BR112014024936B1 - Módulo de célula solar sensibilizada por corante tendo uma estrutura em série e método de fabricação da célula solar - Google Patents

Módulo de célula solar sensibilizada por corante tendo uma estrutura em série e método de fabricação da célula solar Download PDF

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Abstract

módulo de célula solar sensibilizada por corante tendo uma estrutura em série e método de fabricação da célula solar a presente invenção está correlacionada a um módulo de célula solar sensibilizada por corante (1), compreendendo pelo menos duas unidades de célula solar sensibilizada por corante (2a-2c) dispostas adjacentes entre si e conectadas em série. 0 módulo de célula solar sensibilizada por corante compreende um substrato poroso isolante (7), onde a primeira camada condutora (4) é uma camada condutora porosa formada sobre um lado do substrato poroso isolante, e a segunda camada condutora (5) é uma camada condutora porosa formada sobre o lado oposto do substrato poroso isolante. um elemento de conexão em série (6) penetra através do substrato poroso isolante e se estende entre a primeira camada condutora de uma das unidades de célula e a segunda camada condutora da unidade de célula adjacente, desse modo, conectando eletricamente a primeira camada condutora de uma das unidades de célula com a segunda camada condutora da unidade de célula adjacente. a presente invenção também se refere a um método de fabricação do módulo de célula solar sensibilizada por corante.

Description

Campo da Invenção
[001] A presente invenção está correlacionada a um módulo de célula solar sensibilizada por corante tendo uma estrutura em série compreendendo pelo menos duas unidades de célula solar sensibilizada por corante, dispostas adjacentes entre si e conectadas em série. A presente invenção também se refere a um método de fabricação de células solares sensibilizadas por corante tendo uma estrutura em série.
Estado da Técnica
[002] As células solares sensibilizadas por corante (DSC) tem estado em desenvolvimento nos últimos 20 anos e funcionam com base em princípios similares aos da fotossíntese. Diferentemente das células solares de silício, estas células obtêm energia da luz do sol usando corantes, que são abundantes, baratos e ambientalmente moderados.
[003] Uma convencional célula solar sensibilizada por corante tipo sanduíche apresenta uma camada porosa de eletrodo de TiO2, de poucos micrômetros de espessura, depositada sobre um substrato condutor transparente. O eletrodo de TiO2 compreende partículas interligadas de óxido de metal (TiO2), tingidas mediante adsorção de moléculas de corante sobre a superfície das partículas de TiO2, formando um eletrodo de trabalho. O substrato condutor transparente é normalmente um óxido condutor transparente depositado sobre um substrato de vidro. A camada de óxido condutora transparente serve para funcionar como um contato traseiro, extraindo os elétrons fotogerados do eletrodo de trabalho. O eletrodo de TiO2 se dispõe em contato com um eletrólito e outro substrato condutor transparente, isto é, um contra-eletrodo.
[004] A luz do sol é colhida pelo corante, produzindo elétrons foto-excitados que são injetados dentro da fita condutora das partículas de TiO2 e posteriormente coletadas pelo substrato condutor. Ao mesmo tempo, íons (I) no eletrólito redox reduzem o corante oxidado e transportam as frações de aceitadores de elétrons geradas para o contra- eletrodo. Os dois substratos condutores são selados nas bordas, a fim de proteger os módulos de DSC contra a atmosfera envolvente e para impedir a evaporação ou vazamento dos módulos de DSC no interior da célula.
[005] O documento de patente WO 2012/020944 divulga um módulo de DSC convencional, do tipo sanduíche, tendo uma estrutura em série. O módulo de DSC inclui uma pluralidade de unidades de DSC dispostas adjacentes entre si e conectadas em série. Cada unidade de DSC inclui um eletrodo de trabalho, incluindo um primeiro substrato condutor transparente, adaptado para se defrontar com o sol e transmitir a luz solar para uma camada porosa semicondutora contendo um corante adsorvido e revestido sobre a mesma, e um contra-eletrodo incluindo um segundo substrato condutor transparente, tendo uma camada condutora feita de carbono ou revestida de metal sobre o mesmo. A estrutura em série do módulo de DSC inclui padrões de camada de óxido, na forma de nanopartículas porosas, e a camada condutora, que são formadas no eletrodo de trabalho e no contra-eletrodo, respectivamente. Cada camada de óxido na forma de nanopartículas do eletrodo de trabalho e cada camada condutora do contra-eletrodo se defrontam entre si para formar uma célula unitária. As células unitárias são eletricamente isoladas por meio de barreiras protetoras, e um eletrólito é cheio entre o eletrodo de trabalho e o contra-eletrodo. A camada de óxido na forma de nanopartículas porosas do eletrodo de trabalho e a camada condutora do contra-eletrodo são deslocadas de modo longitudinal, relativamente entre si.
[006] O eletrodo de trabalho em um lado, e o contra- eletrodo no outro lado são eletricamente interligados por meio de um elemento de conexão em série, incluindo um furo que penetra no eletrodo de trabalho e no contra-eletrodo, que se defrontam entre si, e o material condutor de enchimento do furo. O furo penetra por todo o módulo de DSC, sendo envolvido em ambos os lados por barreiras protetoras, que impedem o material condutor de contato com o eletrólito e, consequentemente, impedem o material condutor de apresentar corrosão. O material condutor preenchido no furo pode se apresentar na forma de pasta, adesivo ou um tipo de tinta e pode ser preenchido no furo por meio de impressão, por gravidade, por meio de dispensa, jateamento, estampagem ou por meio de pulverização catódica. Um problema que ocorre com esse tipo de módulo de DSC é que se torna difícil produzir uma camada que seja condutora e transparente ao mesmo tempo. Um comprometimento entre essas exigências sempre terá de ser feito, o que acarreta uma reduzida capacidade de manipulação de corrente do módulo de DSC e, consequentemente, uma reduzida eficiência do dito módulo. Além disso, a furação dos furos através de cada unidade de célula é demorada, antes dos mesmos serem preenchidos com os materiais condutores, o que aumenta os custos de fabricação do módulo de DSC. Outra desvantagem desse módulo de DSC é a necessidade de barreiras protetoras em cada lado do elemento de conexão em série, para evitar o contato do material condutor com o eletrólito. As barreiras protetoras aumentam o custo de fabricação.
[007] O documento de patente WO 2011/096154 divulga um módulo de DSC incluindo uma camada porosa isolante, um eletrodo de trabalho incluindo uma camada de metal condutora porosa formada no topo da camada porosa isolante que cria um contato traseiro, e uma camada porosa semicondutora contendo um corante adsorvido disposto no topo da camada porosa de metal condutor, um substrato transparente se defrontando à camada porosa semicondutora, adaptado para se defrontar com o sol e para transmitir a luz solar para a camada porosa semicondutora. O módulo de DSC inclui ainda um contra-eletrodo, incluindo um substrato condutor disposto em um lado oposto à camada porosa semicondutora da camada porosa isolante, e a uma certa distância da camada porosa isolante, desse modo, formando um espaço entre a camada porosa isolante e o substrato condutor. Um eletrólito é preenchido no espaço entre o eletrodo de trabalho e o contra-eletrodo. A camada porosa isolante é preferivelmente feita de um material compacto moldado de fibra de vidro. A camada porosa de metal condutor é formada de materiais selecionados do grupo que consiste de Ti, W, Ni, Pt e Au. A camada porosa de metal condutor pode ser criada usando uma pasta incluindo partículas metálicas, que é aplicada no topo da camada porosa isolante mediante impressão, seguido de aquecimento, secagem e cozimento. Uma vantagem desse tipo de módulo de DSC é que a camada condutora do eletrodo de trabalho é disposta entre a camada porosa isolante e a camada porosa semicondutora. Assim, a camada condutora da célula de processamento não precisa ser transparente, podendo ser feita de material de alta condutividade, o que aumenta a capacidade de manipulação de corrente do módulo de DSC e garante uma alta eficiência do dito módulo de DSC.
[008] A fim de aumentar a saída de voltagem da célula solar sensibilizada por corante, é desejado se dispor de uma estrutura em série incluindo uma pluralidade de unidades de células solares sensibilizadas por corante conectadas em série. Uma desvantagem da estrutura do módulo de DSC divulgada no documento de patente WO 2011/096154 é a dificuldade de se prover unidades de célula de DSC conectadas em série. Se o método divulgado no documento de patente WO 2012/020944 for usado, deverão ser feitos furos no módulo de DSC antes do enchimento com um material condutor. Entretanto, se a camada porosa isolante for feita de um material sensível, tal como, um papel cerâmico, a camada porosa isolante poderá ser retalhada após a perfuração dos furos. Outra desvantagem do uso de perfuração para fazer os furos é que a perfuração provoca a formação de cavacos. Por causa disso, fica difícil, ou mesmo impossível, a remoção de todos os cavacos produzidos pela perfuração. Os restos de cavacos podem causar problemas quando da montagem dos módulos de DSC, pelo fato de os cavacos ocuparem um determinado volume e espaço. Os restos de cavacos em determinados locais pode proporcionar uma distância não homogênea entre as camadas montadas ou até mesmo um mau funcionamento ou destruição das camadas montadas. Outro problema decorrente da perfuração é que a ferramenta de perfuração pode ser desgastada, deixando traços de substâncias indesejadas que podem interferir destrutivamente com o desempenho das células solares sensibilizadas por corante (DSC). É bem conhecido, por exemplo, que as DSC são sensíveis a quantidades de traços de ferro e outros metais que são usados nas ferramentas de perfuração.
[009] O documento de patente EP 0859386 divulga uma célula solar sensibilizada por corante incluindo um substrato poroso isolante, um eletrodo de trabalho, uma primeira camada condutora porosa para extração de elétrons fotogerados do eletrodo de trabalho, formados em um lado do substrato poroso isolante, e um contra-eletrodo tendo uma segunda camada condutora porosa formada no lado oposto do substrato poroso isolante.
Objetivo e Resumo da Invenção
[010] Constitui um objetivo da presente invenção, proporcionar um módulo de DSC de baixo custo, tendo uma estrutura em série.
[011] Esse objetivo é alcançado mediante um módulo de célula solar sensibilizada por corante (DSC), conforme definido na reivindicação 1.
[012] O módulo de DSC apresenta uma estrutura em série, compreendendo pelo menos duas unidades de célula solar sensibilizada por corante, dispostas adjacentes entre si e conectadas em série. Cada unidade de célula inclui um eletrodo de trabalho, uma primeira camada condutora para extração de elétrons fotogerados do eletrodo de trabalho, um contra-eletrodo incluindo uma segunda camada condutora, um eletrólito para transferência de elétrons do contra- eletrodo para o eletrodo de trabalho, e um elemento de conexão em série para eletricamente conectar o eletrodo de trabalho ou o contra-eletrodo com um contra-eletrodo ou um eletrodo de trabalho de uma unidade de célula adjacente.
[013] O módulo de DSC é caracterizado pelo fato de que o módulo de célula solar sensibilizada por corante compreende um substrato poroso isolante, a primeira camada condutora é uma camada condutora porosa formada sobre um lado do substrato poroso isolante, e a segunda camada condutora é uma camada condutora porosa formada no lado oposto do substrato poroso isolante, e o elemento de conexão em série é uma camada condutora que penetra através do substrato poroso isolante e se estende entre a primeira camada condutora de uma unidade de célula e a segunda camada condutora de uma unidade de célula adjacente, desse modo, eletricamente conectando a primeira camada condutora em uma das unidades de célula com a segunda camada condutora da unidade de célula adjacente.
[014] As camadas condutoras são camadas condutoras porosas, que podem ser aplicadas em ambos os lados do substrato isolante usando um método de impressão, que proporciona uma produção pequena e que significativamente reduz os custos de fabricação do módulo de DSC. O elemento de conexão em série é formado por uma camada condutora que penetra no substrato poroso isolante. Assim, o elemento de conexão em série pode ser também fabricado usando uma técnica de impressão, que reduz mais ainda os custos de fabricação do módulo de DSC. Uma vez que a invenção possibilita o uso de uma técnica de impressão para fabricação do elemento de conexão em série, não é mais necessário a perfuração de quaisquer furos através de todo o módulo de DSC e, desse modo, o risco de destruição do substrato isolante é eliminado. Isso possibilita o uso de um material sensível, tal como, um papel cerâmico, como substrato poroso isolante. Usando uma técnica de impressão, o elemento de conexão em série se torna uma camada condutora porosa.
[015] Preferivelmente, a camada condutora do elemento de conexão em série é feita de um material condutor, não sensível à corrosão, resistente a temperaturas acima de 500OC, sem se oxidar significativamente quando exposto ao ar, tal como, Ti, ligas de Ti, ligas de Ni, grafite e carbono amorfo. Ao escolher um material que não seja corrosivo, não é necessário se proteger o elemento de conexão em série do contato com o eletrólito, desse modo, não havendo necessidade de quaisquer barreiras protetoras envolvendo o elemento de conexão em série. O elemento de conexão em série pode ser feito do mesmo material que as primeira e segunda camadas condutoras porosas, o que facilita o processo de fabricação.
[016] Uma adicional vantagem do módulo de DSC de acordo com a invenção é que o mesmo é fino e apresenta uma arquitetura compacta, o que reduz o tamanho do módulo de DSC. O fato de o componente ser fino e apresentar uma arquitetura compacta facilita a provisão da conexão em série das unidades de célula.
[017] A porosidade do substrato isolante e das camadas condutoras permite o transporte iônico através das camadas e do substrato, consequentemente, entre o eletrodo de trabalho e o contra-eletrodo. Essa estrutura torna possível se dispor o eletrodo de trabalho no topo da primeira camada condutora e, assim, a primeira camada condutora não precisa ser transparente, o que leva a um aumento da capacidade de manipulação de corrente para o módulo de DSC.
[018] P referivelmente, as primeira e segunda camadas condutoras incluem partículas, que são acentuadamente grandes para a possibilidade de penetrar no substrato poroso isolante. Isso garante que as primeira e segunda camadas condutoras não penetram através do substrato poroso isolante e, consequentemente, irá permanecer sobre um lado do substrato.
[019] P referivelmente, a espessura do substrato poroso isolante se dispõe entre 4 μm e 100 μm. Um substrato fino reduz a espessura do elemento de conexão em série e, consequentemente, reduz as perdas resistivas. Além disso, um substrato fino facilita dispor um elemento de conexão em série penetrando através do substrato.
[020] Preferivelmente, as primeira e segunda camadas condutoras porosas são feitas de um material condutor, não sensível à corrosão, resistente a temperaturas acima de 500OC, sem se oxidar quando exposto ao ar, tal como, Ti, ligas de Ti, ligas de Ni, grafite e carbono amorfo, o que permite às camadas condutoras se disporem em contato com o eletrólito sem qualquer indício de corrosão e torna possível sinterizar as camadas condutoras em temperaturas de cerca de 450-550OC.
[021] De acordo com uma modalidade da invenção, a camada condutora porosa do elemento de conexão em série contém partículas suficientemente pequenas para penetrar no substrato poroso isolante. Essa modalidade garante que o elemento de conexão em série irá penetrar através do substrato poroso isolante e, desse modo, eletricamente conectar as primeira e segunda camadas condutoras.
[022] De acordo com uma modalidade da invenção, as primeira e segunda camadas condutoras de uma unidade de célula são deslocadas de modo longitudinal relativamente entre si, para permitir à camada condutora do elemento de conexão em série se estender entre uma extremidade da primeira camada condutora de uma unidade de célula e uma extremidade oposta da segunda camada condutora de uma unidade de célula adjacente. O termo “extremidade oposta” significa que uma extremidade dianteira de uma extremidade da outra camada é uma extremidade traseira e vice-versa. Isso significa que o elemento de conexão em série se estende entre uma extremidade dianteira de uma das camadas condutoras e uma extremidade traseira da outra camada condutora. Essa modalidade possibilita a fabricação do elemento de conexão em série de modo perpendicular ao plano de extensão do substrato isolante, por exemplo, mediante uma técnica de impressão, o que facilita a fabricação do módulo de DSC.
[023] De acordo com uma modalidade da invenção, cada unidade de célula é circundada por uma barreira de íons, na forma de uma camada não porosa, que penetra através do substrato poroso isolante para evitar vazamento do eletrólito para uma unidade de célula adjacente. Essa modalidade evita a migração do eletrólito entre as unidades de célula vizinhas conectadas, o que leva a perdas na eficiência das células solares sensibilizadas por corante (DSC). Essa modalidade possibilita o uso de um eletrólito na forma líquida. Em outra modalidade da invenção, o eletrólito pode se apresentar na forma de um gel ou na forma sólida, o que imobiliza o eletrólito, impedindo o mesmo de vazar para uma unidade de célula adjacente.
Mediante uma adequada imobilização do eletrólito, a bareira de íons pode ser excluída.
[024] De acordo com uma modalidade da invenção, o elemento de conexão em série é uma camada condutora porosa e a barreira de íons penetra através do elemento de conexão em série. A área dos eletrodos de operação é indicada como a área ativa do módulo de célula solar. A eficiência do módulo de célula solar depende da relação entre a área ativa e a área total do módulo de célula solar. Ao dispor a barreira de íons através do elemento de conexão em série, que se encontra posicionado entre os eletrodos de operação de duas unidades de célula solar adjacentes, nenhuma área ativa é usada e, consequentemente, a eficiência da célula solar é mantida.
[025] Preferivelmente, a barreira de íons é feita de um material polimérico. Um material polimérico pode ser fundido e drenado através do substrato poroso isolante e da camada condutora porosa do elemento de conexão em série, para preencher os furos no substrato e, desse modo, obter uma barreira líquida entre as unidades de célula solar, o que impede o eletrólito de se mover de uma unidade de célula solar para outra unidade de célula solar. Alternativamente, uma barreira líquida entre as unidades de célula solar pode ser formada mediante impregnação de um adesivo polimérico líquido dentro do substrato poroso isolante e da camada condutora porosa do elemento de conexão em série, com posterior cura do adesivo, por exemplo, quimicamente ou através de calor ou de luz.
[026] Constitui outro objetivo da presente invenção, proporcionar um método de custo rentável para fabricação de um módulo de célula solar sensibilizada por corante tendo uma estrutura em série.
[027] Esse objetivo é alcançado mediante um método de fabricação de um módulo de célula solar sensibilizada por corante, conforme definido na reivindicação 8.
[028] O método compreende aplicar as primeiras camadas condutoras das unidades de célula na forma de camadas condutoras porosas sobre um lado de um substrato poroso isolante, e aplicar as segundas camadas condutoras das unidades de célula na forma camadas condutoras porosas no lado oposto do substrato poroso isolante, de modo que as primeira e segunda camadas condutoras de cada unidade de célula se defrontem entre si.
[029] Esse método possibilita o uso da mesma técnica para fabricação do eletrodo de trabalho e do contra-eletrodo. O método também possibilita selecionar uma técnica simples para fabricação do eletrodo de trabalho e do contra- eletrodo, tal como, serigrafia, desse modo, simplificando a fabricação dos componentes do módulo de DSC e assim reduzindo os custos de fabricação.
[030] Esse método facilita a fabricação de um componente de DSC fino com uma arquitetura compacta.
[031] De acordo com uma modalidade da invenção, o método compreende imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras, pelo menos, duas áreas adjacentes, porém, separadas, sobre um lado do substrato poroso isolante, de modo a formar as primeiras camadas condutoras porosas, e imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras, pelo menos, duas áreas adjacentes, porém, separadas, sobre o lado oposto do substrato poroso isolante, de modo a formar as segundas camadas condutoras porosas. Mediante uso de uma técnica de impressão, fica fácil prover uma pluralidade de áreas eletricamente separadas de formatos definidos sobre o substrato isolado, cujas áreas formam as primeiras e segundas áreas condutoras de uma pluralidade de unidades de DSC.
[032] De acordo com uma modalidade da invenção, o método compreende ainda a formação de elementos de conexão em série na forma de camadas condutoras, que penetram através do substrato poroso isolante.
[033] Uma vez que a camada condutora do eletrodo de trabalho é formada como uma camada condutora porosa sobre um lado de um substrato poroso, e a camada condutora do contra-eletrodo é formada como uma camada condutora porosa sobre o outro lado do substrato poroso, o elemento de conexão em série somente tem de penetrar através do substrato poroso para possibilitar a conexão do eletrodo de trabalho de uma unidade de célula com o contra-eletrodo de uma unidade de célula adjacente. Devido ao material ser poroso, o substrato poroso é fácil de penetrar. Desse modo, a etapa de perfuração de furos em todo o módulo de DSC pode ser omitida, o que simplifica o processo de fabricação e reduz os custos de fabricação.
[034] Ao prover o elemento de conexão em série como uma camada condutora que penetra no substrato poroso isolante, uma simples técnica de impressão, como, por exemplo, serigrafia, pode ser usada para a fabricação do elemento de conexão em série. A mesma técnica de fabricação pode ser usada para fabricação do elemento de conexão em série e das camadas condutoras, desse modo, reduzindo mais ainda os custos de fabricação.
[035] P referivelmente, os elementos de conexão em série são formados mediante impressão do substrato poroso isolante com uma tinta contendo partículas condutoras, que penetra através do substrato poroso isolante.
[036] De acordo com uma modalidade da invenção, o método compreende ainda: - aplicar as primeiras camadas condutoras das unidades de célula, de modo que a primeira camada condutora de uma das unidades de célula seja eletricamente conectada ao elemento de conexão em série, e a primeira camada condutora de uma unidade de célula adjacente seja eletricamente separada do elemento de conexão em série; e - aplicar as segundas camadas condutoras das unidades de célula, de modo que a segunda camada condutora de uma das unidades de célula seja eletricamente separada do elemento de conexão em série, e a segunda camada condutora da unidade de célula adjacente seja eletricamente conectada ao elemento de conexão em série, desse modo, eletricamente conectando a primeira camada condutora de uma das unidades de célula com a segunda camada condutora da unidade de célula adjacente, de modo que as unidades de célula são conectadas em série.
[037] De acordo com uma modalidade da invenção, as primeira e segunda camadas são impressas com uma tinta contendo partículas condutoras, que são acentuadamente grandes para a possibilidade de penetração através do substrato poroso isolante e o elemento de conexão em série é formado mediante impressão no substrato poroso isolante com uma tinta contendo partículas condutoras suficientemente pequenas, para penetração através do substrato poroso isolante. Mediante seleção do tamanho das partículas na tinta, é possível determinar se a camada porosa será provida no topo do substrato poroso isolante ou se a camada irá penetrar no substrato. Se as partículas da primeira e segunda camada condutora forem maiores que os poros no substrato, as partículas irão permanecer no topo do substrato, e se as partículas forem menores que os poros no substrato, as partículas irão penetrar no substrato.
[038] De acordo com uma modalidade da invenção, o elemento de conexão em série é formado mediante perfuração do substrato poroso isolante e derramamento de tinta contendo partículas condutoras nas partes perfuradas do substrato. O termo “perfurado” significa uma pluralidade de furos bastante pequenos, dispostos em linha e através do substrato. Ao se perfurar o substrato poroso isolante ao longo de distâncias em que se deseja ter os elementos de conexão em série, o processo de aplicação de tinta é facilitado e também se torna possível o uso de tinta com o mesmo tamanho de partícula usada para produção das primeira e segunda camadas condutoras. Se for usado, por exemplo, um papel cerâmico como substrato, se torna fácil perfurar o papel antes da aplicação da tinta.
[039] De acordo com uma modalidade da invenção, o método compreende: imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras sobre um substrato poroso isolante, de modo a formar o elemento de conexão em série; imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras sobre pelo menos duas primeiras áreas adjacentes, porém, separadas, sobre um lado de um substrato poroso isolante, para formar as primeiras camadas condutoras porosas, de modo que a primeira área de uma das unidades de célula esteja em contato elétrico com o elemento de conexão em série, e a primeira área da outra unidade de célula esteja eletricamente separada do elemento de conexão em série, e imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras sobre pelo menos duas segundas áreas adjacentes, porém, separadas, sobre o lado oposto do substrato poroso isolante para formar as segundas camadas condutoras porosas, de modo que as primeira e segunda áreas sejam deslocadas de modo longitudinal relativamente entre si e de modo que a segunda área de uma das unidades de célula seja eletricamente separada do elemento de conexão em série e a segunda área da outra unidade de célula esteja em contato elétrico com o elemento de conexão em série. É vantajoso, primeiramente, imprimir o elemento de conexão em série e depois imprimir as primeiras e segundas camadas condutoras em contato com o elemento de conexão em série.
[040] De acordo com uma modalidade da invenção, o método compreende a provisão de uma barreira de íons na forma de uma camada não porosa circundando cada unidade de célula, a fim de impedir vazamento do eletrólito para uma unidade de célula adjacente. A camada não porosa penetra através do substrato poroso isolante. A fim de manter a área da célula solar ativa, o material polimérico pode ser posicionado de modo a que o material polimérico penetre através do elemento de conexão em série.
[041] De acordo com uma modalidade da invenção, a barreira de íons é proporcionada mediante aplicação de um material polimérico, de modo que o dito material polimérico penetre através da primeira camada condutora, do substrato poroso isolante e da segunda camada condutora.
[042] De acordo com uma modalidade da invenção, o material polimérico é aplicado de tal modo a penetrar através do elemento de conexão em série.
Breve Descrição dos Desenhos
[043] A invenção será agora explicada de modo mais detalhado, através da descrição de diferentes modalidades e fazendo-se referência aos desenhos anexos, nos quais: - a figura 1a mostra uma seção transversal através de um módulo de célula solar sensibilizada por corante, de acordo com uma primeira modalidade da invenção; - a figura 1b mostra uma seção transversal através de um módulo de célula solar sensibilizada por corante, de acordo com uma segunda modalidade da invenção; - as figuras 2-11 ilustram um método de fabricação de um módulo de célula solar sensibilizada por corante, de acordo com uma modalidade da invenção; e - a figura 12 mostra em uma vista tomada de cima um exemplo de um módulo de célula solar sensibilizada por corante, de acordo com uma modalidade da invenção.
Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas da Invenção
[044] A figura 1a mostra uma seção transversal através de um módulo de célula solar sensibilizada por corante (DSC) (1), tendo uma estrutura em série, de acordo com uma primeira modalidade da invenção. O módulo de DSC compreende uma pluralidade de unidades de DSC (2a-2c), dispostas adjacentes entre si e conectadas em série. Cada unidade de DSC (2a-2c) inclui um eletrodo de trabalho (3) e um contra- eletrodo (5). O espaço entre o eletrodo de trabalho e o contra-eletrodo é preenchido com um eletrólito contendo íons para transferir os elétrons do contra-eletrodo para o eletrodo de trabalho. O contra-eletrodo transfere elétrons para o eletrólito. O módulo de DSC compreende uma primeira camada condutora (4) para extrair os elétrons fotogerados do eletrodo de trabalho. A primeira camada condutora (4) serve como um contato traseiro que extrai elétrons do eletrodo de trabalho. A seguir, a primeira camada condutora (4) será chamada de camada de contato traseiro.
[045] O eletrodo de trabalho (3) inclui uma camada de eletrodo porosa de TiO2, depositada sobre a primeira camada condutora (4). O eletrodo de TiO2 compreende partículas de TiO2 tingidas por moléculas adsorventes de corante sobre a superfície das partículas de TiO2. O eletrodo de trabalho é posicionado sobre um lado superior do módulo de DSC. O lado superior deve se defrontar com o sol, para permitir que a luz solar se choque com as moléculas do corante do eletrodo de trabalho.
[046] O módulo de DSC inclui ainda um substrato poroso isolante (7) disposto entre o eletrodo de trabalho e o contra-eletrodo. A porosidade do substrato poroso isolante irá possibilitar o transporte iônico através do substrato. Preferivelmente, o substrato poroso isolante é um substrato à base de microfibra cerâmica, tal como, um substrato de microfibra de vidro ou um substrato de microfibra cerâmica. Assim, por exemplo, o substrato poroso é baseado em um material têxtil de vidro combinado com papel de vítreo. Isso possibilita a provisão de um substrato fino e forte. Os substratos cerâmicos são isolantes elétricos, mas, são porosos e, desse modo, permitem a penetração de líquidos e íons de eletrólito. Os substratos cerâmicos podem ser manipulados na forma de folhas ou na forma de rolos para um processo contínuo. Os substratos cerâmicos são quimicamente inertes e podem suportar altas temperaturas e são facilmente disponíveis, baratos e simples em diversas etapas do processo.
[047] Um adequado substrato cerâmico pode ser baseado em uma fibra de vidro microfibrosa tecida feita de filamentos de vidro. As fibras tecidas são mais fortes do que as fibras não-tecidas. Além disso, as fibras tecidas são, inerentemente, mecanicamente mais fortes, se comparadas com as fibras não-tecidas. Além disso, a espessura das fibras tecidas pode ser implementada bastante fina, com a resistência mecânica sendo mantida. Entretanto, as fibras tecidas, normalmente, apresentam grandes furos, o que permite a presença de uma grande quantidade de partículas na tinta impressa, passar diretamente através da fibra tecida, de uma maneira descontrolada, por toda a área da fibra tecida. Este é um efeito indesejado. A fim de bloquear os furos no material têxtil tecido, é vantajoso se depositar as fibras de vidro não-tecidas na parte superior do material têxtil tecido. Isso pode ser feito mediante impregnação do material têxtil tecido em uma solução contendo fibras de vidro, com posterior remoção do solvente. Se for usado um aglutinante, tal como, sílica coloidal, juntamente com as fibras de vidro, então, a fibra de vidro não-tecida pode apresentar uma mais forte adesividade do que a fibra tecida, e irá formar um contínuo filme aderente da fibra de vidro não-tecida na parte superior da fibra de vidro tecida. Ao depositar as fibras de vidro não-tecidas na parte superior da fibra tecida, é possível impedir as partículas presentes na tinta de passar diretamente para a fibra tecida.
[048] Quanto mais fino for o substrato poroso, melhor será a consequência, uma vez que uma pequena distância entre o contato traseiro e o contra-eletrodo proporciona mínimas perdas de resistência. Pela mesma razão, um grande grau de porosidade é desejável. Entretanto, se o substrato for demasiadamente fino e poroso, a resistência mecânica do substrato será demasiadamente baixa. Preferivelmente, a espessura do substrato poroso isolante é maior que 4 μm e menor que 100 μm. Mais preferivelmente, a espessura do substrato poroso isolante é inferior a 50 μm. A espessura do substrato poroso isolante, tipicamente, se dispõe entre 10 - 30 μm. Preferivelmente, a porosidade do substrato é maior que 40%. Preferivelmente, a porosidade do substrato é próxima de 90%. Preferivelmente, a porosidade do substrato se dispõe entre 40 e 90%.
[049] A camada de contato traseira (4) é uma camada condutora porosa depositada sobre um lado superior do substrato poroso isolante (7). Quando uma camada condutora porosa é usada como uma camada de contato traseira, a mesma se encontra em contato direto com o eletrodo de trabalho. O contra-eletrodo de cada unidade de DSC (2a-2c) inclui uma segunda camada condutora (5), que será daqui em diante chamada de camada de contra-eletrodo. A camada de contra- eletrodo (5) é uma camada condutora porosa depositada sobre o lado oposto (inferior) do substrato poroso isolante (7). A camada de contato traseira (4) e a camada de contra- eletrodo (5) são física e eletricamente separadas pelo substrato poroso isolante (7) e, portanto, não se encontram em contato direto físico e elétrico. Entretanto, a camada de contato traseira (4) e a camada de contra-eletrodo (5) depositadas sobre os lados superior e inferior do substrato poroso isolante de uma unidade de DSC são eletricamente conectadas através de íons que penetram no substrato poroso isolante. A porosidade das camadas condutoras porosas (4, 5) deve, preferivelmente, se dispor entre 30% e 85%, ou entre 35% e 70%, ou entre 40% e 60%. Dependendo do material usado nas camadas condutoras porosas e qual método de aplicação é usado, a espessura da camada pode variar de cerca de 1 micrômetro a 100 micrômetros ou de 1 micrômetro a 50 micrômetros.
[050] Quando uma camada condutora porosa é usada como um contra-eletrodo, a mesma faz parte do contra-eletrodo oposto ao eletrodo de trabalho. O contra-eletrodo, normalmente, compreende uma camada catalítica. A camada condutora porosa que funciona como contra-eletrodo pode apresentar uma camada catalítica separada ou apresentar partículas catalíticas integradas na camada condutora porosa.
[051] O módulo de DSC inclui uma pluralidade de pares de primeiras e segundas camadas condutoras porosas dispostas em lados opostos do substrato poroso isolante. Cada unidade de DSC inclui um par de primeiras e segundas camadas condutoras porosas. As primeiras e segundas camadas condutoras porosas de uma unidade de DSC são posicionadas de modo a que se defrontem entre si. Um espaço (8) é formado entre os eletrodos de operação (3) e as primeiras camadas condutoras de unidades de célula adjacente e um espaço (9) é formado entre os contra-eletrodos (3) de unidades de célula adjacente, a fim de eletricamente separar as unidades de célula.
[052] Conforme observado na figura 1, as primeiras e segundas camadas condutoras porosas são ligeiramente deslocadas de modo longitudinal entre si, de modo que uma extremidade dianteira (4a) da primeira camada condutora (4) de uma unidade de DSC (2a) se defronte com uma extremidade traseira (5a) da segunda camada condutora (5) de uma unidade de DSC adjacente (2b).
[053] A unidade de DSC inclui ainda um elemento de conexão em série (6) que se estende entre as extremidades (4a, 5a) das primeira e segunda camadas condutoras de unidades de célula adjacente, desse modo, eletricamente conectando a primeira camada condutora de uma das unidades de célula com a segunda camada condutora de uma unidade de célula adjacente. Assim, o elemento de conexão em série (6) eletricamente conecta o contra-eletrodo (4) de uma unidade de célula com o eletrodo de trabalho (5) de uma unidade de célula adjacente para criar uma conexão elétrica em série de duas unidades de DSC, para aumentar a voltagem de saída.
[054] O elemento de conexão em série (6) é uma camada condutora porosa que penetra através do substrato poroso isolante (7) e se estende entre a camada de contato traseira (4) de uma das unidades de célula e a camada do contra-eletrodo (5) de uma unidade de célula adjacente. A camada condutora porosa (6) é usada como uma camada de conexão elétrica em série, e se encontra em contato físico direto com a camada de contato traseira (4) e a camada do contra-eletrodo (5) de duas unidades de DSC adjacentes. Doravante, a camada condutora porosa do elemento de conexão em série (6) será chamada de camada de conexão em série. A camada de conexão elétrica em série penetra no substrato poroso isolante (7) e proporciona um percurso de conexão elétrica entre o lado superior do substrato poroso isolante e o lado da base do substrato poroso isolante. Uma vez que a espessura do substrato poroso é pequena, preferivelmente, da ordem de poucos μm, o percurso para a corrente se deslocar será curto e, consequentemente, a exigência de condutividade da camada de conexão em série será menor que a do contra-eletrodo (5) e da camada de contato traseira (4).
[055] As camadas condutoras porosas (4, 5, 6) terão baixas perdas elétricas devido à baixa resistividade. A porosidade das camadas condutoras porosas irá possibilitar o transporte iônico e de corante através das camadas. A deposição das camadas condutoras porosas sobre um substrato poroso isolante (7) possibilita a construção de módulos de DSC, incluindo uma pluralidade de unidades de DSC eletricamente interligadas.
[056] Os materiais que formam as camadas condutoras porosas (4-6) devem apresentar uma adequada resistência à corrosão para suportar o ambiente na DSC e, preferivelmente, também resistência às temperaturas acima de 500OC quando expostos ao ar, sem apresentar oxidação. Preferivelmente, as camadas condutoras porosas (4-6) são feitas de um material selecionado do grupo que consiste de titânio, ligas de titânio, ligas de níquel, grafite, e carbono amorfo, ou misturas dos mesmos.
[057] O módulo de DSC (1) inclui também uma primeira camada (10) cobrindo um lado superior do módulo de DSC e uma segunda camada (11) cobrindo um lado da base do módulo de DSC, que funcionam como barreiras líquidas para o eletrólito. A primeira camada (10) disposta no lado superior do módulo de DSC cobre os eletrodos de produção e precisa ser transparente, para permitir a passagem de luz. As camadas (10, 11) são, por exemplo, feitas de um material polimérico.
[058] P ara evitar a migração do eletrólito entre as unidades de DSC vizinhas conectadas em série (2a-2c), o que ocasiona perdas na eficiência de DSC, os íons provenientes do eletrólito não são permitidos de movimentação entre as unidades vizinhas. Uma solução para esse problema é imobilizar o eletrólito de modo a criar um eletrólito tipo gel de eletrólito e, desse modo, impedir o eletrólito líquido de circular entre as unidades de DSC adjacentes. Outra solução pode ser depositar um eletrólito que não seja líquido, tal como, um condutor sólido.
[059] A figura 1b mostra uma seção transversal através do módulo de célula solar sensibilizada por corante, de acordo com uma segunda modalidade da invenção. Nessa modalidade, cada unidade de célula é circundada por uma barreira de íons (12) na forma de uma camada não porosa, que penetra através do módulo de DSC. A barreira de íons (12) circunda a unidade de DSC a fim de impedir o vazamento do eletrólito para uma unidade de célula adjacente, ou para entrar em contato com o eletrólito em uma unidade de célula adjacente. A barreira de íons (12) é depositada no espaço (8) entre as camadas do eletrodo de produção (3) e as camadas de contato traseiras (4) das unidades de célula adjacentes. A barreira de íons (12) penetra através do substrato poroso isolante (7) e entre as camadas do contra- eletrodo (5) das unidades de célula adjacentes. Preferivelmente, a barreira de íons também penetra através da camada de conexão em série (6). A barreira de íons impede a movimentação de íons entre as unidades de célula adjacentes. Entretanto, não apresenta nenhuma função de isolamento elétrico. Desse modo, as primeira e segunda camadas condutoras (4, 5) e a camada de conexão em série (6) ainda estão sendo condutoras, embora sejam penetradas pela barreira de íons. A barreira de íons é feita, por exemplo, de um material polimérico. Assim, por exemplo, a barreira de íons é feita do mesmo material polimérico que das primeira e segunda camadas (10, 11).
[060] A seguir, será descrito um método rentável para depositar camadas condutoras porosas sobre os lados superiores e inferiores de um substrato poroso isolante (7), de tal modo que as camadas condutoras porosas sobre o lado superior do substrato poroso isolante sejam eletricamente interligadas com as camadas condutoras porosas sobre o lado inferior do substrato poroso isolante. Além disso, é descrito como essa disposição de camadas condutoras porosas pode ser usada para proporcionar um método rentável para produção de um módulo de DSC compreendendo diversas unidades de DSC eletricamente interligadas.
[061] Assim, por exemplo, uma conexão elétrica entre uma camada de contato traseira e uma camada de contra-eletrodo pode ser formada conforme exposto a seguir: primeiramente, uma camada de conexão eletricamente em série é depositada, de modo a penetrar através de um substrato poroso isolante. Em seguida, uma camada de contato traseira é depositada, de modo que parte da camada de contato traseira é depositada no topo da camada de conexão depositada em série, de modo que a camada de contato traseira se disponha em contato direto com a camada de conexão em série. Posteriormente, uma camada de contra-eletrodo é depositada no lado oposto do substrato poroso isolante, de modo que uma parte da camada de contra-eletrodo seja depositada na mesma posição lateral que da camada de conexão em série, para que a camada de contra-eletrodo se disponha em contato direto com a camada de conexão em série. Assim, a camada de contato traseira no lado superior do substrato poroso isolante e a camada de contra-eletrodo no lado inferior do substrato poroso isolante são eletricamente interligadas através da camada de conexão em série.
[062] A camada condutora porosa é formada, por exemplo, mediante deposição de um depósito compreendendo partículas de hidreto de metal sobre um substrato poroso isolante e seguinte tratamento do depósito, de modo que as partículas sólidas de hidreto de metal se transformam em metal, e as partículas de metal são sinterizadas para formar uma camada condutora porosa. O depósito de pó de hidreto de metal, por exemplo, pó de hidreto de titânio, pode, vantajosamente, ser disposto sobre um substrato à base de microfibra cerâmica, tal como, um substrato de microfibra de vidro ou um substrato de microfibra cerâmica. Para os substratos porosos isolantes é possível formar uma camada condutora porosa em ambos os lados do substrato poroso isolante. Assim, por exemplo, é possível formar uma camada condutora porosa sobre um lado do substrato e outra camada condutora porosa sobre o outro lado do substrato.
[063] As camadas condutoras porosas (4, 5, 6) podem ser dispostas no substrato poroso isolante mediante impressão com uma tinta contendo partículas condutoras sólidas. As partículas sólidas podem ser misturadas com um líquido para formar uma tinta adequada para o processo de impressão. Os hidretos de metal podem ser misturados com um líquido para formar uma tinta adequada para o processo de impressão. As partículas podem ser também moídas ou de outro modo tratadas, a fim de se obter um adequado tamanho de partícula, para formar a camada condutora porosa. As partículas sólidas são preferivelmente à base de metal e podem se constituir de metal puro, ligas de metal, ou hidretos de metal, ou ligas de hidreto de metal, ou misturas dos mesmos. As camadas condutoras porosas resultantes devem apresentar uma adequada resistência à corrosão para suportar o ambiente na DSC. Um exemplo de um material adequado é titânio ou ligas à base de titânio, ou misturas dos mesmos. Outros exemplos de materiais adequados incluem as ligas de níquel.
[064] Outros componentes na forma sólida podem ser também adicionados à tinta. Para impressão do depósito, diversas técnicas conhecidas no segmento da técnica podem ser usadas. Exemplos de técnicas de impressão incluem revestimento através de matriz ranhurada, gravura, serigrafia, revestimento por faca, revestimento por lâmina, raspagem, flexografia, revestimento por imersão ou pulverização. A deposição de pó seco pode ser feita, por exemplo, mediante peneiramento ou deposição de pó eletrostático.
[065] O depósito é tratado mediante uma etapa de tratamento térmico. Durante o tratamento térmico também deverá ocorrer uma sinterização das partículas, desse modo, aumentando a condutividade e a estabilidade mecânica da camada. Os hidretos de metal irão se transformar em metal durante o tratamento térmico. Mediante aquecimento a vácuo ou na presença de gás inerte, a contaminação das partículas é evitada e o contato elétrico entre as partículas aperfeiçoado.
[066] Um rápido processo de aquecimento, tal como, um rápido processamento térmico (RTP) ou um rápido recozimento térmico (RTA), onde o depósito é aquecido a altas temperaturas (temperaturas de até 1200°C), numa escala de tempo em segundos, proporciona vantagens para evitar a contaminação das partículas pela atmosfera de sinterização. Uma sinterização instantânea pode ser também empregada, isto é, usando um equipamento, tal como, Sinteron 2000, fornecido pela Polytec. As temperaturas de tratamento térmico devem ser suficientes para que ocorra a sinterização entre as partículas. As temperaturas dependem do material usado, mas, normalmente, se situam na faixa de 700 - 1200oC.
[067] P ara obtenção de um efeito catalítico no contra- eletrodo, é possível misturar partículas platinizadas de óxidos de metal condutor com partículas de hidreto de metal, tais como ITO, ATO, PTO, e FTO platinizados. Partículas platinizadas de carbetos de metal condutor, silicietos de metal e nitretos de metal podem também ser misturadas com as partículas de hidreto de metal. Também, as partículas de negro de fumo ou grafite platinizadas podem ser misturadas com as partículas de hidreto de metal.
[068] A seguir, será explicado um exemplo de um método de fabricação de um módulo de DSC tendo uma estrutura em série, fazendo-se referência às figuras 2-12.
[069] A figura 2 mostra uma vista de topo e duas seções transversais (A-A) e (B-B) de um substrato poroso isolante (7) depositado com uma camada de conexão em série (6a). Nesse exemplo, o substrato poroso isolante (7) é feito de microfibra cerâmica. As seções transversais mostram que a camada de conexão em série penetra no substrato poroso isolante a partir do lado superior para o lado inferior do dito substrato poroso isolante. Isso significa que existe um percurso elétrico a partir do lado superior para o lado inferior do substrato poroso isolante. A camada de conexão em série (6a) é impressa com uma tinta contendo partículas, que são suficientemente pequenas para penetrar na rede porosa interior à microfibra cerâmica. As seções transversais mostram que as partículas na tinta penetram na microfibra cerâmica continuamente, do topo para a base do substrato.
[070] A figura 3 mostra uma vista de topo e duas seções transversais do substrato poroso isolante (7) depositado com uma camada de conexão em série (6a), que penetra no substrato poroso isolante. Além disso, mais duas camadas condutoras porosas (4a, 4b) são impressas no lado superior do substrato isolante (7) para formar camadas de contato traseiras. Uma dessas camadas de contato traseira (4a) está em contato direto com a camada de conexão em série (6a), conforme pode ser observado na vista de topo e na seção transversal de base (B-B), e a outra camada de contato traseira (4b) não está em contato elétrico com a camada de conexão em série (6a). Pode ser observado das seções transversais que as duas camadas (4a, 4b) não penetram no substrato isolante (7) e que as mesmas são depositadas no topo do dito substrato isolante (7), ficando em contato com o mesmo. Uma das camadas (4a) está um contato elétrico com a camada de penetração (6a). As camadas condutoras porosas (4a, 4b) são impressas com uma tinta que inclui partículas condutoras, que são demasiadamente grandes para atender à possibilidade de penetrar na rede porosa interior à microfibra cerâmica.
[071] A figura 4 mostra um módulo de DSC com duas unidades de DSC adjacentes, conectadas em série. A figura 4 mostra em vista de topo as duas seções transversais do substrato poroso isolante (7) depositado com a camada de conexão em série (6a) e as camadas de contato traseiras (4a, 4b) impressas no lado superior do substrato isolante (7). Além disso, mais duas camadas (5a, 5b) são impressas no outro lado do substrato (7), isto é, o lado da base do substrato, de modo a formar camadas de contra-eletrodo. As camadas de contra-eletrodo (5a, 5b) não são mostradas na vista de topo, somente são mostradas nas vistas em seção transversal. A vista em seção transversal da base (B-B) mostra que uma das camadas (5b) impressa no lado da base do substrato isolante (7) está em contato direto com a camada de conexão em série (6a) e, portanto, em contato elétrico direto com a camada de conexão em série (6a). Isso significa que uma das camadas de contra-eletrodo (5b) está em contato elétrico com uma das camadas de contato traseiras (4a), através da camada de conexão em série (6a). As camadas condutoras porosas (5a, 5b) são impressas com uma tinta que inclui partículas condutoras, as quais são demasiadamente grandes para atender à possibilidade de penetrar através da rede porosa interior ao substrato cerâmico (7).
[072] Em muitos casos, é desejável conectar em série um grande número de unidades de DSC, para construir uma saída de alta voltagem do módulo de DSC. Nesses casos, é normalmente desejável se projetar um padrão de direcionamento de conexão elétrica em série, de modo que os terminais de saída das unidades de DSC sejam fisicamente posicionados próximos entre si. Um exemplo de tal tipo de padrão é mostrado na figura 12. A direção da conexão elétrica em série é indicada pela linha curva. As figuras 2-11 ilustram como isso pode ser obtido.
[073] A figura 5 mostra uma vista de topo e duas seções transversais (A-A) e (B-B) de um substrato poroso isolante (7) depositado com uma camada de conexão em série (6b), que penetra no substrato poroso isolante e que é perpendicular à camada de conexão em série (6a). A camada de conexão em série (6b) é produzida da mesma maneira que a camada de conexão em série (6a), preferivelmente, sendo produzida ao mesmo tempo.
[074] A figura 6 mostra uma vista de topo e duas seções transversais do substrato poroso isolante (7) depositado com uma camada de conexão em série (6b). Além disso, mais duas camadas condutoras porosas (4a) e (4c) são impressas no lado superior do substrato isolante (7), de modo a formar camadas de contato traseiras. Uma dessas camadas de contato traseira (4c) está em contato direto com a camada de conexão em série (6b), conforme pode ser visto na vista de topo e na seção transversal da base (B-B), e a outra camada de contato traseira (4a) não está em contato elétrico com a camada de conexão em série (6b).
[075] A figura 7 mostra um módulo de DSC com duas unidades de DSC adjacentes, que se encontram conectadas em série. A figura 7 mostra uma vista de topo e duas seções transversais do substrato poroso isolante (7) depositado com a camada de conexão em série (6b) e com as camadas de contato traseiras (4a) e (4c). Além disso, mais duas camadas (5b) e (5c) são impressas sobre o outro lado do substrato isolante (7) para formar camadas de contra- eletrodo. As camadas de contra-eletrodo (5a) e (5c) não são mostradas na vista de topo, sendo mostradas somente nas vistas em seção transversal. A vista em seção transversal (A-A) mostra que uma das camadas de contra-eletrodo (5a) e uma das camadas de contato traseira (4c) estão em contato direto com a camada de conexão em série (6b). Isso significa que a camada de contra-eletrodo (5a) está em contato elétrico com a camada de contato traseira (4c) através da camada de conexão em série (6a).
[076] A figura 8 mostra uma vista de topo e duas seções transversais (A-A) e (B-B) de um substrato poroso isolante (7) depositado com uma camada de conexão em série (6c), que penetra no substrato poroso isolante, se alinha com a camada de conexão em série (6a) e é perpendicular à camada de conexão em série (6b). A camada de conexão em série (6c) é produzida da mesma maneira que as camadas de conexão em série (6a) e (6b), preferivelmente, produzidas ao mesmo tempo.
[077] A figura 9 mostra uma vista de topo e duas seções transversais do substrato poroso isolante (7) depositado com a camada de conexão em série (6c). Além disso, mais duas camadas condutoras porosas (4c) e (4d) são impressas sobre o lado superior do substrato isolante (7), de modo a formar camadas de contato traseiras. Uma dessas camadas de contato traseira (4d) está em contato direto com a camada de conexão em série (6c), conforme pode ser visto na vista de topo e na seção transversal da base (B-B), e a outra camada de contato traseira (4c) não está em contato elétrico com a camada de conexão em série (6c).
[078] A figura 10 mostra um módulo de DSC com duas unidades de DSC adjacentes, que se encontram conectadas em série. A figura 10 mostra uma vista de topo e duas seções transversais do substrato poroso isolante (7) depositado com a camada de conexão em série (6c) e com as camadas de contato traseiras (4c) e (4d). Além disso, mais duas camadas (5c) e (5d) são impressas sobre o outro lado do substrato para formar camadas de contra-eletrodo. As camadas de contra-eletrodo (5c) e (5d) não são mostradas na vista de topo, sendo mostradas somente nas vistas em seção transversal. A vista em seção transversal (B-B) mostra que uma das camadas de contra-eletrodo (5a) e uma das camadas de contato traseira (4d) estão em contato direto com a camada de conexão em série (6c). Isso significa que a camada de contra-eletrodo (5c) está em contato elétrico com a camada de contato traseira (4d) através da camada de conexão em série (6c).
[079] A figura 11 mostra um módulo de DSC com quatro unidades de DSC adjacentes, que se encontram conectadas em série por meio das camadas de conexão em série (6a, 6c). A camada de contra-eletrodo (5b) de uma primeira unidade de DSC é conectada a uma camada de contato traseira (4a) de uma segunda unidade de DSC através das camadas de conexão em série (6a). A camada de contra-eletrodo (5a) da segunda unidade de DSC é conectada a uma camada de contato traseira (4c) de uma terceira unidade de DSC, através das camadas de conexão em série (6b). A camada de contra-eletrodo (5c) da terceira unidade de DSC é conectada a uma camada de contato traseira (4d) de uma quarta unidade de DSC, através das camadas de conexão em série (6c). Preferivelmente, as camadas de conexão em série (6a, 6c) são impressas sobre o substrato isolante (7) ao mesmo tempo e em uma primeira etapa de produção. As camadas de contato traseiras (4a, 4d) são impressas sobre o substrato isolante (7) ao mesmo tempo e em uma segunda etapa de produção, e as camadas de contra- eletrodo (5a, 5d) são impressas sobre o substrato isolante (7) ao mesmo tempo e em uma terceira etapa de produção. No entanto, é possível mudar a ordem pela qual as camadas são produzidas. Numa etapa seguinte, as camadas impressas são tratadas, por exemplo, mediante aquecimento e sinterização, para formar camadas condutoras porosas. Após isso, as camadas porosas (3) do eletrodo de produção são depositadas no topo das camadas de contato traseiras (4).
[080] O substrato isolante (7) mostrado na figura 11 é impresso com três depósitos (6a-6c) de uma tinta contendo partículas que são suficientemente pequenas para penetrar na rede porosa interior à microfibra cerâmica. Além disso, mais quatro camadas são impressas no topo do substrato isolante (7) com uma tinta contendo partículas que são demasiadamente grandes para penetrar na rede porosa interior à microfibra cerâmica. Três dessas quatro camadas estão em contato direto com um depósito de tinta penetrante, conforme pode ser observado na vista de topo. Portanto, três dessas quatro camadas estão em contato elétrico com a respectiva camada de penetração. Além disso, mais quatro camadas são impressas sobre o outro lado do substrato isolante (7), isto é, o lado da base do substrato isolante (7), com uma tinta contendo partículas que são demasiadamente grandes para penetrar na rede porosa interior à microfibra cerâmica. As camadas não são mostradas na vista de topo. Isso significa que uma das camadas de base está em contato elétrico com uma das camadas de topo através da camada de penetração. A figura mostra que é possível mudar a direção da conexão elétrica em série. A direção da conexão elétrica em série é indicada pela linha curva. A direção da conexão elétrica em série pode ser mudada simplesmente através da impressão da tinta de penetração em diferentes locais no substrato isolante (7) e pela impressão de camadas de topo e camadas de base, de modo a que a conexão elétrica em série seja obtida da maneira desejada.
[081] A figura 12 mostra um exemplo de um módulo de DSC incluindo um grande número de unidades de DSC conectadas em série, de modo que os terminais de saída (14) das unidades são fisicamente posicionados próximos entre si.
[082] De acordo com uma modalidade da invenção, um módulo de DSC com pelo menos duas unidades de células solares sensibilizadas por corante, dispostas adjacentes entre si e conectadas em série, pode ser fabricado de acordo com um método que compreende: - imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras em pelo menos duas primeiras áreas adjacentes, mas, separadas, sobre um lado do substrato poroso isolante, para formar as primeiras camadas condutoras porosas; - imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras em pelo menos duas segundas áreas adjacentes, mas, separadas, sobre o lado oposto do substrato poroso isolante, para formar as segundas camadas condutoras porosas, em que as primeiras e segundas áreas são impressas de modo a que as primeira e segunda áreas sejam deslocadas de modo longitudinal relativamente entre si, e que as áreas sejam impressas com uma tinta contendo partículas condutoras, que são demasiadamente grandes para atender à possibilidade de penetrar através do substrato poroso isolante; - formar uma terceira camada condutora, que penetra através do substrato poroso isolante e se estende entre a primeira área de uma das unidades de célula e a segunda área da outra unidade de célula, desse modo, eletricamente conectando a primeira camada condutora de uma das unidades de célula com a segunda camada condutora da outra unidade de célula.
[083] De acordo com uma modalidade da invenção, um módulo de DSC compreendendo pelo menos duas unidades de células solares sensibilizadas por corante, dispostas adjacentes entre si e conectadas em série, pode ser fabricado de acordo com um método que compreende: - formar um elemento de conexão em série que penetre através de um substrato poroso isolante; - imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras em pelo menos duas primeiras áreas adjacentes, mas, separadas, sobre um lado de um substrato poroso isolante, para formar as primeiras camadas condutoras porosas, de modo que a primeira área de uma das unidades de célula esteja em contato elétrico com o elemento de conexão em série, e que a primeira área da outra unidade de célula esteja eletricamente separada do elemento de conexão em série; - imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras em pelo menos duas segundas áreas adjacentes, mas, separadas, sobre o lado oposto do substrato poroso isolante, para formar as segundas camadas condutoras porosas, de modo que as primeira e segunda áreas sejam deslocadas de modo longitudinal relativamente entre si, de modo que uma parte da primeira área de uma das unidades de célula se oponha a uma parte da segunda área da outra unidade de célula, e de modo ainda que a segunda área de uma das unidades de célula seja eletricamente separada do elemento de conexão em série, e a segunda área da outra unidade de célula esteja em contato elétrico com o elemento de conexão em série.
Exemplos Exemplo 1 - Contatos Traseiros e Contra-eletrodo, e uma Camada de Conexão em Série sobre um Substrato Poroso Cerâmico.
[084] Uma primeira tinta é preparada mediante mistura de pó de TiH2 com terpineol. A tinta é depois moída por meio de pérolas durante 3 horas, a 8000 rpm, usando pérolas de zircônia de 0,6 mm. As pérolas de zircônia são separadas da tinta mediante filtração. A tinta compreende partículas de TiH2, com um diâmetro menor que 0,3 micrômetros. Em seguida, a tinta é impressa no formato de um retângulo de 3 mm de largura e 10 cm de comprimento (ver a referência (6a) na figura 2), sobre um substrato poroso à base de microfibra de vidro, de 15 μm de espessura (ver a referência (7) na figura 2), e depois seca à temperatura de 200°C por 5 minutos. O diâmetro de partícula do TiH2 na tinta foi pequeno o suficiente para o TiH2 penetrar nos poros do substrato poroso à base de microfibra de vidro (ver as seções transversais (A-A) e (B-B) na figura 2). A primeira camada impressa irá formar uma camada de conexão em série. O substrato poroso de microfibra de vidro inclui um material têxtil tecido de 10 μm de espessura, feito de filamento de vidro revestido com uma camada de 5 μm de espessura de fibras de vidro não tecidas.
[085] Uma segunda tinta é preparada mediante mistura de pó de TiH2 com terpineol. A tinta é depois moída por meio de pérolas durante 25 minutos, a 6000 rpm, usando pérolas de zircônia de 0,3 mm. As pérolas de zircônia são separadas da tinta mediante filtração. A tinta compreende partículas de TiH2 com um diâmetro menor que 2 micrômetros. Em seguida, a segunda tinta é impressa no formato dois retângulos de 10 cm de largura e 12 cm de comprimento (ver as referências (4a) e (4b) na figura 3), sobre um substrato, de modo que uma aresta de um dos retângulos de 10 cm de largura e 12 cm de comprimento (ver a referência (4a) na figura 3) seja impressa diretamente no topo do retângulo de 3 mm de largura e 10 cm de comprimento (ver a referência (6a) na figura 3). A aresta de (4a) na figura 3 é posicionada grosseiramente no centro do retângulo (ver as referências (4a) e (6a) na figura 3). A segunda tinta foi depois seca à temperatura de 200°C por 5 minutos. As segundas camadas impressas irão formar as camadas de contato traseiras.
[086] Uma terceira tinta é preparada mediante mistura de TiH2 com terpineol. A tinta é depois moída por meio de pérolas durante 25 minutos, a 6000 rpm, usando pérolas de zircônia de 0,3 mm. As pérolas de zircônia são separadas da tinta mediante filtração. A tinta compreende partículas de TiH2 com um diâmetro menor que 2 micrômetros. A tinta filtrada é então misturada com partículas condutoras platinizadas, a fim de proporcionar uma tinta para se depositar em contra-eletrodos. Em seguida, a terceira tinta é impressa no formato dois retângulos de 10 cm de largura e 12 cm de comprimento (ver as referências (5a) e (5b) na figura 4), sobre o lado oposto do substrato (ver a referência (7) na figura 4), de modo que as camadas (5a) e (5b) na figura 4 se defrontem com as camadas (4a) e (4b) na dita figura 4. O substrato impresso foi depois seco à temperatura de 200°C por 5 minutos. As terceiras camadas impressas irão formar contra-eletrodos.
[087] Em seguida, o substrato cerâmico impresso foi sinterizado a vácuo, à temperatura de 585°C, depois, permitido de resfriar à temperatura ambiente. A pressão durante a sinterização foi inferior a 0,0001 mbar. A camada de conexão em série sinterizada (referência (6a) na figura 4), os contatos traseiros (referências (4a, 4b) na figura 4) e os contra-eletrodos (referências (5a, 5b) na figura 4) foram tornados eletricamente condutores. Um dos contatos traseiros (referência (4a) na figura 4) foi eletricamente conectado com um dos contra-eletrodos (ver a referência (5b) na figura 4) através da camada de conexão em série (referência (6a) na figura 4). A resistência da lâmina dos contatos traseiros e dos contra-eletrodos foi abaixo de 0,2 ohms/quadrado.
[088] Uma variação do exemplo 1 é que as camadas condutoras porosas isentas de platina são depositadas no topo da camada de contra-eletrodo contendo platina. Nessa disposição, a primeira camada contendo platina poderá funcionar como uma camada catalítica separada.
[089] Outra variação do exemplo 1 é que a tinta para impressão da camada de conexão em série compreende óxidos de titânio condutores, como, por exemplo, FTO, ITO, ou ATO.
Exemplo 2 - Fabricação de DSC
[090] O substrato poroso à base de microfibra de vidro, impresso e sinterizado, obtido a partir do exemplo 1, foi imerso em uma solução aquosa de TiCl4 0,02 M e tratado termicamente à temperatura de 70° por 30 minutos. A camada foi removida da solução de TiCl4 e lavada com água e depois etanol. Em seguida, duas camadas de tinta à base de TiO2 (referência (3) na figura 1a) foram impressas na parte superior dos contatos traseiros (referências (4a) e (4b) na figura 4d) e depois secas. A espessura da camada de tinta de TÍO2 seca foi de 1 - 2 μm. Uma segunda camada de TÍO2 de 60 μm de espessura foi impressa diretamente no topo da primeira camada de TiO2 e seca. Uma terceira camada de TiO2 foi impressa no topo da segunda camada de TiO2 e seca. Em seguida, a estrutura foi submetida a um tratamento térmico, mediante exposição ao ar na temperatura de 500°C por 30 minutos. Após permitir o resfriamento da estrutura, a mesma foi imersa em uma solução aquosa de TiCl4 0,02 M, e tratada termicamente à temperatura de 70°C por 30 minutos. Após lavagem do substrato cerâmico com o depósito de TiO2 em água e etanol, o substrato foi tratado termicamente à temperatura de 500°C, exposto ao ar, durante 5 minutos. Em seguida, a estrutura de camada condutora porosa contendo o depósito de TiO2 foi imersa em uma solução de corante Z907 20mM, em metoxipropanol, e tratada termicamente à temperatura de 70°C por 30 minutos, depois, lavada em metoxipropanol. Após isso, o eletrólito foi depositado no topo das camadas (4a, 4b), na forma de gel, e a célula foi vedada mediante infiltração de um polímero fundido nas arestas em volta de cada unidade de DSC (ver a referência (12) na figura 1b), ao mesmo tempo em que permitia a conexão externa elétrica do contato traseiro de uma unidade de DSC, e conexão externa elétrica do contra-eletrodo da outra unidade de DSC.
[091] Uma variação do exemplo 2 consiste em que um ou ambos os tratamentos de TiCl4 são omitidos.
[092] Outra variação do exemplo 2 consiste em que a vedação em volta das arestas de cada unidade de DSC é impressa mediante uso de um polímero ou pré-polímero de impressão, em que o pré-polímero pode ser quimicamente curável, levemente curável ou curável termicamente.
[093] A presente invenção não está limitada às modalidades aqui divulgadas, podendo ser variada e modificada dentro do escopo das reivindicações seguintes. Conquanto que as etapas da invenção sejam mencionadas nas reivindicações em uma determinada ordem, as ditas reivindicações não são limitadas a essa ordem. Assim, por exemplo, não importa se a primeira ou a segunda camada condutora é primeiramente aplicada. Também, é possível prover uma ou ambas primeira e segunda camadas condutoras sobre o substrato poroso isolante, antes de o substrato poroso isolante do elemento de conexão em série ser formado no substrato.
[094] Além disso, como alternativa para formação do elemento de conexão em série mediante impressão sobre o substrato poroso isolante com uma tinta contendo partículas condutoras pequenas o suficiente para penetrar no dito substrato poroso isolante, o substrato poroso isolante pode ser perfurado anteriormente e a impressão é feita ao longo das partes perfuradas com uma tinta contendo partículas condutoras. A tinta e as partículas condutoras irão penetrar através das partes perfuradas do substrato. Esse método não é dependente do tamanho das partículas na tinta.
[095] Também, é possível se dispor de uma ou mais camadas porosas entre o substrato poroso isolante e a camada porosa de contato traseira.

Claims (19)

1. Módulo de célula solar sensibilizada por corante (1), tendo uma estrutura em série compreendendo pelo menos duas unidades de célula solar sensibilizada por corante (2a-2c) dispostas adjacentes entre si e conectadas em série, cada unidade de célula incluindo: - um eletrodo de trabalho (3); - uma primeira camada condutora (4) para extração de elétrons fotogerados do eletrodo de trabalho; - um contra-eletrodo incluindo uma segunda camada condutora (5); - um eletrólito para transferir os elétrons do contra- eletrodo para o eletrodo de trabalho; e - um elemento de conexão em série (6) para eletricamente conectar o contra-eletrodo a um eletrodo de trabalho de uma unidade de célula adjacente; o módulo de célula solar caracterizado pelo fato de que o módulo de célula solar compreende um substrato poroso isolante (7), a primeira camada condutora é uma camada condutora porosa formada sobre um lado do substrato poroso isolante, e a segunda camada condutora é uma camada condutora porosa formada sobre o lado oposto do substrato poroso isolante, e o elemento de conexão em série (6) é uma camada condutora que penetra através do dito substrato poroso isolante (7) e se estende entre a primeira camada condutora (4) de uma das unidades de célula e a segunda camada condutora (5) da unidade de célula adjacente, desse modo, conectando eletricamente a primeira camada condutora de uma das unidades de célula com a segunda camada condutora da unidade de célula adjacente.
2. Módulo de célula solar sensibilizada por corante (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ditas primeira (4) e segunda (5) camadas condutoras porosas são feitas de um material selecionado do grupo que consiste em titânio, ligas de titânio, ligas de níquel, grafite e carbono amorfo, ou suas misturas.
3. Módulo de célula solar sensibilizada por corante (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que a dita camada condutora do elemento de conexão em série (6) é feita de um material selecionado do grupo que consiste em titânio, ligas de titânio, ligas de níquel, grafite e carbono amorfo, ou suas misturas.
4. Módulo de célula solar sensibilizada por corante (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a primeira (4) e segunda (5) camadas condutoras de uma unidade de célula são longitudinalmente deslocadas relativamente entre si, para permitir à dita camada condutora do elemento de conexão em série (6) se estender entre uma extremidade da primeira camada condutora de uma unidade de célula e uma extremidade oposta da segunda camada condutora de uma unidade de célula adjacente.
5. Módulo de célula solar sensibilizada por corante (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada unidade de célula é envolvida por uma barreira de íons (12), na forma de uma camada não porosa, que penetra através do substrato poroso isolante (7), para impedir o eletrólito de vazar para uma unidade de célula adjacente.
6. Módulo de célula solar sensibilizada por corante (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a barreira de íons (12) é feita de um material polimérico.
7. Módulo de célula solar sensibilizada por corante (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 e 6, caracterizado pelo fato de que o elemento de conexão em série (6) é uma camada condutora porosa e a barreira de íons (12) penetra através do elemento de conexão em série.
8. Método de fabricação de um módulo de célula solar sensibilizada por corante (1), compreendendo pelo menos duas unidades de célula solar sensibilizada por corante, dispostas adjacentes entre si e conectadas em série, cada unidade de célula incluindo um eletrodo de trabalho (3), uma primeira camada condutora (4), para extração de elétrons fotogerados do eletrodo de trabalho, um contra- eletrodo, incluindo uma segunda camada condutora (5), um eletrólito para transferência dos elétrons do contra- eletrodo para o eletrodo de trabalho, e um elemento de conexão em série (6) para eletricamente conectar o contra- eletrodo a um eletrodo de trabalho de uma unidade de célula adjacente, o método caracterizado pelo fato de que compreende: - aplicar as primeiras camadas condutoras das unidades de célula na forma de camadas condutoras porosas sobre um lado de um substrato poroso isolante (7); - aplicar as segundas camadas condutoras das unidades de célula na forma de camadas condutoras porosas sobre o lado oposto do substrato poroso isolante, de modo que as primeira e segunda camadas condutoras de cada unidade de célula se oponham entre si; - formar elementos de conexão em série (6) na forma de camadas condutoras que penetram através do substrato poroso isolante (7).
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o método compreende: - imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras em pelo menos duas áreas adjacentes, mas, separadas, sobre um lado do substrato poroso isolante (7), para formar as primeiras camadas condutoras porosas (4); e - imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras em pelo menos duas áreas adjacentes, mas, separadas, sobre o lado oposto do substrato poroso isolante, para formar as segundas camadas condutoras porosas (5).
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 e 9, caracterizado pelo fato de que as ditas primeira (4) e segunda (5) camadas condutoras porosas são feitas de um material selecionado do grupo que consiste em titânio, ligas de titânio, níquel, ligas de níquel, grafite e carbono amorfo, ou suas misturas.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que a primeira camada condutora (4) e segunda camada condutora (5) são impressas, de modo a que as primeira e segunda camadas condutoras são deslocadas de modo longitudinal relativamente entre si.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, caracterizado pelo fato de que o método compreende ainda: - aplicar as primeiras camadas condutoras (4) das unidades de célula, de modo que a primeira camada condutora de uma das unidades de célula seja eletricamente conectada ao elemento de conexão em série (6), e a primeira camada condutora de uma unidade de célula adjacente seja eletricamente separada do elemento de conexão em série; e - aplicar as segundas camadas condutoras (5) das unidades de célula, de modo que a segunda camada condutora da dita uma das unidades de célula seja eletricamente separada do elemento de conexão em série, e a segunda camada condutora da dita unidade de célula adjacente seja eletricamente conectada ao elemento de conexão em série, desse modo, eletricamente conectando a primeira camada condutora de uma das unidades de célula com a segunda camada condutora da unidade de célula adjacente, de modo que as unidades de célula são conectadas em série.
13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, caracterizado pelo fato de que os ditos elementos de conexão em série (6) são formados por impressão no substrato poroso isolante (7) com uma tinta contendo partículas condutoras, que penetram através do substrato poroso isolante.
14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 13, caracterizado pelo fato de que o dito elemento de conexão em série (6) é formado por perfuração de partes selecionadas do substrato poroso isolante (7), e impressão com uma tinta contendo partículas condutoras sobre as partes perfuradas do substrato.
15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 14, caracterizado pelo fato de que os ditos elementos de conexão em série (6) são formados por impressão no substrato poroso isolante (7) com uma tinta contendo partículas feitas de um material selecionado do grupo que consiste em titânio, ligas de titânio, níquel, ligas de níquel, grafite e carbono amorfo, ou suas misturas.
16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 15, caracterizado pelo fato de que o método compreende: - imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras em um substrato poroso isolante (7), de modo a formar o dito elemento de conexão em série (6); - imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras em pelo menos duas primeiras áreas adjacentes, mas, separadas, sobre um lado de um substrato poroso isolante, para formar as ditas primeiras camadas condutoras porosas (4), de modo que a primeira área de uma das unidades de célula esteja em contato elétrico com o dito elemento de conexão em série, e que a primeira área da outra unidade de célula esteja eletricamente separada do elemento de conexão em série; e - imprimir com uma tinta contendo partículas condutoras em pelo menos duas segundas áreas adjacentes, mas, separadas, sobre o lado oposto do substrato poroso isolante, para formar as ditas segundas camadas condutoras porosas (5), de modo que as primeira e segunda áreas sejam deslocadas de modo longitudinal relativamente entre si, e de modo ainda que a segunda área da dita uma das unidades de célula seja eletricamente separada do elemento de conexão em série, e a segunda área da dita outra unidade de célula esteja em contato elétrico com o dito elemento de conexão em série.
17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 16, caracterizado pelo fato de que o método compreende proporcionar uma barreira de íons na forma de uma camada não porosa, envolvendo cada unidade de célula, a fim de impedir o eletrólito de vazar para uma unidade de célula adjacente, e em que a camada não porosa penetra através do substrato poroso isolante (7).
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a barreira de íons é fornecida por aplicação de um material polimérico, de modo que o material polimérico penetra através do substrato poroso isolante (7).
19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o material polimérico é aplicado, de modo que o material polimérico penetra através do elemento de conexão em série (6).
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