 minutos, à 5.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,3 mm. As contas de zircônia são separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é misturada com ácido hexacloroplatínico e impressa por sobre um substrato alumino-silicato cerâmico poroso, com 33 μm de espessura, e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Subsequentemente, o substrato cerâmico impresso é sinterizado a vácuo, à 585°C, e, então, resfriado para temperatura ambiente. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. A segunda camada de pó condutor porosa resultante compreende um filme poroso de metal de titânio com quantidades catalíticas de platina.
[0087] Uma variação do Exemplo 3 é que a tinta filtrada não é misturada com o ácido hexacloroplatínico, mas que uma solução de ácido hexacloroplatínico é impressa por sobre a camada de pó condutor porosa sinterizada a vácuo, a qual é, então, secada e, então, aquecida para decompor o ácido hexacloroplatínico depositado, a fim de depositar platina sobre a superfície, formando, assim, uma segunda camada de pó condutor porosa.
[0088] Outra variação do Exemplo 3 é que a tinta filtrada não é misturada com ácido hexacloroplatínico, mas que, ao invés, a tinta filtrada é misturada com partículas condutoras platinizadas.
[0089] Uma variação do Exemplo 3 é que o substrato se baseia em microfibras de vidro ao invés de em fibras de alumino-silicato.
[0090] Outra variação do Exemplo 3 é que o substrato se baseia em fibras de alumino- silicato e em microfibras de vidro.
[0091] Antes da impressão, o substrato pode ser passado através de rolos revestidos com borracha aquecidos causando um alisamento da superfície do substrato.
[0092] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 com terpineol. A tinta é, então, moída com contas durante 25 minutos, à 6.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,6 mm. As contas de zircônia são separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é misturada com ácido hexacloroplatínico e impressa por sobre um substrato cerâmico 90 % poroso, com 32 μm de espessura, e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Subsequentemente, o substrato impresso foi tratado com calor em vácuo e sinterizado à 850°C durante 30 minutos e, então, primeiramente resfriado para cerca de 100°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. A segunda camada de pó condutor porosa resultante compreende um filme poroso de metal de titânio com quantidades catalíticas de platina. A espessura da segunda camada de pó condutor porosa era de 20 micrômetros e a porosidade era de 50 %. A resistência de camada era mais baixa do que 0,6 Ohm/sq.
[0093] Em uma variação do Exemplo 4, a tinta filtrada não é misturada com ácido hexacloroplatínico e, ao invés, uma solução de ácido hexacloroplatínico é impressa por sobre a segunda camada de pó condutor porosa e, então, secada e aquecida para decompor o ácido hexacloroplatínico depositado, a fim de depositar platina sobre a superfície da segunda camada de pó condutor porosa.
[0094] O substrato cerâmico pode primeiramente ser impresso com uma camada porosa de alumino-silicato, para tornar a superfície do substrato mais lisa e mais planar antes de imprimir a tinta de TiH2.
[0095] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 com terpineol. A tinta é, então, moída com contas durante 25 minutos, à 5.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,3 mm. As contas de zircônia são separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é misturada com partículas condutoras platinizadas e impressa por sobre um substrato poroso com base em microfibras de vidro, com 33 μm de espessura, e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Outra tinta, preparada por mistura de TiH2 com terpineol e moída com contas e filtrada, é, então, impressa por sobre o lado oposto do substrato de microfibras de vidro, de modo que a primeira camada impressa e a segunda camada impressa sejam separadas pelo substrato de microfibras de vidro. O substrato impresso em ambos os lados foi, então, secado à 200°C durante 5 minutos.
[0096] Subsequentemente, o substrato cerâmico revestido em ambos os lados foi sinterizado a vácuo à 585°C e, então, deixado esfriar para temperatura ambiente. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. O substrato impresso em ambos os lados resultante tem uma camada de pó condutor porosa de metal de titânio em um lado e uma segunda camada de pó condutor porosa, compreendendo metal de titânio e quantidades catalíticas de platina, no outro lado.
[0097] Uma variação do Exemplo 5 é que um revestimento cerâmico poroso é depositado no lado oposto do substrato cerâmico antes de imprimir a segunda camada de pó condutor porosa. Uma tal impressão cerâmica poderia ser útil, a fim de evitar o contato elétrico entre a primeira e a segunda camadas de pó condutor porosas.
[0098] Outra variação do Exemplo 5 é que o pó de TiH2 é tratado em superfície com platina, por exemplo, por decomposição térmica de um sal de platina depositado sobre o pó de TiH2, antes de preparar uma tinta.
[0099] Outra variação do Exemplo 5 é que a tinta filtrada é misturada com ácido hexacloroplatínico a invés de misturá-la com partículas condutoras platinizadas.
[00100] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 com terpineol. A tinta é moída com contas durante 40 minutos, à 5.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,3 mm. As contas de zircônia são separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é misturada com ácido hexacloroplatínico e impressa por sobre um substrato cerâmico 60 % poroso, com 20 μm de espessura, e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Outra tinta, compreendendo TiH2, é, então, impressa por sobre o outro lado do substrato cerâmico e, então, secada à 200°C durante 5 minutos.
[00101] Subsequentemente, o substrato cerâmico impresso em ambos os lados foi sinterizado a vácuo à 850°C durante 30 minutos e, então, deixado esfriar. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. O substrato impresso em ambos os lados resultante tem uma primeira camada de pó condutor porosa compreendendo um filme poroso de metal de titânio, em um lado, e uma segunda camada de pó condutor porosa compreendendo um metal de titânio com quantidades catalíticas de platina em poros, no outro lado. A resistência de camada de cada camada de pó condutor porosa era mais baixa do que 0,3 Ohm/sq. A espessura de cada camada era de cerca de 10 micrômetros. A porosidade de cada camada era mais elevada do que 45 %.
[00102] Uma variação do Exemplo 6 é que uma impressão cerâmica porosa é impressa sobre o lado oposto do substrato cerâmico antes da impressão da segunda camada de pó condutor porosa. Uma tal impressão cerâmica poderia ser útil, a fim de prevenir o contato elétrico entre a primeira e a segunda camadas de pó condutor porosas e a impressão cerâmica, portanto, poderia ser útil para prevenir curto-circuito elétrico entre a primeira e a segunda camadas de pó condutor porosas.
[00103] Outra variação do Exemplo 6 é que o substrato cerâmico é impresso com uma cerâmica porosa em ambos os lados antes de imprimir as tintas de TiH2.
[00104] Outra variação do Exemplo 6 é que as partículas de TiH2 são tratadas em superfície com platina, por exemplo, por decomposição térmica de um sal de platina depositado sobre as partículas de TiH2, antes de fazer a tinta.
[00105] Uma camada de 20 μm de espessura de tinta de TiO2, contendo partículas de 20 nm, foi impressa com tela por sobre o lado da primeira camada de pó condutor porosa livre de platina, de um substrato de microfibras de vidro impresso em ambos os lados, produzido de acordo com os Exemplos 5 e 6. A espessura da camada de tinta de TiO2 seca era de 1 - 2 μm. Uma segunda camada de tinta de TiO2 com 60 μm de espessura foi impressa sobre o topo da primeira camada de TiO2 e secada. Uma terceira camada de TiO2 foi impressa sobre o topo da segunda camada de TiO2 e secada. Subsequentemente, a estrutura depositada com TiO2foi submetida a tratamento com calor, em ar, à 500°C durante 20 minutos. Depois do esfriamento para em torno de 70°C, a estrutura depositada com TiO2 foi imersa em uma solução 20 mM de corante Z907 em metóxi- propanol e tratada com calor à 70°C durante 30 minutos e subsequentemente enxaguada com metóxi-propanol. Depois disso, eletrólito foi adicionado ao substrato cerâmico impresso em ambos os lados com camada de pó condutor porosa e a estrutura foi selada.
[00106] Uma camada de tinta de TiO2 é impressa sobre o topo de um substrato de vidro de silicato de boro e, então, secada à 120°C durante 15 minutos. A espessura da camada de tinta de TiO2 seca era de cerca de 6 μm. Uma segunda camada de tinta de TiO2 foi impressa sobre o topo da primeira camada de TiO2 e secada. A espessura da segunda camada de tinta de TiO2 seca era de cerca de 6 μm. Subsequentemente, o vidro depositado com TiO2 foi submetido a tratamento com calor, em ar, à 500°C durante 15 minutos.
[00107] Uma tinta preparada por mistura de TiH2 com terpineol e moída com contas e filtrada foi impressa por sobre a camada de TiO2 depositada e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Subsequentemente, o substrato de vidro com TiO2 revestido com TiH2 foi aquecido em vácuo à 500°C durante 10 minutos. Subsequentemente, o substrato foi sinterizado a vácuo à 1.000°C durante 30 segundos e, então, deixado esfriar para em torno de 20°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,001 mbar. Subsequentemente, a estrutura compreendendo a camada de pó condutor porosa, depositada sobre vidro revestido com TiO2, está pronta para ser ulteriormente processada para formar uma DSC.
[00108] Uma tinta é preparada por mistura de 8 partes em peso de TiH2 (tamanho de partícula de 9 micrômetros) e 2 partes em peso de partículas de titânio (tamanho de partícula de 1 micrômetro) com terpineol. A tinta é, então, moída com contas durante 15 minutos à 6.000 rpm e adicionalmente moída com contas durante 5 minutos à 7.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,3 mm, misturando, assim, as partículas de titânio com TiH2 e formando partículas de TiH2 de tamanho adequado. As contas de zircônia foram, então, separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é impressa por sobre um substrato cerâmico de zircônia e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Depois disso, o substrato de zircônia impresso com a camada seca de TiH2 e titânio é sinterizado a vácuo à 850°C durante 30 minutos e, então, esfriado para em torno de 20°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. A camada de pó condutor porosa resultante compreende um filme poroso de metal de titânio. A camada de pó condutor porosa sinterizada é removida do substrato de zircônia e está pronta para ser integrada em uma DSC. A resistência de camada é mais baixa do que 0,9 Ohm/sq e a espessura é de 24 micrômetros e a porosidade é de 51 %.
[00109] Uma tinta é preparada por mistura de partículas de hidreto de liga de níquel (tamanho de partícula de 15 μm) com terpineol e por moagem com contas da tinta durante 10 minutos à 6.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,3 mm. As contas de zircônia são separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é impressa por sobre um substrato cerâmico de zircônia e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Depois disso, o substrato de zircônia impresso com a camada seca de partículas de hidreto de níquel é sinterizada a vácuo à 750°C durante 30 minutos e, então, esfriada para em torno de 20°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. A camada de pó condutor porosa resultante compreende um filme poroso de liga de níquel. A camada sinterizada é removida do substrato de zircônia e está pronta para ser integrada em uma DSC. A resistência de camada era mais baixa do que 1 Ohm/sq e a espessura era de 19 micrômetros e a porosidade era de 58 %.
[00110] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 (tamanho de partícula de 8 μm) com terpineol. A tinta é moída com contas durante 25 minutos à 5.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,3 mm. As contas de zircônia são separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é misturada com partículas condutoras platinizadas e impressa por sobre um substrato cerâmico de zircônia e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Subsequentemente, o substrato de zircônia impresso é sinterizado à vácuo à 850°C durante 30 minutos e, então, esfriado para em torno de 25°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. A segunda camada de pó condutor porosa resultante compreende um filme poroso de metal de titânio com quantidades catalíticas de platina. A camada sinterizada é removida do substrato de zircônia e está pronto para ser integrada como um contra-eletrodo em uma DSC.
[00111] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 (tamanho de partícula de 8 μm) com terpineol. A tinta é moída com contas durante 15 minutos à 6.000 rpm e, então, moída com contas durante 5 minutos à 7.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,3 mm, formando, assim, partículas de TiH2 de tamanho adequado. As contas de zircônia são separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é impressa por sobre um substrato cerâmico de zircônia e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Depois disso, o substrato de zircônia impresso com a camada de TiH2 seca é sinterizado a vácuo à 600°C e, então, esfriado para em torno de 20°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. A camada resultante é uma camada de pó condutor porosa de titânio. A camada sinterizada é removida do substrato de zircônia e está pronta para ser integrada em uma DSC. A resistência de camada da camada foi medida mais baixa do que 0,2 Ohm/sq. A espessura da camada de pó condutor porosa é de 12 micrômetros e a porosidade é de 45 %.
[00112] Uma variação do Exemplo 12 pode ser que o substrato de zircônia é trocado por um substrato de película de metal, tal como, por exemplo, película de molibdênio, que é pré-depositado com uma fina camada de um material não aderente, tal como, por exemplo, nitreto de boro ou zircônia ou óxido de ítrio.
[00113] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 (tamanho de partícula de 8 μm) com terpineol. A tinta é moída com contas durante 15 minutos à 6.000 rpm, usando contas de zircônia com 0,6 mm. As contas de zircônia são, então, separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é misturada com ácido hexacloroplatínico e impressa por sobre um substrato cerâmico de zircônia e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Subsequentemente, o substrato de zircônia impresso é sinterizado a vácuo à 900°C durante 25 minutos e, então, esfriado para em torno de 20°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. A camada resultante é uma camada de pó condutor porosa de titânio com quantidades catalíticas de platina. A camada sinterizada é removida do substrato de zircônia e está pronta para ser integrada como um contra-eletrodo em uma DSC. A resistência de camada da camada era mais baixa do que 0,3 Ohm/sq. A espessura da camada era de 10 micrômetros e a porosidade era de 48 %.
[00114] Uma variação do Exemplo 13 é que a tinta filtrada não é misturada com ácido hexacloroplatínico, mas que, ao invés, uma solução de ácido hexacloroplatínico é impressa por sobre a camada de pó condutor porosa sinterizada a vácuo e, então, secada e aquecida para decompor o ácido hexacloroplatínico depositado, a fim de depositar platina sobre a superfície da camada de pó condutor porosa sinterizada a vácuo.
[00115] Uma camada de pó condutor porosa, produzida de acordo com o Exemplo 12, foi imersa em uma solução 0,02 M de TiCl4 em água e tratada com calor à 70°C durante 30 minutos. A camada foi removida da solução de TiCl4 e enxaguada, primeiro com água, e, então, com etanol. Subsequentemente, uma camada de tinta com base em TiO2 foi impressa em um lado da camada de pó condutor porosa e, então, secada. A espessura da camada de tinta de TiO2 seca era de 1 - 2 μm. Uma segunda camada de 60 μm de espessura de tinta de TiO2 foi impressa sobre o topo da primeira camada de TiO2 e secada. Uma terceira camada de TiO2 foi impressa sobre o topo da segunda camada de TiO2 e secada. Subsequentemente, a estrutura foi submetida a um tratamento com calor, em ar, à 500°C durante 30 minutos. Depois de se deixar a estrutura esfriar, a estrutura foi imersa em TiCl4 0,02 M em água e tratada com calor à 70°C durante 30 minutos. Depois de enxaguar a camada de pó condutor porosa depositada com TiO2 em água e em etanol, ela foi tratada com calor à 500°C, em ar, durante 5 minutos. Subsequentemente, a estrutura da camada de pó condutor porosa depositada com TiO2 foi imersa em uma solução de 20 mM de corante Z907 em metóxi-propanol e tratada com calor à 70°C durante 30 minutos e, então, enxaguada em metóxi-propanol. Uma segunda camada de pó condutor porosa auto-portante compreendendo platina ou uma camada de pó condutor porosa com platina depositada sobre substrato cerâmico de acordo com os Exemplos 11 ou 13, é posicionada em uma distância de 25 μm a partir do lado inferior da camada de pó condutor porosa oposto à camada de eletrodo operacional de TiO2 tingido. Depois disso, o eletrólito foi adicionado e a célula foi selada. A eficiência da célula foi medida em luz AM 1,5 simulada. A eficiência da célula era de 8,2 %.
[00116] Uma variação do Exemplo 14 é que um ou ambos os tratamentos com TiCl4 são omitidos.
[00117] Outra variação do Exemplo 14 é que a segunda camada de pó condutor porosa auto-portante é trocada por uma película de titânio platinizado.
[00118] Outra variação do Exemplo 14 é que, ao invés de se usar uma segunda camada de pó condutor porosa auto-portante com platina, uma segunda camada de pó condutor porosa com platina depositada sobre substrato cerâmico de acordo com os Exemplos 3 ou 4, é usada como contra-eletrodo. Para evitar curto-circuito, a superfície do substrato cerâmico oposta à segunda camada de pó condutor porosa é levada ao contato com o lado de baixo da camada de pó condutor porosa oposto à camada de TiO2 tingida.
[00119] Pó de TiH2 de um tamanho de partícula < 2 μm é depositado por sobre um substrato cerâmico de zircônia usando técnica de deposição de pó a seco, por peneiração do pó de TiH2 por sobre o substrato cerâmico. Subsequentemente, o substrato cerâmico depositado foi sinterizado a vácuo à 850°C durante 30 minutos e, então, deixado esfriar para em torno de 20°C. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. Depois disso, a camada de pó condutor porosa sinterizada a vácuo foi removida do substrato de zircônia e estava pronta para ser integrada a uma DSC. A resistência de camada da camada era mais baixa do que 0,7 Ohm/sq. A espessura da camada era de 32 micrômetros e a porosidade era de 56 %.
[00120] Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 com terpineol. A tinta é, então, moída com contas durante 25 minutos à 5.000 rpm, usando contas de zircônia de 0,3 mm. As contas de zircônia são separadas da tinta por filtração. A tinta filtrada é misturada com partículas condutoras platinizadas e impressa por sobre um substrato poroso com base em microfibras de vidro, de 33 μm de espessura, e, então, secada à 200°C durante 5 minutos. Outra tinta é preparada por mistura de TiH2 com terpineol. A tinta é, então, moída com contas e filtrada e uma segunda camada livre de platina é, então, impressa por sobre a primeira camada contendo partículas condutoras platinizadas. O substrato impresso foi, então, secado à 200°C durante 5 minutos. Uma tinta é preparada por mistura de TiH2 com terpineol. A tinta é, então, moída com contas e filtrada e uma terceira camada é, então, impressa por sobre o lado oposto do substrato de microfibras de vidro, de modo que a primeira camada impressa esteja separada da segunda camada impressa e da terceira camada impressa pelo substrato de microfibras de vidro. O substrato impresso em ambos os lados foi, então, secado à 200°C durante 5 minutos.
[00121] Subsequentemente, o substrato cerâmico impresso em ambos os lados foi sinterizado a vácuo à 585°C e, então, deixado esfriar para temperatura ambiente. A pressão durante a sinterização era mais baixa do que 0,0001 mbar. O substrato impresso em ambos lados resultante tem uma camada de pó condutor porosa de metal de titânio, em um lado do substrato de microfibras de vidro, e, no outro lado do substrato de microfibras de vidro, há uma segunda camada de pó condutor porosa compreendendo metal de titânio e platina e uma terceira camada de pó condutor porosa compreendendo metal de titânio.
[00122] Nos exemplos, a tinta pode ser feita com água como um solvente ou também podem ser usados solventes orgânicos, tais como terpenos, álcoois, éteres de glicol, acetatos de éter de glicol, cetonas, hidrocarbonetos, e solventes aromáticos.
[00123] Aglutinantes, ou outras tais substâncias, podem ser usadas para intensificar a resistência mecânica da camada de partículas depositada antes do tratamento com calor da camada.
[00124] Para se conseguir um efeito catalítico no contra-eletrodo, é possível misturar partículas platinizadas de óxidos de metais condutores com as partículas de hidretos de metais, tais como ITO, ATO, PTO e FTO platinizados. Partículas platinizadas de carbetos de metais e de nitretos de metais condutores também podem ser misturadas com as partículas de hidretos de metais. Também partículas de negro de carbono ou de grafite platinizadas podem ser misturadas com as partículas de hidretos de metais. A platinização pode ser realizada por mistura, por exemplo, de um sal de platina dissolvido como, por exemplo, hexacloroplatinato ou tetracloreto de platina com partículas condutoras e por remoção do solvente por evaporação e aquecimento da mistura para uma temperatura elevada o suficiente para decompor o sal de platina e depositar platina metálica por sobre a superfície das partículas condutoras.
[00125] Existem inúmeras variações possíveis para fabricação da camada de pó condutor porosa e da DSC compreendendo uma camada de pó condutor porosa de acordo com a invenção e os exemplos representam somente uma parte das variações possíveis.
Claims (16)
1. Método para fabricação de uma célula solar sensibilizada por corante compreendendo um contato traseiro e/ou contra-eletrodo (4; 9) de camada de pó condutor porosa (3), caracterizado por a camada de pó condutor porosa (3) ser formada por impressão ou deposição de pó de um depósito compreendendo partículas de hidreto de metal por sobre um substrato (8); aquecimento do depósito em uma ou mais etapas de aquecimento subsequentes, a fim de decompor as partículas de hidreto de metal para formar partículas de metal, e sinterização das partículas de metal para formar a camada de pó condutor porosa (3).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma primeira etapa de aquecimento subsequente ser realizada em uma temperatura acima da temperatura de decomposição do hidreto e abaixo da temperatura de sinterização das partículas de metal, a temperatura estando na faixa de entre 350 - 500°C, e de que uma segunda etapa de aquecimento subsequente é realizada em uma temperatura, na qual as partículas de metal se sinterizam.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a decomposição do hidreto de metal e a sinterização das partículas de metal serem realizadas em uma etapa de tratamento com calor subsequente em uma temperatura, na qual as partículas de metal se sinterizam.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a temperatura de sinterização das partículas de metal estar entre 550 - 1.250°C, de preferência, 550 - 850°C, mais preferivelmente 700 - 1.200°C.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a sinterização das partículas de metal ocorrer em vácuo ou sob gás inerte.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por as partículas de hidreto de metal serem hidretos de um metal selecionado a partir do grupo de titânio, liga de titânio, ou ligas de níquel, ou molibdênio, tungstênio, cromo, nióbio ou suas ligas.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a camada de pó condutor porosa (3) compreender partículas de metal sinterizado tendo forma irregular, não esférica.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o substrato (8) ser um substrato cerâmico poroso, de preferência, um substrato de fibras de vidro ou substrato de fibras de alumino-silicato ou um substrato compreendendo fibras de alumino-silicato e fibras de vidro.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a superfície do substrato cerâmico poroso (8) ser alisada antes da deposição do depósito.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a camada de pó condutor porosa (3) ter uma resistência de camada < 1 Ohm/sq.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a deposição ser uma deposição de impressão com tela.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o depósito compreender um catalisador para formação de uma segunda camada de pó condutor porosa (5).
13. Célula solar sensibilizada por corante compreendendo uma camada de pó condutor porosa, caracterizada por o contato traseiro ser fabricado em um lado de um substrato flexível poroso isolante eletronicamente e o contra-eletrodo ser formado no outro lado do substrato poroso, o contato traseiro é uma camada de pó condutor porosa (3) compreendendo partículas de metal sinterizado tendo forma irregular, não esférica.
14. Célula solar sensibilizada por corante compreendendo uma camada de pó condutor porosa, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada por um contra- eletrodo (4) compreender uma segunda camada de pó condutor porosa (5) compreendendo partículas catalíticas integradas ou uma camada catalítica separada, em contato direto com a segunda camada de pó condutor porosa (5).
15. Célula solar sensibilizada por corante, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizada por a camada de pó condutor porosa (3) de contato traseiro ter uma resistência de camada < 1 Ohm/sq.
16. Célula solar sensibilizada por corante, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizada por um eletrodo operacional (1) compreender TiO2 e por o contato traseiro e o contra-eletrodo (4) compreenderem partículas de titânio.
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