ES2216591T3 - Celula fotovoltaica inversa sensibilizada por tincion. - Google Patents
Celula fotovoltaica inversa sensibilizada por tincion.Info
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Abstract
Elemento fotovoltaico que comprende una estructura estratificada (22, 25) con al menos una primera capa conductora de la electricidad (23), una capa de material semiconductor de óxido metálico cristalino (14) depositada sobre la primera capa conductora de la electricidad (23), una capa de material de fotosensibilización (15) depositada sobre el material semiconductor (14), una segunda capa transparente conductora de la electricidad (18) depositada sobre un substrato transparente (26), y un líquido electrolítico (16) contenido entre la capa de material semiconductor (14) y la segunda capa conductora de la electricidad (18), caracterizado porque el elemento fotovoltaico es flexible, el material semiconductor (14) depositado sobre la primera capa conductora (23) está sinterizado, se proporciona una capa de catalizador (19), la primera capa conductora (23) es una lámina de cinc o titanio (23) dotada de un recubrimiento (28) de su óxido, y el substrato transparente es una lámina de material plástico flexible (26).
Description
Célula fotovoltaica inversa sensibilizada por
tinción.
La invención se refiere a un elemento
fotovoltaico que comprende una estructura estratificada de al menos
una primera capa conductora de la electricidad, una capa de material
semiconductor de óxido metálico cristalino depositada sobre la
primera capa conductora de la electricidad, una capa de material de
fotosensibilización depositada sobre el material semiconductor, una
segunda capa transparente conductora de la electricidad depositada
sobre un substrato transparente, y un líquido electrolítico
contenido entre la capa de material semiconductor y la segunda capa
conductora de la electricidad.
Dicho elemento se conoce a través de la patente
de Estados Unidos Nº 4.927.721. Esta patente describe una célula
fotoelectroquímica que comprende una capa semiconductora de óxido
metálico policristalino dotada de una capa cromófora sustancialmente
monomolecular en una zona superficial. La capa semiconductora de
óxido metálico es una capa de TiO_{2} con un factor de rugosidad
preferentemente superior a 200 depositada sobre un substrato de Ti.
La capa de TiO_{2} se obtiene mediante un procedimiento que se
repite varias veces y según el cual una solución de etóxido de
titanio en metanol se aplica al substrato de titanio, después de lo
cual el alcoxide de titanio es hidrolizado y calentado.
A través de la patente de Estados Unidos Nº
5.350.644 se conoce una célula fotovoltaica que comprende una capa
conductora de electricidad y transmisora de luz depositada sobre
una placa de vidrio o lámina de polímero transparente sobre la que
se han aplicado numerosas capas de dióxido de titanio,
preferentemente porosas, estando al menos la última capa de dióxido
de titanio dopada con un ion metálico divalente o trivalente. La
combinación del dióxido de titanio con la capa conductora forma el
fotoelectrodo de una célula solar, que además comprende una segunda
capa conductora de electricidad y transmisora de luz depositada
sobre un substrato transmisor de luz que forma un contraelectrodo.
Recibido entre el fotoelectrodo y el contraelectrodo, se encuentra
un electrolito que actúa a modo de sistema de
reducción-oxidación. El funcionamiento de la célula
solar conocida es el siguiente. Un fotón de la luz visible que
incide a través del contraelectrodo libera un electrón en la
superficie de contacto del dióxido de titanio con el electrolito
desde una combinación electrón-orificio, electrón
que desaparece en la banda de conducción del dióxido de titanio y
es descargado a través de la capa conductora de electricidad del
fotoelectrodo. El orificio resultante se suple con un electrón del
electrolito, en tanto que el electrolito acepta un electrón del
contraelectrodo. La aceptación de electrones por el electrolito se
puede potenciar con un catalizador aplicado a la superficie del
contraelectrodo, y la eficiencia de la célula solar se puede
incrementar con un sensibilizador de tinción aplicado a la
superficie de la capa de dióxido de titanio, que absorbe luz y
adquiere un estado energéticamente rico capaz de inyectar un
electrón con una eficacia próxima al 100% a la banda conductora de
dióxido de titanio.
Las células solares conocidas a través de la
patente anteriormente citada presentan numerosas propiedades
negativas que dificultan su aplicación a gran escala. Un factor
inherente al empleo del vidrio como material de substrato
transparente es el espesor determinado para la célula solar, que la
hace inadecuada para ciertos productos en el campo de la
electrónica de consumo, tales como los relojes de uso personal. Es
un hecho conocido que la sustitución del vidrio por un plástico
transparente se traduce en una pérdida de eficiencia de la célula
solar.
Uno de los objetos de la invención consiste en
proporcionar una célula solar de un espesor muy reducido que tenga
una elevada eficiencia al emplear una lámina de polímero
transparente como material de substrato y que pueda ser montada en
grandes cantidades de una forma sencilla.
Este objetivo y otras ventajas se logran con el
elemento fotovoltaico del tipo descrito en el preámbulo, en el que,
según la invención, el elemento fotovoltaico es flexible, el
material semiconductor depositado sobre la primera capa conductora
ha sido sinterizado, se proporciona una capa de catalizador, la
primera capa conductora es una lámina de cinc o titanio provista de
un recubrimiento de su óxido, y el substrato transparente es una
lámina de material plástico flexible.
En la célula solar según la invención, la luz
choca sobre el material semiconductor a través del contraelectrodo
transparente y el líquido electrolítico situado entre el
contraelectrodo y el material semiconductor. La forma más obvia de
incidencia de la luz en la célula conocida - es decir, a través del
fotoelectrodo - queda anulada al usar una lámina metálica no
transparente. El elemento fotovoltaico de la invención es una
"célula solar inversa".
Sorprendentemente, se ha descubierto que la
eficiencia de la célula solar inversa según la invención es mayor
que la de la célula solar anteriormente descrita, al ser el
fotoelectrodo impactado directamente por los fotones incidentes de
la luz solar en lugar de hacerlo a través del líquido electrolítico.
La causa de este incremento registrado de la eficiencia se encuentra
en el hecho de que la aplicación de una lámina metálica como
material de substrato permite la sinterización de la capa de
material semiconductor a temperaturas mayores que en una célula
solar conocida dotada de un substrato de material polímero.
El uso de una lámina de cinc o de titanio genera
un recubrimiento de óxido de cinc o de óxido de titanio,
respectivamente, al sinterizarse la capa semiconductora depositada.
Este recubrimiento constituye, por una parte, una protección para la
lámina subyacente de cinc, o respectivamente para la de titanio, y,
por otra, un adecuado conductor de la electricidad debido a sus
propiedades fotoeléctricas.
El material semiconductor del elemento
fotovoltaico según la invención puede ser, por ejemplo, óxido de
cinc, óxido de estaño, o preferentemente dióxido de titanio.
La lámina de material plástico flexible del
elemento fotovoltaico de una realización ventajosa de la invención
es de tereftalato de polietileno (PET).
La invención se describe a continuación sobre la
base de realizaciones y haciendo referencia a los dibujos.
En los dibujos:
La figura 1 muestra, en sección transversal
esquemática, una realización de una célula solar según la
invención.
La figura 1 muestra la estructura estratificada
de una célula solar 25 constituida sustancialmente por una lámina
de titanio 23, una capa porosa de dióxido de titanio nanocristalino
14, una capa 15 de un sensibilizador por tinción apropiado, una
solución de yoduro de litio/yodo 16 y una lámina flexible de 26 PET
sobre la que se ha depositado una capa 18 de un óxido (TCO)
conductor transparente. La capa 15 se muestra en una forma
considerablemente simplificada. En realidad, el sensibilizador por
tinción se aplica a la capa semiconductora 14 en la forma de una
solución que penetra en los poros de la capa, de manera que el
elemento de tinción recubre toda la superficie del semiconductor.
La capa de dióxido de titanio 14 se forma según un procedimiento
conocido per se, consistente en sinterizar una dispersión de
partículas coloidales de dióxido de titanio sobre la lámina de
titanio 23 y generar, entre el dióxido de titanio sinterizado 14 y
la lámina de titanio 23, una capa de dióxido de titanio 28 que
protege a la capa subyacente 23 contra la acción corrosiva del
yoduro de litio 16. La figura muestra también una capa 19 (no a
escala) de un catalizador - por ejemplo, de carbono - para
convertir el I neutro de la solución de yoduro de litio en I'
mediante la aceptación de un electrón del contraelectrodo 18. En
esta célula solar 22, la luz (indicada por las flechas designadas
hv, donde h representa la constante de Planck y v la frecuencia de
la luz incidente) incide sobre la capa de elemento de tinción 15 a
través del conjunto de contraelectrodo 26, 18, 19 y la solución de
yoduro de litio 16. Según esta realización, se obtiene una célula
solar flexible y muy delgada.
Cabe mencionar que los ejemplos dados en el
presente documento sirven para dilucidar la invención sin limitar el
alcance de la misma definido en las reivindicaciones adjuntas. Una
célula solar "inversa" sensibilizada por tinción según la
invención también puede contener, por ejemplo, en lugar del yoduro
de litio anteriormente citado, otro electrolito apropiado conocido
per se, tal como bromuro de potasio o yoduro de potasio.
Claims (5)
1. Elemento fotovoltaico que comprende una
estructura estratificada (22, 25) con al menos
una primera capa conductora de la electricidad
(23),
una capa de material semiconductor de óxido
metálico cristalino (14) depositada sobre la primera capa conductora
de la electricidad (23),
una capa de material de fotosensibilización (15)
depositada sobre el material semiconductor (14),
una segunda capa transparente conductora de la
electricidad (18) depositada sobre un substrato transparente (26),
y
un líquido electrolítico (16) contenido entre la
capa de material semiconductor (14) y la segunda capa conductora de
la electricidad (18), caracterizado porque el elemento
fotovoltaico es flexible, el material semiconductor (14) depositado
sobre la primera capa conductora (23) está sinterizado, se
proporciona una capa de catalizador (19), la primera capa
conductora (23) es una lámina de cinc o titanio (23) dotada de un
recubrimiento (28) de su óxido, y el substrato transparente es una
lámina de material plástico flexible (26).
2. Elemento fotovoltaico según la reivindicación
1, caracterizado porque el material semiconductor (14) es
óxido de cinc u óxido de estaño.
3. Elemento fotovoltaico según cualquiera de las
reivindicaciones 1-2, caracterizado porque
el material semiconductor (14) es dióxido de titanio.
4. Elemento fotovoltaico según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
material de fotosensibilización (15) comprende un elemento de
tinción fotosensible.
5. Elemento fotovoltaico según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
material plástico es tereftalato de polietileno (PET) (26).
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