ES2523450T3 - Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas - Google Patents

Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas Download PDF

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Abstract

Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas, dispuestas lado a lado entre dos substratos opuestos (10), al menos uno de los cuales es transparente o semitransparente, y cubiertos, en el lado vuelto hacia el otro substrato, por un revestimiento eléctricamente conductor (11) dividido en una pluralidad de regiones lado a lado aisladas eléctricamente por medio de un número correspondiente de interrupciones (12), estando dicha conexión eléctrica vertical dispuesta entre una región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) de un substrato (10), en contacto eléctrico con una célula fotoelectro- química, y la región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) del substrato opuesto (10), en contacto con una célula foto-electro-química adyacente, caracterizada porque la conexión eléctrica vertical está hecha de tres partes de superposición o solape, es decir dos partes (20', 20''), respectivamente acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos opuestos (10) que delimitan dichas células foto-electro-químicas, hechas de un material conductor en la forma de gránulos agregados conjuntamente e integrados en dicho revestimiento conductor (11), siendo la suma de las alturas de las dos citadas partes (20', 20'') acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10) igual o inferior a la distancia entre los revestimientos conductores (11) de dichos dos substratos (10) y además una parte intermedia (21), que conecta las dos partes (20', 20'') acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10), hecha de un material conductor constituido por una matriz de polímeros y/o resinas epoxídicas y/o aglutinante orgánico, en el cual están dispersas partículas de material conductor o polímeros conductores.

Description

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DESCRIPCIÓN
Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas
La presente invención se refiere a la conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas o DSSC (células solares sensibilizadas al tinte).
Con más detalle, la invención se refiere a la estructura de dicha conexión eléctrica vertical, integral con los módulos fotovoltaicos de células de DSSC, y a un procedimiento para la realización de la misma.
Las células DSSC son células fotovoltaicas constituidas por una estructura de capas múltiples delimitada por dos substratos. Normalmente, dichos substratos están hechos de materiales transparentes (de preferencia vidrio, pero también de PET o PEN) y están revestidos, en una cara vuelta hacia el interior de la estructura de capas múltiples, por un revestimiento eléctricamente conductor, que es también transparente (generalmente un óxido conductor transparente, de preferencia un óxido de titanio impurificado o dopado con flúor o yodo, respectivamente FTO e ITO).
Entre los dos substratos está dispuesto un foto-electrodo (el ánodo), que se dispone sobre el revestimiento conductor de uno de los dos substratos; un contra-electrodo (el cátodo), dispuesto sobre el revestimiento conductor del otro substrato; y un electrolito interpuesto entre dicho foto-electrodo y el citado contra-electrodo. En particular, el foto-electrodo está usualmente hecho de óxido de titanio poroso, que soporta el material activo, consistente en un tinte capaz de transferir electrones a continuación de la absorción de un fotón. El contra-electrodo está usualmente hecho de platino, mientras que la solución electrolítica está usualmente hecha de yodo (I2) y yoduro de potasio (KI).
Han sido descritas células foto-electro-químicas de este tipo, por ejemplo, en la patente de Estados Unidos número 4.927.721; los materiales utilizados en reste tipo de células han sido descritos, por ejemplo, en la patente de Estados Unidos número 5.350.644.
Por su naturaleza, los revestimientos conductores de las estructuras tienen elevada resistencia. Además, las células individuales de este tipo no son capaces de generar los niveles de voltaje requeridos en la mayor parte de las aplicaciones posibles a las que puede estar dirigida una célula foto-electro-química.
Para superar esto inconvenientes, es por lo tanto necesario conectar una pluralidad de células foto-electro-químicas en serie unas con otras, con el resultado de la generación de mayores diferencias de voltaje que minimizan la corriente total, es decir, minimizan las pérdidas de potencia debidas a la resistencia de los revestimientos conductores.
En la práctica, sobre el mismo substrato se realiza un módulo foto-electro-químico, es decir, los revestimientos conductores de cada substrato son divididos en una pluralidad de regiones eléctricamente aisladas, usualmente conformadas como una pluralidad de tiras dispuestas lado a lado, estando situada cada región del revestimiento conductor de uno de los dos substratos en una posición coincidente y sólo ligeramente desplazada en una dirección transversal a la de la región de los revestimientos conductores del otro substrato, siendo realizada una célula fotoelectro-química entre cada par de regiones de solapamiento de los dos substratos. Las células foto-electro-químicas lado a lado, obtenidas de este modo, se conectan en serie por medio de una conexión integrada con el mismo substrato, hecha durante la realización del módulo.
Se pueden hacer conexiones en serie integradas con el substrato de acuerdo con diferentes esquemas, conocidos como conexión Z, conexión W y conexión externa.
Se hacen conexiones similares a Z de una serie de contactos verticales, dispuestas en el espacio entre dos células lado a lado, en particular en el espacio entre el lado largo de dos células o tiras, es decir en el espacio que no es utilizado para las células debido a la disposición escalonada o mutuamente desplazada de las regiones eléctricamente aisladas de los revestimientos conductores de los dos substratos, y que conectan eléctricamente entre sí las regiones aisladas del revestimiento conductor de los dos substratos, de acuerdo con una configuración que se explicará con más detalle posteriormente en la descripción.
Se obtiene conexiones similares a W sin la necesidad de contactos, pero la configuración del módulo foto-electroquímico resultante tiende a tener desequilibrios internos de corriente, ya que la mitad de las células de acuerdo con esta configuración son iluminadas desde el lado del contra-electrodo. Además, en el mismo substrato alternan fotoelectrodo y contra-electrodo: de ese modo se depositan dióxido de titanio y platino y sufren curado al mismo tiempo. Esto implica la incapacidad de optimizar individualmente el proceso de curado de los dos materiales, que tienen normalmente diferentes temperaturas y tiempos óptimos de calentamiento (420ºC y 15 minutos para el platino, 500ºC y 30 minutos para el dióxido de titanio).
En lo que se refiere a la conexión externa, por el contrario, este tipo de conexión se hace en el borde del módulo, en la proximidad de los lados cortos de las tiras que forman las células foto-electro-químicas. Debe seguirse la trayectoria larga de los electrones con el fin de llegar a los bordes del módulo, donde se efectúa la conexión de células individuales, limita la longitud de las células (para evitar la adición de pérdidas suplementarias debido a las
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resistencias) y compromete de manera importante el factor de llenado del módulo, describiendo el parámetro concreto la relación entre la potencia máxima producida por el dispositivo y el producto del voltaje en circuito abierto multiplicado por la corriente en circuito cerrado, y que disminuyen proporcionalmente con el aumento del valor de la resistencia introducida por las conexiones entre las células y por la resistencia introducida por la trayectoria larga de los electrones.
Con referencia a la figura 1, se muestra esquemáticamente la configuración de la conexión del tipo Z entre dos células de un módulo foto-electro-químico.
En particular, la figura 1 muestra los dos substratos, señalados con el número 10, estando cada uno revestido, en la cara vuelta hacia el otro substrato, por un revestimiento transparente 11 eléctricamente conductor. El revestimiento conductor 11 está dividido en regiones eléctricamente aisladas por las interrupciones 12. Cada célula foto-electroquímica está hecha en la zona comprendida entre dos regiones eléctricamente asiladas cara a cara de revestimientos conductores 11 de los dos substratos opuestos 10, estando hecha cada célula de un foto-electrodo 13, dispuesto sobre el revestimiento conductor 11 de uno de los dos substratos 10; un contra-electrodo 14, dispuesto sobre el revestimientos conductor 11 del otro substrato 10; y un electrolito líquido interpuesto entre dicho fotoelectrodo 13 y dicho contra-electrodo 14.
Cada célula está delimitada lateralmente por un elemento de encapsulación 16, con la finalidad de mantener el electrolito líquido dentro de la célula.
La conexión de células en serie se obtiene por medio del elemento de conexión 17, que conecta la parte escalonada de la región eléctricamente aislada del revestimiento conductor 11 de uno de los dos substratos 10 con la parte escalonada coincidente de la región eléctricamente aislada del revestimiento conductor 11 del substrato opuesto 10. Debido al hecho de que cada una de las regiones eléctricamente aisladas del revestimiento conductor 11 está en contacto eléctrico con el respectivo electrodo, el elemento de conexión 17 permite, a través del revestimiento conductor 11 en cada uno de los dos substratos 10, conectar los electrodos de dos células foto-electro-químicas lado a lado.
La trayectoria de la conexión por medio del contacto vertical puede estar representada por tres resistencias: una primera resistencia constituida por la resistencia de contacto entre el revestimiento conductor 11 dispuesto sobre el primer substrato 10 y el elemento de conexión 17, una segunda resistencia constituida por la resistencia del material del propio elemento de conexión 17 y una tercera resistencia constituida por la resistencia de contacto entre el elemento de conexión 17 y el revestimiento conductor 11 dispuesto sobre el substrato 10 opuesto al primer substrato.
De acuerdo con la técnica anterior, el elemento de conexión se puede hacer por medio de diferentes tecnologías:
-deposición de una pasta conductora sobre el revestimiento conductor de ambos substratos y curado de
la misma pasta antes de acoplar los substratos para formar el módulo foto-electro-químico
(encapsulación);
-deposición de una pasta conductora sobre el revestimiento conductor de un único substrato y curado
de la misma antes de acoplar los substratos para formar el módulo foto-electro-químico
(encapsulación); o
-deposición de una pasta conductora (sobre el revestimiento conductor de uno o de ambos substratos) y
curado de la misma durante el paso de obturación o cierre hermético (por encapsulación) del módulos
foto-electro-químicos.
En cualquier caso, la deposición ocurre fabricando una “tira” de una pasta que comprende el material que realizará el elemento de conexión 17 sobre el revestimiento conductor 11 de uno o de ambos substratos 10, juntamente con uno o más aglutinantes y/o disolventes, en una posición lado a lado con las líneas de interrupción 12 del revestimiento conductor 11, es decir, sobre la parte escalonada de la región eléctricamente aislada del revestimiento conductor 11, de manera que, acoplando los substratos 10 para formar el módulo foto-electro-químico, las líneas de interrupción estén ligeramente escalonadas o desplazadas, permitiendo que los elementos conductores que constituyen el contacto vertical conecten los revestimientos conductores 11 de las regiones eléctricamente aisladas de los substratos 10 opuestos entre sí.
En caso de deposición de pasta conductora sobre el revestimiento conductor 11 de ambos substratos 10 y subsiguiente curado antes de la encapsulación, se debe elegir la temperatura de curado con dependencia del material usado, de manera que se asegure un contacto eléctrico con baja resistencia, en particular con referencia a la interfaz entre la capa obtenida por curado de la pasta conductora y el revestimiento conductor. En la práctica, estas temperaturas están generalmente en el intervalo de 500-520ºC, y siempre inferiores a 550ºC (temperatura por encima de la cual se corre el riesgo de dañar el revestimiento conductor y/o el substrato), que permiten eliminar lo más posible la totalidad de los portadores del material conductor dentro de la pasta y obtener así una elevada conductividad, próxima lo más posible a la del material conductor elegido.
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En este caso, como se esquematiza en la figura 2, la conducción ocurre por simple contacto mecánico entre las dos partes 18’ y 18’’ del elemento de conexión depositado sobre el revestimiento 11 de los substratos opuestos 10, con la consecuencia de que no es despreciable la resistencia entre las dos partes 18’ y 18’’ que forman el elemento de conexión, sino que, por el contrario, son despreciables las resistencias entre el revestimiento conductor 11 dispuesto sobre cada substrato 10 y la respectiva parte 18’, 18’’ del elemento de conexión. Además, las conexiones hechas de esta manera tienen problemas de conducción eléctrica con temperatura creciente. Esto es debido al distinto comportamiento térmico (dilatación térmica) entre el material de que está hecho el elemento de conexión y el material del elemento de encapsulación 16 que mantiene el electrolito líquido 15 dentro de las respectivas células.
En el caso, no representado en las figuras adjuntas a la descripción, de deposición de la pasta conductora sobre el revestimiento conductor 11 de un único substrato 10 y curado de la misma antes de la encapsulación para realizar el elemento de conexión, la conducción ocurre por simple contacto mecánico entre el elemento de conexión y el revestimiento conductor 11 y no es despreciable la resistencia entre el revestimiento conductor 11 del substrato 10 sobre el que fue depositada la pasta y el elemento de conexión.
La figura 3 muestra el caso de deposición de una pasta conductora sobre el revestimiento conductor 11 de uno o de ambos substratos 10 y el subsiguiente curado de la pasta conductora durante el paso de obturación (por encapsulación) del módulo, de manera que el contacto se obtiene por medio de un elemento de conexión 19 constituido por un único cuerpo que conecta el revestimiento 11 de los dos substratos opuestos 10. Sin embargo, en este caso, el curado de la pasta conductora puede ocurrir sólo a una temperatura inferior a aquella a la que se podrían dañar los elementos que forman el módulo, y en particular el tinte del foto-electrodo 13 y el material que forma el elemento de encapsulación 16, con la consecuencia de que puede no tener las características óptimas en lo que se refiere a la conducción eléctrica. En este caso, no son despreciables las resistencias generadas en ambos lados del revestimiento conductor 11 y del elemento de conexión 19.
Además, las conexiones de esta clase no tienen conductividad óptima, aparte del problema de disminución de sus rendimientos con el aumento de la temperatura.
Se pueden encontrar problemas muy similares en otras soluciones de acuerdo con la técnica anterior, que adoptan la forma de soluciones de compromiso entre las descritas anteriormente.
Por ejemplo, el documento US2005/067006 describe células foto-electro-químicas conectadas en serie en las que los revestimientos conductores (y los electrodos) de dos células lado a lado están conectados por medio de un elemento de conexión vertical hacho de un alambre metálico, dispuesto paralelo a las células, revestido por metal de bajo punto de fusión y encapsulado dentro de una capa adhesiva.
El documento AU761370 describe una configuración similar a la descrita en el documento US2005/067006, en la que el elemento de conexión vertical comprende un alambre de titanio y partículas de tungsteno incorporados en una matriz de SiO2.
El documento EP1603169 describe una configuración similar a la descrita en el documento US2005/067006, en la que el elemento de conexión vertical comprende un metal o una aleación revestida de un material de obturación de baja temperatura o de resina epoxídica basada en plata.
El documento US2010/0024875 describe células foto-electro-químicas conectadas en serie en las que los revestimientos conductores (y los electrodos) de dos células lado a lado están conectados por medio de un elemento de conexión vertical de una pluralidad de capas, estando la primera capa aplicada sobre el revestimiento conductor de uno de los dos substratos y siendo curada antes de la aplicación de un tinte, y aplicándose una segunda capa sobre el revestimiento conductor del otro substrato y siendo curada después de cerrar el módulo, y después de la aplicación del tinte. De acuerdo con las enseñanzas de esta solicitud de patente, por lo tanto, se puede hacer la primera capa eligiendo la mejor temperatura de curado, teniendo en cuenta el material utilizado, con el fin de obtener un contacto eléctrico que tenga baja resistencia, mientras que la segunda capa, que se hace en el momento de cerrar el módulo, si permite, por una parte, aumentar la superficie de contacto entre la citada primera capa y el revestimiento conductor de la capa opuesta, adaptándose a la forma de la primera capa anteriormente formada y llenando el espacio todavía disponible, por otra parte, ya que se debe hacer sin dañar el elemento de encapsulación y/o el tinte, puede no tener características óptimas en lo que se refiere a la conducción eléctrica.
En todos estos documentos de la técnica anterior, pues, la eficacia de la conexión, que está hecha para poner en serie las diferentes células foto-electro-químicas, es afectada adversamente por la presencia de la capa que sufre el curado durante o después de el acoplamiento de los dos substratos. La influencia de esta capa es mucho más importante debido a que está directamente en interfaz con el revestimiento conductor 11 del substrato 10. De hecho, debido a la diferente naturaleza de del elemento de contacto y del material que forma el material conductor, no es despreciable la conducción eléctrica a través de la interfaz entre el elemento de contacto y el revestimiento conductor 11.
A la luz de lo anterior, parece evidente la necesidad de disponer de una conexión eléctrica vertical de células fotoelectro-químicas que permita el aumento del rendimiento del contacto vertical y el aumento de la fiabilidad de la conexión con respecto a las tensiones mecánicas y térmicas.
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En este contexto se propone la solución de acuerdo con la presente invención, con la finalidad de proporcionar un elemento de conexión que permita realizar una trayectoria única de la conexión entre el revestimiento conductor y uno de los dos substratos, el elemento de conexión y el revestimiento conductor sobre el substrato opuesto, el cual es altamente conductor también a una temperatura de aproximadamente 100º C.
Estos y otros resultados se consiguen de acuerdo con la presente invención proporcionando una conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas, de una clase compuesta, que esté hecha por dos partes, respectivamente acopladas con el revestimiento conductor de uno de los dos substratos opuestos, hechas de material conductor con elevada compacidad y conductividad, obturadas con el revestimiento conductor, y de una tercera parte de conexión de las dos primeras, hecha de una pasta de un material conductor que tiene una bajo punto de calcinación.
La finalidad de la presente invención es, por lo tanto, realizar una conexión eléctrica vertical de células foto-electroquímicas que permita superar los límites de las soluciones de acuerdo con la técnica anterior y obtener los resultados técnicos anteriormente descritos.
Un objeto más de la invención es que el citado elemento de conexión pueda ser hecho a costes esencialmente bajos.
No es la última finalidad de la invención la realización de un elemento de conexión que sea esencialmente sencillo, seguro y fiable.
Por lo tanto, es un primer objeto concreto de la presente invención una conexión eléctrica vertical de células fotoelectro-químicas dispuestas lado a lado entre dos substratos opuestos, al menos uno de los cuales es transparente
o semitransparente, y cubierto, en el lado vuelto hacia el otro substrato, por un revestimiento eléctricamente conductor dividido en una pluralidad de regiones lado a lado eléctricamente aisladas por medio de un número correspondiente de interrupciones, estando dispuesta dicha conexión eléctrica vertical entre una región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor de un substrato, en contacto eléctrico con una células foto-electro-químicas, y la región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor del substrato opuesto, en contacto con una célula foto-electro-química adyacente, constituida por tres partes superpuestas o solapadas, es decir dos primeras partes, respectivamente acopladas con el revestimiento conductor de cada uno de los dos substratos opuestos que delimitan las citadas células foto-electro-químicas, hechas de inmaterial conductor en la forma de gránulos agregados entre si e integrados en dicho revestimiento conductor, y una parte intermedia adicional, que conecta las dos partes acopladas al revestimiento conductor de cada uno de los dos substratos, hecha de material conductor constituido por una matriz de polímeros y/o resinas epoxídicas y/o aglutinantes orgánicos, en cuyas partículas están dispersos material conductor o polímeros conductores.
Preferiblemente, de acuerdo con la presente invención, dichas dos partes acopladas con el revestimiento conductor de cada uno de los dos substratos tienen porosidad (expresada como volumen de espacios vacíos con respecto al volumen total) inferior a 0,5, comprenden gránulos agregados entre sí con uniones de tipo químico y agregados a dicho revestimiento conductor con uniones de tipo mecánico, químico o una combinación de estos dos tipos de uniones.
Preferiblemente, de acuerdo con la presente invención, dichas dos partes acopladas con el revestimiento conductor de cada uno de los dos substratos comprenden una cantidad de residuos de disolventes orgánicos y aglutinantes inferior a 10% en peso y, todavía más preferiblemente, inferior a 0,1 % en peso.
Además, de acuerdo con la presente invención, la citada parte intermedia comprende una cantidad de residuos de disolventes orgánicos y aglutinantes mayor que 5% en peso.
Siempre de acuerdo con la invención, tanto dicho material conductor sinterizado a elevada temperatura como dicho material conductor sinterizado a baja temperatura pueden consistir en un material basado en plata.
Todavía de acuerdo con la invención, dichos residuos o disolventes orgánicos y aglutinantes están constituidos por residuos de portadores orgánicos basados en etil-celulosa o hidroxi-etil-celulosa o polietilen-glicol (PEG) o Carbovax™ o Terpineol o etanol o combinaciones de los mismos.
Además, es un segundo objeto concreto de la presente invención un método de fabricar una conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas, que comprende los siguientes pasos:
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deposición, en cada substrato, previamente limpiado y calentado, pero no todavía acoplado con el correspondiente substrato opuesto, para formar un módulo foto-electro-químico, de tiras, de acuerdo con trayectorias complementarias, hechas de una pasta de material conductor que puede ser sinterizado a elevada temperatura;
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calentar los substratos, obteniendo así la sinterización a elevada temperatura del material conductor de las tiras previamente depositadas;
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deposición, en correspondencia con las tiras de material previamente depositadas y sinterizadas, de
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una capa adicional hecha de una pasta de material conductor que puede ser sinterizado a baja temperatura;
-acoplamiento de los substratos opuestos y al mismo tiempo acoplamiento de las tiras de material previamente depositadas y sinterizadas, por medio de la interposición de la citada pasta de material 5 conductor que puede ser sinterizada a baja temperatura.
De acuerdo con la invención, dicho paso de calentar los substratos y sinterizar el material conductor que puede ser sinterizado a elevada temperatura ocurre preferiblemente a una temperatura no inferior a 300ºC y no superior a 550ºC y, más preferiblemente, a una temperatura de 520ºC.
Todavía de acuerdo con la invención, el citado paso de acoplar los substratos opuestos ocurre preferiblemente a una 10 temperatura comprendida entre 70ºC y 170ºC y, más preferiblemente, a una temperatura igual a unos 100ºC.
La presente invención se describirá para fines ilustrativos y no limitativos, de acuerdo con una realización preferida, con referencia en particular a las figuras de los dibujos adjuntos, en los cuales:
-la figura 1 muestra esquemáticamente la configuración de la conexión de tipo Z entre dos células de un módulo foto-electro-químico,
15 -la figura 2 muestra esquemáticamente una primera configuración de la conexión de tipo Z entre dos células de un módulo foto-electro-químico de acuerdo con la técnica anterior,
-la figura 3 muestra una segunda configuración de conexión de tipo Z entre dos células de un módulo foto-electro-químico de acuerdo con la técnica anterior,
-la figura 4 muestra una configuración de conexión del tipo Z entre dos células de un módulo foto20 electro-químico de acuerdo con una realización preferida de la presente invención,
-la figura 5 muestra un diagrama de la característica eléctrica del módulo obtenido de acuerdo con el ejemplo de fabricación explicado en lo que sigue en la descripción,
-la figura 6 muestra un diagrama de la eficacia como una función de la temperatura de cuatro módulos obtenidos de acuerdo con el ejemplo de fabricación explicado a continuación en la descripción, y
25 -la figura 7 muestra un diagrama del factor de llenado como una función de la temperatura de cuatro módulos obtenidos de acuerdo con el ejemplo de fabricación explicado a continuación en la descripción.
Con referencia a la figura 4, el elemento de conexión de acuerdo con la presente invención puede ser fabricado mediante impresión con retícula o por deposición de revestimiento con paleta o mediante entrega de tiras hechas de 30 pasta de material conductor que pueden ser sinterizadas a elevada temperatura (limitada a las necesidades de conservación del óxido conductor y/o del substrato) sobre el revestimiento conductor de ambos substratos. Las tiras depositadas de pasta de material conductor (20’, 20’’) son a continuación sometidas a curado de alta temperatura, del orden de 500-520ºC, siempre mayor que 300ºC y menor que 550ºC (temperatura por encima de la cual es probable que se corrompan el óxido conductor y/o el substrato), lo que permite no sólo eliminar lo más posible todos 35 los portadores del material conductor dentro de la pasta y de ese modo obtener una elevada conductividad, próxima lo más posible a la del material conductor elegido, sino también obtener un grado avanzado de sinterización entre los micro-gránulos del material conductor que están presentes en la pasta (que se agregan para formar gránulos mayores, con una consiguiente reducción de la porosidad entre los granos), y para conseguir la integración entre el material conductor de la pasta y el material del revestimiento conductor 11. En particular, dicha pasta de material
40 conductor que puede ser sinterizada a elevada temperatura está compuesta de plata, tal como, por ejemplo, el producto de Dupont 7713 Silver Feed-Through, que se refiere a una temperatura de sinterización de 500-540ºC. Alternativamente, es posible elegir entre las pastas: Chimet Silver Paste Ag 1710 IC, Chimet Silver Paste 1121 IC 80%. Sin embargo, es claro que, en lugar de plata como material conductor, se puede elegir cualquier otro material entre los conocidos para fabricar elementos de conexión entre células foto-electro-químicas.
45 Antes del paso de cerrar el módulo, sobre las tiras de material conductor 20’’ del contra-electrodo previamente sometidas a curado, se deposita una pasta 21 de material conductor que puede ser sinterizada a baja temperatura, usualmente basada en portadores orgánicos basados en etil-celulosa o hidroxi-etil-celulosa o polietilen-glicol (PEG)
o carbovax o terpineol o etanol o combinaciones de los mismos y caracterizada por un elevado porcentaje de material conductor, tal como, por ejemplo, DuPont Solamet PV410 Silver Conductor, que declara un porcentaje de 50 hasta 80% en peso de plata, de manera que no daña otros componentes del dispositivo y todavía consigue una buena conductividad. Alternativamente, dicha pasta de material conductor que puede ser sinterizada a baja temperatura se elige entre: Dupont Solamet PV410 Silver Conductor, Dupont Solamet PV412 Photovoltaic Metallization, Dupont Solamet PV430 Photovoltaic Metallization, Dupont Solamet PV480 Carbon Conductive Composition, ECM (Engineered Conductive Materials) Sol Ag Cl-1042, ECM (Engineered Conductive Materials) Sol
55 Ag DB-1541-S. Resulta claro, sin embargo, que en lugar de las pastas señaladas a modo de ejemplos, se pueden
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elegir otras pastas que comprendan materiales conductores elegidos de los conocidos para producir elementos de conexión entre células foto-electro-químicas. Cuando se cierra el módulo, la pasta conductora 21 con baja temperatura de sinterización es todavía líquida y cierra el contacto entre las dos tiras conductoras 20’, 20’’, penetrando ambas.
Sometiendo la pasta conductora 21 a curado durante el acoplamiento de módulos o permitiendo que esto suceda, al menos en parte, durante la vida anterior del dispositivo, el contacto resultante se compone de tres partes: dos partes 20’, 20’’ sometidas a curado de elevada temperatura y altamente conductoras y un elemento intermedio 21 de pasta conductora que puede ser sinterizada a baja temperatura. En particular, debido a las bajas temperaturas utilizadas para el curado de la pasta, del orden de 70-170ºC, y siempre inferiores a 300ºC (temperatura por encima de la cual es probable que se corrompan el tinte del foto-electrodo y el material del elemento de encapsulación), es posible conseguir un grado muy bajo de sinterización entre los micro-gránulos del material conductor de la pasta (cuyas dimensiones permanecen casi invariables en comparación con las pastas de partida o al menos es muy baja la agregación de micro-gránulos). No obstante, la temperatura de curado es suficiente para conseguir un cierto grado de integración entre el material conductor de la pasta con baja temperatura de sinterización y el material de las dos parte 20’, 20’’ previamente sometidas a curado de alta temperatura, siendo esto debido a la elevada compatibilidad química del material conductor de la pasta con baja temperatura de sinterización y el material conductor de las dos partes 20’, 20’’ previamente sometidas a curado de alta temperatura.
De lo que se ha descrito anteriormente, resulta claro que la fabricación de los contactos está comprendida en el procedimiento de fabricación del propio módulo y en consecuencia sigue la fabricación completa.
A continuación se analizan con detalle los pasos de fabricación de módulos foto-electro-químicos, comprendiendo los que interesan en el procedimiento de fabricación del contacto vertical de acuerdo con la presente invención. Ello comienza con la retirada local de tiras de revestimiento conductor de substratos, la realización de los orificios para la inyección de electrolito líquido y la limpieza de substratos con acetona y etanol. A continuación se realiza el calentamiento a 500ºC de los substratos y, a continuación del enfriamiento, se depositan sobre ambos substratos tiras de pasta de material conductor con elevada temperatura de sinterización, y se dejan secar. Seguidamente, sobre los substratos son depositados respectivamente el material de foto-electrodo (preferiblemente TiO2) y el material de contra-electrodo (preferiblemente platino). Después de se realiza el calentamiento a 500-520ºC de los substratos (obteniéndose así la sinterización del material conductor de las tiras opuestas del elemento de conexión) y con la coloración del foto-electrodo. En este punto se realiza la el paso de cierre: se aplica el elemento de encapsulación sobre el contra-electrodo y se deposita la pasta conductora con baja temperatura de sinterización, en correspondencia con el elemento de contacto previamente depositado y ya sinterizado. A continuación se acoplan los dos substratos (y con ellos las células simples y los elementos de contacto) en temperatura (100º C y más, en general una temperatura comprendida entre 70ºC y 170ºC, dependiendo del material elemento de encapsulación utilizado). Para completar el módulo, se inyecta el electrolito.
Mediante aislamiento del proceso de fabricación del contacto, de acuerdo con una realización preferida, el proceso implica limpiar el substrato con disolventes elegidos entre etanol, alcohol isopropílico, acetona y el subsiguiente calentamiento a 500ºC. A continuación ocurre la deposición de una pasta conductora en gránulos basados en plata (u otro material conductor elegido entre los que se pueden utilizar para fabricar contactos entre células foto-electroquímicas), cuya pasta, durante los siguientes pasos de fabricación del módulo, se somete a curado a 500-520ºC y sufre la consiguiente sinterización. A continuación de la sinterización a tan alta temperatura, se evaporan los diferentes aglutinantes orgánicos y disolventes de la pasta conductora, siendo fabricado el contacto casi exclusivamente constituido de plata y residuos de plomo y vidrio. A tal temperatura, el contacto resultante sufre calcinación, con agregación de los gránulos para formar gránulos mayores, y disminuye de porosidad y por lo tanto su compacidad y conductividad resultan elevadas. Además, siempre como un efecto de la temperatura, el contacto se suelda al revestimiento conductor.
En el paso de acoplar los substratos se aplica el elemento de encapsulación sobre el contra-electrodo y, en correspondencia con los contactos ya calcinados, se aplica una pasta conductora que tiene un bajo punto de calcinación.
Tales pastas tienen la propiedad de tener una elevada densidad de material conductor, como resultado de la hoja de información de la pasta Dupont Solamet PV410 Silver Conductor, en la cual se indica un porcentaje de material conductor de hasta 80%, y ello, junto con una formulación específica, usualmente basada en portadores orgánicos basados en etil-celulosa (o, como alternativa: hidroxi-etil-celulosa o polietilen-glicol (PEG) o Carbovax o Terpineol o etanol o combinaciones de los mismos), permite la realización de pequeños contactos resistivos, incluso si estos no son llevados a tales temperaturas para eliminar todos los residuos.
La obturación de módulos (por encapsulación) ocurre a la temperatura de 100-170ºC y esta es suficiente para realizar la interconexión permanente entre los contactos de los dos substratos, debido a la elevada compatibilidad química del material conductor de la pasta con baja temperatura de sinterización y del material conductor de las dos partes 20’, 20’’ previamente sometidas a curado a elevada temperatura.
En caso de que la obturación (por encapsulación) se efectúe a temperatura ambiente, el contacto está todavía
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garantizado; y puede ser mejorado poniendo el dispositivo algunas horas a temperatura superior a la temperatura ambiente o incluso instalando el dispositivo en el lugar del uso final (el calor procedente del sol aumenta la conductividad del contacto en los primeros días de vida del dispositivo).
Ejemplo de fabricación
Como ejemplo de fabricación, se informa de la fabricación de módulos DSC de 10 cm x 20 cm, en los que se conectaron en serie seis células con dimensiones de 17 cm x 1 cm de acuerdo con las especificaciones de la invención.
La deposición de los contactos verticales rígidos fue hecha mediante impresión con retícula utilizando la pasta conductora DuPont 7713, mientras para la deposición del contacto por dispensación se utilizó la pasta conductora Dupont PV410.
La técnica de fabricación combinada (impresión con retícula + dispensación) de contactos verticales se realizó con los siguientes pasos:
1) Se depositaron cinco tiras de pasta de plata 7713 mediante impresión con retícula sobre ambos substratos de vidrio (contra-electrodo y foto-electrodo). La malla de retícula utilizada se diseñó para depositar cinco contactos verticales de 0,5 mm de ancho y 17 cm de largo para conectar las seis células.
2) La pasta de plata fue sometida a curado en un horno a 525ºC, siendo así sinterizada. Una vez sinterizada, el contacto era de 8 micras de grosor en cada sustrato de vidrio.
3) Se depositó una capa de pasta conductora de plata PV 410 mediante la máquina de dispensación sobre un único electrodo, en coincidencia con las tiras de plata previamente sinterizadas.
La figura 5 muestra un diagrama de la característica eléctrica del módulo obtenido, en la que están representadas la corriente y la potencia del módulo para cambios del voltaje de funcionamiento. Además, se reportaron los parámetros característicos del dispositivo, es decir, potencia máxima (Pmax), corriente en corto-circuito (Isc), voltaje en circuito abierto (Voc), corriente a potencia máxima (Imax), voltaje a potencia máxima (Vmax), eficacia (Eff) y factor de llenado (FF).
Con referencia a contactos fabricados de acuerdo con la técnica anterior, carentes de una estructuración adecuada y tendentes a empeorar su rendimiento de manera significativa con el paso del tiempo debido a tensiones mecánicas y térmicas (los módulos con conexión en Z, hechos con contactos de acuerdo con la técnica anterior, cambian desde valores iniciales de eficacia de 4-5% a valores de sólo 0,5%) y los contactos fabricados de acuerdo con la presente invención mantienen mejores rendimientos (los módulos con conexión en Z fabricados con los contactos de la invención han demostrado ser capaces de mantener valores de eficacia de aproximadamente 3,5% incluso después de repetidas tensiones térmicas).
Sin deseo de limitarse por la teoría, sería posible decir que siendo de hecho el contacto vertical depositado dos veces (por dos procedimientos distintos que solos garantizarían por sí mismos una conexión eléctrica), el mismo proporciona una fiabilidad mejorada en la realización del contacto. Además, la solución propuesta, por la presencia de la capa intermedia sometida a curado a temperaturas tales que la capa mantiene incluso una mínima elasticidad, permite que el módulo se expanda, como resultado del calentamiento, sin que sea afectado el contacto vertical, adaptándose la capa intermedia a una tal expansión. Además, la baja conductividad de la capa intermedia, y en particular la baja conductividad de la interfaz de la misma, típica de la clase de material del cual está hecha la capa, es compensada por la elevada afinidad entre el material conductor de la capa intermedia y la de las capas sometidas a curado a elevada temperatura.
Se han realizado algunos ensayos para demostrar la estabilidad con la temperatura de contactos fabricados de este modo. Los módulos ensayados tenían las siguientes características y componentes:
- 6 células (17 cm x 1 cm cada una)
- Separación: 4 mm
- Vidrio: 3 mm TEC8
- TiO2: DSL-18NRT Dyesol, doble capa
- Tinte: N719 Dyesol
- Electrolito HSE Dyesol
- Elemento de encapsulación Bynel 60 Solaronix
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Los dispositivos fueron medidos bajo un simulador solar (1 sol) en un intervalo de temperaturas entre 20ºC y 80ºC. Los resultados obtenidos se muestran en las figuras 6 y 7, en las que la figura 6 muestra un diagrama de la eficacia como una función de la temperatura y la figura 7 muestra un diagrama del factor de llenado, como una función de la temperatura, de cuatro módulos obtenidos como se ha descrito anteriormente.
Los resultados mostrados en las figuras 6 y 7 muestran que el contacto vertical está todavía garantizado incluso a elevadas temperaturas (la disminución de rendimiento mostrado en las figuras es debido al comportamiento con las temperaturas de los materiales que constituyen la célula y no a la pérdida de contacto vertical.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas, dispuestas lado a lado entre dos substratos opuestos (10), al menos uno de los cuales es transparente o semitransparente, y cubiertos, en el lado vuelto hacia el otro substrato, por un revestimiento eléctricamente conductor (11) dividido en una pluralidad
    5 de regiones lado a lado aisladas eléctricamente por medio de un número correspondiente de interrupciones (12), estando dicha conexión eléctrica vertical dispuesta entre una región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) de un substrato (10), en contacto eléctrico con una célula fotoelectro-química, y la región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) del substrato opuesto (10), en contacto con una célula foto-electro-química adyacente,
    10 caracterizada porque la conexión eléctrica vertical está hecha de tres partes de superposición o solape, es decir dos partes (20’, 20’’), respectivamente acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos opuestos (10) que delimitan dichas células foto-electro-químicas, hechas de un material conductor en la forma de gránulos agregados conjuntamente e integrados en dicho revestimiento conductor (11), siendo la suma de las alturas de las dos citadas partes (20’, 20’’) acopladas con el revestimiento
    15 conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10) igual o inferior a la distancia entre los revestimientos conductores (11) de dichos dos substratos (10) y además una parte intermedia (21), que conecta las dos partes (20’, 20’’) acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10), hecha de un material conductor constituido por una matriz de polímeros y/o resinas epoxídicas y/o aglutinante orgánico, en el cual están dispersas partículas de material conductor o polímeros conductores.
    20 2. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque dichas dos partes (20’, 20’’) acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10) tienen porosidad (expresada como volumen de espacios vacíos sobre el volumen total) inferior a 0,5.
  2. 3. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la reivindicación 1 o la 2,
    25 caracterizada porque dichas dos partes (20’, 20’’) acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10) comprende gránulos agregados entre sí con uniones de tipo químico.
  3. 4. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dichas dos partes (20’, 20’’) acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10) y dicho revestimiento conductor (11)
    30 están agregados con uniones de tipo mecánico, uniones de tipo químico o una combinación de estos dos tipos de uniones.
  4. 5. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dichas dos partes (20’, 20’’) acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10) comprenden una cantidad de residuos
    35 de disolventes orgánicos y aglutinantes inferior a 10% en peso.
  5. 6. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque dichas dos partes (20’, 20’’) acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10) comprende una cantidad de residuos de disolventes orgánicos y aglutinantes inferior a 0,1% en peso.
    40 7. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicha parte intermedia (21) comprende una cantidad de residuos de disolventes orgánicos y aglutinantes mayor que 5% en peso.
  6. 8. Método de fabricar una conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas, dispuestas lado a lado entre dos substratos opuestos (10), al menos uno de los cuales es transparente o semitransparente, y
    45 cubiertos, en el lado vuelto hacia el otro substrato, por un revestimiento eléctricamente conductor (11) dividido en una pluralidad de regiones lado a lado aisladas eléctricamente por medio de un número correspondiente de interrupciones (12), que comprende los siguientes pasos:
    -deposición, sobre cada substrato, previamente limpiado y calentado, pero no todavía acoplado con el correspondiente substrato opuesto para formar un módulo foto-electro-químico, entre una región
    50 eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) de un substrato (10), en contacto eléctrico con una célula foto-electro-química, y la región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) del substrato opuesto (10), en contacto con una célula foto-electro-química adyacente, de tiras hechas de una parta de material conductor, que puede ser sinterizada a una elevada temperatura superior a 300ºC e inferior a 550ºC;
    55 -calentamiento de los substratos a una temperatura entre 300 y 550ºC, obteniendo así la sinterización del material conductor de las tiras previamente depositadas;
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    -deposición, en correspondencia con las tiras de material previamente depositado y sinterizado, de una capa adicional de pasta de material conductor, que puede ser sinterizada a una baja temperatura inferior a 300ºC;
    - acoplar los substratos opuestos y, al mismo tiempo, acoplar las tiras de material previamente
    5 depositado y sinterizado, por medio de la interposición de una capa adicional de una pasta de material conductor, que puede ser sinterizado a una baja temperatura inferior a 300ºC, siendo realizado el acoplamiento a una temperatura entre 70ºC y 170ºC.
  7. 9. Método de fabricar una conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la
    reivindicación 8, caracterizado porque dicho paso de calentar los substratos y sinterizar el material 10 conductor ocurre a una temperatura de 520ºC.
  8. 10. Método de fabricar una conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la reivindicación 8 o la 9, caracterizado porque el paso de acoplar los substratos opuestos ocurre a una temperatura de unos 100ºC.
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