ES2895978T3 - Celda solar de dióxido de silicio - Google Patents

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Abstract

Celda solar de dióxido de silicio que tiene dos sustratos (11, 17) que presentan conductividad eléctrica, estando los dos sustratos dispuestos de manera que las respectivas superficies conductoras (12, 16) de los sustratos estén enfrentadas entre sí, siendo por lo menos uno de los sustratos un sustrato transparente (11) en el lado de incidencia de la luz, y que presenta un compacto de partículas de dióxido de silicio (20) que presenta una capacidad electromotriz y un electrolito (14) dispuestos entre dichos dos sustratos, en la que: dicho compacto de partículas de dióxido de silicio (20) que presenta una capacidad electromotriz está dispuesto sobre el sustrato (17) de manera que esté enfrentado a dicho sustrato (11) en el lado de incidencia de la luz, con un espacio entre dicho compacto de dióxido de silicio (20) que presenta una capacidad electromotriz y dicho sustrato (11); y el espacio entre dicho compacto de partículas de dióxido de silicio (20) que presenta una capacidad electromotriz y dicho sustrato (11) en el lado de incidencia de la luz se llena con dicho electrolito (14), caracterizada por que las partículas de dióxido de silicio presentan el diámetro de partícula de 500 nm o menos.

Description

DESCRIPCIÓN
Celda solar de dióxido de silicio
La presente invención se refiere a una celda solar, más particularmente a una celda solar de dióxido de silicio que utiliza dióxido de silicio, según el preámbulo de la reivindicación 1.
Antecedentes de la técnica
El documento JP 2011028918 divulga una celda solar sensibilizada con colorante que incluye un electrodo catalítico de platino con alta durabilidad frente a una disolución electrolítica que contiene un electrolito redox I3-/I-. Las celdas solares se divulgan además en los documentos JP 2006244830 A, JP 2007018809 A, JP 2008257893 A y EP 2492375 A1.
Una celda solar de tipo seco que utiliza un semiconductor, tal como el silicio, está en fase de uso práctico. Una celda solar semiconductora tiene una alta eficiencia de generación, pero es cara debido al uso de un material altamente purificado.
Como celda solar relativamente económica, existe una celda solar de tipo húmedo que utiliza dióxido de titanio (TiO2) y un electrolito.
Se describe un montaje de celdas solares de dióxido de titanio con referencia a la figura 1.
La figura 1 (a) muestra una celda solar de dióxido de titanio que tiene un montaje básico, y la figura 1 (b) muestra una celda solar de dióxido de titanio mejorada, denominada tipo sensibilizado con colorante. En la celda solar de dióxido de titanio que tiene el montaje básico mostrado en la figura 1 (a), el número 1 representa un sustrato de vidrio que forma en una de sus superficies una capa conductora transparente 2 hecha de FTO o similar, y que sirve como un fotoelectrodo. El número 10 representa un material sinterizado de dióxido de titanio poroso. El número 4 representa una disolución electrolítica, y generalmente se usa un electrolito de yodo que tiene yodo disuelto en una disolución acuosa de yoduro de potasio. El número 5 representa un contraelectrodo de platino que está formado sobre un sustrato 7 de vidrio que tiene formada sobre el mismo una capa conductora 6 hecha de FTO o similar. El número 8 representa un material de sellado, y el número 9 representa una carga externa, tal como una resistencia.
La luz incidente que ha pasado a través de la capa conductora transparente 2 sobre el sustrato 1 de vidrio es absorbida por el material sinterizado 10 de dióxido de titanio poroso. El material sinterizado 10 de dióxido de titanio poroso que ha absorbido la luz cambia electrónicamente del estado fundamental a un estado excitado, y los electrones excitados salen de la capa conductora transparente 2 debido a la difusión, y se introducen a través de la carga 9 desde la capa conductora transparente 6 hasta el contraelectrodo 5 de platino.
Sin embargo, la luz que el dióxido de titanio puede utilizar en la generación eléctrica es solo luz ultravioleta que tiene una longitud de onda de 380 nm o menos, y la luz ultravioleta en este intervalo de longitud de onda es solo el 4% de la luz solar, por lo que la eficiencia de utilización de la luz solar es 4% como máximo, prácticamente 1%, y por lo tanto, esta celda solar que utiliza dióxido de titanio presenta una eficiencia de utilización de la luz solar extremadamente pobre.
Para eliminar el inconveniente del dióxido de titanio de que el intervalo de longitud de onda utilizable de la luz es estrecho, se ha conocido una celda solar sensibilizada con colorante (DSSC) que tiene dióxido de titanio poroso sinterizado que tiene un colorante de complejo de rutenio adsorbido en el mismo, y que por lo tanto puede usar luz en la región de luz visible, que es más larga en longitud de onda que la luz ultravioleta.
El montaje básico de la celda solar sensibilizada con colorante se describe con referencia a la figura 1(b).
En esta figura, el número 1 representa un sustrato de vidrio que forma en una de sus superficies una capa conductora transparente 2 hecha de FTO o similar. El número 3 representa un material sinterizado de dióxido de titanio poroso que tiene un colorante de complejo de rutenio adsorbido en su superficie porosa. El número 4 representa una disolución electrolítica, y generalmente se usa un electrolito de yodo que tiene yodo disuelto en una disolución acuosa de yoduro de potasio. El número 5 representa un contraelectrodo de platino que está formado sobre un sustrato 7 de vidrio que tiene formada sobre el mismo una capa conductora 6 hecha de FTO o similar. El número 8 representa un material de sellado, y el número 9 representa una carga externa, tal como una resistencia.
La luz incidente que ha pasado a través de la capa conductora transparente 2 de FTO sobre el sustrato 1 de vidrio es absorbida por el colorante de complejo de rutenio adsorbido en la superficie porosa del material sinterizado 3 de dióxido de titanio poroso. El colorante de complejo de rutenio que ha absorbido la luz cambia electrónicamente desde el estado fundamental a un estado excitado, y los electrones en el estado excitado en el colorante de complejo de rutenio se inyectan en el material sinterizado 3 de dióxido de titanio poroso, de modo que el colorante de complejo de rutenio cambia a un estado de oxidación. En este caso, para inyectar eficazmente los electrones excitados en el colorante de complejo de rutenio en el material sinterizado 3 de dióxido de titanio poroso, el nivel de energía de excitación del colorante de complejo de rutenio debe ser menor que el nivel de energía de la banda de conducción del material sinterizado 3 de dióxido de titanio poroso que es un semiconductor. Los electrones inyectados en el material sinterizado 3 de dióxido de titanio poroso salen de la capa conductora transparente 2 debido a la difusión, y se introducen a través de la carga 9 en el contraelectrodo 5 de platino. Por otro lado, el colorante de complejo de rutenio oxidado recibe electrones del yodo contenido en el electrolito 4 de yodo y cambia de nuevo al colorante de complejo de rutenio en el estado fundamental.
Una celda solar sensibilizada con colorante que tiene el montaje mencionado anteriormente tiene teóricamente una eficiencia de utilización de la luz solar del 30%, pero prácticamente el 10% como máximo.
El dióxido de titanio tiene una función fotocatalítica, y, como un material que tiene de manera similar la función fotocatalítica, en los documentos JP-A-2004-290748 y JP-A-2004-290747 se describe cuarzo fundido tratado con ácido halohídrico.
Como un material que tiene igualmente una acción fotocatalítica, en la Publicación de Solicitud de Patente Internacional No. WO2005/089941 se describe cuarzo sintético tratado con ácido fluorhídrico.
El fotocatalizador de cuarzo sintético funciona como fotocatalizador en un intervalo de longitud de onda comprendido entre 200 y 800 nm, que es más amplio que el intervalo para el fotocatalizador que utiliza cuarzo fundido como materia prima descrito en los documentos JP-A-2004-290748 y JP-A-2004-290747.
Los presentes inventores han descubierto que el cuarzo sintético o cuarzo fundido, que es dióxido de silicio, tiene capacidad fotovoltaica, y han propuesto la celda solar de dióxido de silicio descrita en la Publicación de Solicitud de Patente Internacional No. Wo 2011/049156.
La celda solar descrita en la Publicación de Solicitud de Patente Internacional No. WO2011/049156 se describe con referencia a la figura 2.
En la figura 2, los números 11 y 17 representan sustratos de vidrio de 30 mm X 30 mm que tienen una capa conductora transparente, capa 12 de FTO (óxido de estaño dopado con flúor), y una capa 16 de FTO, respectivamente, formadas sobre ellos, y la celda solar tiene un tamaño de 20 mm? 20 mm.
Una capa 13 semiconductora de tipo n de óxido de zinc (ZnO), dióxido de titanio (TiO2), o similar, se forma sobre la capa de FTO en el lado de incidencia de la luz, y se forma una capa 15 de platino en la capa 16 de FTO colocada frente a la capa 12 de FTO en el lado de incidencia de la luz.
Un material 20 de celda solar que tiene un espesor comprendido entre 0.15 y 0.20 mm y que tiene una mezcla de vidrio que contiene SiO2 y un electrolito se sella entre la capa 13 semiconductora de tipo n y la capa 15 de platino.
Con respecto al material de la celda solar 20, se utiliza uno que se obtiene sumergiendo partículas de vidrio que contienen SiO2 o similar en una disolución acuosa al 5% de ácido fluorhídrico durante 5 minutos, lavando las partículas con agua, secándolas, y pulverizando las partículas resultantes de modo que el diámetro de las partículas sea de 0.2 mm o menos.
El electrolito se obtiene añadiendo 0.1 moles de LiI, 0.05 moles de 12, 0.5 moles de 4-terc-butilpiridina, y 0.5 moles de yoduro de tetrabutilamonio a 0.5 moles de disolvente de acetonitrilo.
Si bien los detalles del mecanismo de la fotocelda de dióxido de silicio no están claros, existe el fenómeno de que cuando el dióxido de silicio se irradia con la luz solar con una longitud de onda comprendida entre 200 y 800 nm, la luz se absorbe y los electrones fluyen desde el electrodo en el lado del dióxido de silicio hacia el contraelectrodo a través de una carga; en otras palabras, una corriente fluye desde el contraelectrodo hacia el electrodo en el lado del dióxido de silicio.
Como material de celda solar, el cuarzo sintético es el más útil, pero el vidrio de cuarzo fundido, el vidrio de cal sodada, el vidrio no alcalino, o el vidrio de borosilicato también se pueden utilizar en la generación eléctrica.
La corriente de cortocircuito y el voltaje de circuito abierto que se obtienen cuando se irradia con una luz de una lámpara fluorescente de 15,000 a 19,000 lux son los siguientes:
Figure imgf000003_0001
Vidrio de cuarzo fundido: 0.5|jA 30mV
Vidrio de cal sodada: 0.3|jA 15mV
Vidrio no alcalino: 0.4j A 30mV
Vidrio de borosilicato: 0.3j A 14mV
Además, incluso con respecto a la composición de dióxido de silicio que no se trata con ácido fluorhídrico, se han obtenido la siguiente corriente de cortocircuito y voltaje de circuito abierto.
Cuarzo sintético: 0.1jA3m V
Vidrio de cuarzo fundido: 0.2j A 3mV
Vidrio de cal sodada: 0.1j A 5mV
Vidrio no alcalino: 0.1j A 5mV
Vidrio de borosilicato: 0.2j A 12mV
Referencias de la técnica anterior
Documento 1: JP-A-2004-290748
Documento 2: JP-A-2004-290747
Documento 3: Publicación de Solicitud de Patente Internacional No. WO2005/089941
Documento 4: Publicación de Solicitud de Patente Internacional No. WO2011/04915
Exposición de la invención
Objetivo de la invención
Este objetivo se consigue mediante una celda solar de dióxido de silicio que comprende las características de la reivindicación 1. Las formas de realización de esta celda solar de dióxido de silicio están representadas por las reivindicaciones subordinadas.
Un objetivo de la invención según la presente solicitud es obtener una celda solar que presente una alta eficiencia de utilización de la luz.
Los presentes inventores han descubierto que al pulverizar las partículas de cuarzo sintético tratadas con ácido halohídrico o las partículas de cuarzo fundido, se exhibe una excelente función adicional de la celda solar.
Los inventores han descubierto que el cuarzo sintético o el vidrio pulverizado en un tamaño de polvo cercano a la longitud de onda de la luz exhibe además una función excelente como material de celda solar.
Los inventores han descubierto que la celda solar de dióxido de silicio también puede utilizar la luz infrarroja en la generación eléctrica.
En la invención de la presente solicitud, en base a los hallazgos anteriores, se obtiene una celda solar que tiene una combinación de una celda solar de dióxido de silicio y una celda solar de dióxido de titanio en una configuración en tándem, en la que la energía se extrae tanto de los electrodos en el lado de la celda solar de dióxido de silicio como del lado de la celda solar de dióxido de titanio, lo que permite aprovechar la luz en toda la región desde la luz ultravioleta hasta la luz infrarroja en la generación eléctrica.
Cuando la celda solar de dióxido de titanio en la configuración en tándem es de un tipo sensibilizado con colorante, se amplía el intervalo de la luz utilizable.
Las partículas de polvo de dióxido de silicio pulverizado pueden difundirse a través del electrolito y adherirse al colorante sensibilizante, provocando que la función del colorante sensibilizante sea deficiente.
En este caso, se proporciona un separador entre la parte de la celda solar de dióxido de silicio y la parte de la celda solar de dióxido de titanio sensibilizada con colorante.
Un aspecto de la presente solicitud es una celda solar que tiene una combinación de una celda solar de dióxido de silicio y una celda solar de dióxido de titanio sensibilizada con colorante en una configuración en tándem, en la que la celda solar de dióxido de silicio comprende partículas de cuarzo sintético tratadas con ácido halohídrico que son cristalinas, o vidrio de cuarzo, vidrio no alcalino, vidrio de borosilicato, vidrio de cal sodada, o similares, tratados con ácido halohídrico que son amorfos, y un electrolito de yodo.
Un aspecto de la presente solicitud es una celda solar que tiene una combinación de una celda solar sensibilizada con colorante y una celda solar de dióxido de silicio en una configuración en tándem, en la que la celda solar sensibilizada con colorante comprende dióxido de titanio que tiene adsorbido sobre el mismo un colorante, tal como un colorante de rutenio, y un electrolito de yodo, y la celda solar de dióxido de silicio utiliza partículas de cuarzo sintético tratadas con ácido halohídrico que son cristalinas, o vidrio de cuarzo, vidrio no alcalino, vidrio de borosilicato, cal sodada, o similares, tratados con ácido halohídrico que son amorfos.
Un aspecto de la presente solicitud es una celda solar que tiene una combinación de una celda solar sensibilizada con colorante y una celda solar de dióxido de silicio en una configuración en tándem, en la que la celda solar sensibilizada con colorante comprende dióxido de titanio poroso que tiene adsorbido sobre el mismo un colorante, tal como un colorante de rutenio, y un electrolito de yodo, y la celda solar de dióxido de silicio utiliza partículas de cuarzo sintético tratadas con ácido halohídrico que son cristalinas, o vidrio de cuarzo, vidrio no alcalino, vidrio de borosilicato, vidrio de cal sodada, o similares, tratados con ácido halohídrico que son amorfos, y el dióxido de titanio poroso se combina además con dióxido de silicio pulverizado.
Los rasgos característicos específicos de la celda solar de dióxido de silicio de la invención de la presente solicitud son los siguientes.
Dos sustratos que tienen conductividad eléctrica están montados de manera que las respectivas superficies conductoras de los sustratos estén enfrentadas entre sí, siendo por lo menos uno de los sustratos un sustrato transparente en el lado de incidencia de la luz, y estando un compacto de partículas de dióxido de silicio dispuesto sobre el sustrato montado enfrentado al sustrato en el lado de incidencia de la luz, y llenándose el espacio entre el compacto de partículas de dióxido de silicio y el sustrato en el lado de incidencia de la luz con un electrolito.
Dos sustratos que tienen conductividad eléctrica están montados de modo que las respectivas superficies conductoras de los sustratos estén enfrentadas entre sí, siendo por lo menos uno de los sustratos un sustrato transparente en el lado de incidencia de la luz, y estando un compacto de partículas de dióxido de silicio dispuesto en el sustrato enfrentado al sustrato en el lado de incidencia de la luz, llenándose el espacio entre el compacto de partículas de dióxido de silicio y el sustrato en el lado de incidencia de la luz con un electrolito, y además se dispone un material sinterizado de dióxido de titanio poroso sobre el sustrato en el lado de incidencia de la luz.
Dos sustratos que tienen conductividad eléctrica están montados de modo que las respectivas superficies conductoras de los sustratos estén enfrentadas entre sí, siendo por lo menos uno de los sustratos un sustrato transparente en el lado de incidencia de la luz, y estando un compacto de partículas de dióxido de silicio dispuesto en el sustrato enfrentado al sustrato en el lado de incidencia de la luz, llenándose el espacio entre el compacto de partículas de dióxido de silicio y el sustrato en el lado de incidencia de la luz con un electrolito, y además estando un material sinterizado de dióxido de titanio poroso que tiene un colorante sensibilizante adsorbido sobre el mismo dispuesto sobre el sustrato en el lado de incidencia de la luz.
Efectos de la invención
En la invención de la presente solicitud, al emplear una combinación de una celda solar de dióxido de silicio y una celda solar de dióxido de titanio en una configuración en tándem, se extrae energía tanto de los electrodos en el lado de la celda solar de dióxido de titanio como del lado de la celda solar de dióxido de silicio.
En virtud de la configuración antes mencionada, la luz en toda la región desde la luz ultravioleta hasta la luz infrarroja se puede utilizar en la generación eléctrica.
Cuando la celda solar de dióxido de titanio en la configuración en tándem es de un tipo sensibilizado con colorante, se amplía el intervalo de la luz utilizable.
La celda solar según la presente solicitud puede lograr una fotogeneración mayor que la obtenida por una celda solar convencional que comprende dióxido de titanio poroso y un electrolito de yodo.
La celda solar sensibilizada con colorante según la presente solicitud puede lograr una mayor fotogeneración que la obtenida mediante una celda solar sensibilizada con colorante convencional que comprende dióxido de titanio que tiene un colorante sensibilizante de rutenio adsorbido sobre el mismo y un electrolito de yodo.
La celda solar de dióxido de titanio sensibilizada con colorante según la presente solicitud puede lograr una corriente de cortocircuito de 2,860 ^ A como máximo, y la capacidad electromotriz se ha incrementado drásticamente, en comparación con 2,510 ^ A de una celda solar de dióxido de titanio sensibilizada con colorante convencional.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra vistas esquemáticas de una celda solar de dióxido de titanio poroso convencional y una celda solar de dióxido de titanio poroso sensibilizada con colorante.
La figura 2 muestra una vista esquemática de la celda solar de dióxido de silicio de la técnica anterior.
La figura 3 muestra una vista esquemática de la celda solar de dióxido de silicio según la Forma de realización i.
La figura 4 muestra una vista esquemática de la celda solar según la Forma de realización 2 que usa dióxido de titanio poroso y dióxido de silicio.
La figura 5 muestra una vista esquemática de la celda solar según la Forma de realización 3 que usa dióxido de titanio poroso sensibilizado con colorante y dióxido de silicio.
La figura 6 muestra un gráfico de características de voltaje-corriente de la celda solar de dióxido de titanio poroso sensibilizada con colorante según la Forma de realización 3 y una celda solar de dióxido de titanio poroso sensibilizada con colorante convencional.
La figura 7 muestra una vista esquemática del montaje de la celda solar de dióxido de silicio según la Forma de realización 4 que usa partículas de dióxido de silicio pulverizadas.
La figura 8 muestra una vista esquemática del montaje de la celda solar según la Forma de realización 5 que usa dióxido de titanio poroso y partículas de dióxido de silicio pulverizadas.
La figura 9 muestra una vista esquemática del montaje de la celda solar según la Forma de realización 6 que usa dióxido de titanio poroso sensibilizado con colorante y partículas de dióxido de silicio pulverizadas.
La figura 10 muestra una vista esquemática del montaje de la celda solar según la Forma de realización 7 que usa dióxido de titanio poroso y partículas de dióxido de silicio pulverizadas.
La figura 11 muestra una vista esquemática del montaje de la celda solar según la Forma de realización 8 que usa dióxido de titanio poroso sensibilizado con colorante y partículas de dióxido de silicio pulverizadas.
Descripción de las formas de realización
A continuación, se describirán modos para llevar a cabo la invención con referencia a los dibujos adjuntos.
Forma de realización 1
La figura 3 muestra la celda solar de dióxido de silicio según la Forma de realización 1, que se obtiene mejorando la celda solar de dióxido de silicio mostrada en la figura 2.
En la figura 3, los números 11 y 17 representan sustratos de vidrio que tienen una capa conductora transparente 12 hecha de FTO o similar y una capa conductora transparente 16 hecha de FTO o similar, formadas sobre los mismos, respectivamente. La capa conductora transparente 12 y la capa conductora transparente 16 funcionan como un electrodo para extraer energía eléctrica. Los sustratos 11 y 12 de vidrio están dispuestos de modo que la capa conductora transparente 12 sobre el sustrato 11 de vidrio y la capa 16 de FTO sobre el sustrato 17 de vidrio estén enfrentadas entre sí.
El número 20 representa un material calcinado de dióxido de silicio (SiO2) que tiene un grosor de 0.15 a 0.20 mm, que está dispuesto sobre el sustrato 17 de vidrio en el lado en el que no entra la luz.
En la capa conductora transparente 16 en el lado de dióxido de silicio, se forma una capa 15 de platino (Pt) como electrodo para extraer cargas.
El número 14 representa un electrolito. A diferencia de la celda solar de dióxido de silicio de la técnica anterior mostrada en la figura 2 en la que el electrolito se mezcla en el dióxido de silicio, el espacio entre el material 20 calcinado de dióxido de silicio y el sustrato 11 de vidrio en el lado de incidencia de la luz se llena con el electrolito. El número 18 representa un material de sellado, y el número 19 representa una carga externa.
En el electrolito 14, se utilizó un electrolito obtenido añadiendo 0.1 moles de LiI, 0.05 moles de 12, 0.5 moles de 4-terc-butilpiridina, y 0.5 moles de yoduro de tetrabutilamonio a 0.5 moles de disolvente de acetonitrilo.
Con respecto al material 20 calcinado de dióxido de silicio, se utiliza un material obtenido sumergiendo cuarzo sintético, que es dióxido de silicio cristalino, o partículas de vidrio de vidrio de cuarzo, vidrio no alcalino, vidrio de borosilicato, cal sodada, o similares, que son amorfos, en una disolución acuosa al 5% de ácido fluorhídrico durante 5 minutos, lavando las partículas con agua, secándolas, y después pulverizando las partículas resultantes de modo que el diámetro de las partículas sea de 500 nm o menos.
Con respecto a la disolución acuosa en la que se sumerge el dióxido de silicio, se puede utilizar ácido clorhídrico como ácido halohídrico distinto del ácido fluorhídrico.
Se pueden usar las partículas de cuarzo sintético que tienen un diámetro de partícula de alrededor de entre 0.2 y 0.5 mm, y también se pueden usar aquellas que no se calcinan sino que se mezclan con etanol y se aplican sobre el electrodo 15 de platino y se secan.
La luz que entra desde el sustrato 11 de vidrio del lado de incidencia de la luz entra en el dióxido de silicio 20 para provocar la generación eléctrica.
Usando un simulador solar, la celda solar según la Forma de realización 1 se irradió con la luz a 1 kw/1 m2, que es una constante solar. Cuando el diámetro de partícula del cuarzo sintético fue 0.2 mm o menos, se obtuvieron una corriente de cortocircuito de 85 y A y un voltaje de circuito abierto de 470 mV. Cuando el diámetro de partícula fue 500 nm o menos, se obtuvieron una corriente de cortocircuito de 348 yA y un voltaje de circuito abierto de 620 mV.
Estos valores se han incrementado drásticamente con respecto tanto a la corriente de cortocircuito como al voltaje de circuito abierto, en comparación con los valores de la celda solar de dióxido de silicio de la técnica anterior mostrada en la figura 2, aunque las condiciones de medida son diferentes a las de la forma de realización.
Además, con respecto a la celda solar de cuarzo sintético, que es una celda solar de dióxido de silicio, los presentes inventores midieron una corriente de cortocircuito a la iluminancia casi equivalente a la de la luz solar directa utilizando una lámpara incandescente de 300 W, que es una fuente de luz que no contiene componente de la región ultravioleta. Como resultado, se obtuvieron un voltaje de circuito abierto de 400 mV y una corriente de cortocircuito de 0.5 yA, que ha confirmado que la celda solar de dióxido de silicio provoca la generación eléctrica utilizando únicamente la luz infrarroja.
De lo anterior, es evidente que la celda solar de dióxido de silicio provoca generación eléctrica utilizando también la luz que no contiene ningún componente de la región ultravioleta, lo que es imposible para una celda solar de dióxido de titanio sensibilizada con colorante, que es una celda solar típica de tipo húmedo.
Forma de realización 2
La Forma de realización 2 se describe con referencia a la figura 4.
La celda solar según la Forma de realización 2 es una combinación de la celda solar de dióxido de silicio según la Forma de realización 1 y la celda solar de dióxido de titanio convencional mostrada en la figura 1 (a) en una configuración en tándem.
En la figura 4, el número 11 representa un sustrato transparente hecho de vidrio o una resina, que forma en una de sus superficies una capa de electrodo transparente 12 hecha de FTO o similar, que sirve como electrodo en un lado de incidencia de la luz. El número 3 representa un dióxido de titanio poroso solidificado mediante un procedimiento, tal como la sinterización. El número 14 representa una disolución electrolítica, en la que generalmente se usa un electrolito de yodo que tiene yodo disuelto en una disolución acuosa de yoduro de potasio.
El número 20 representa partículas de cuarzo sintético que tienen un diámetro de partícula de 0.2 mm o menos, que se mezclan con etanol y se aplican sobre un electrodo 25 hecho de platino o similar y se secan.
El número 16 representa un electrodo transparente hecho de FTO o similar, y el número 17 representa un sustrato hecho de vidrio o resina. El número 18 representa un material de sellado, y el número 19 representa una carga externa.
La luz ultravioleta ingresada desde el sustrato transparente 11 en el lado de incidencia de la luz ingresa en el dióxido de titanio poroso 3 para provocar generación eléctrica, y la luz ultravioleta y la luz visible que no contribuyen a la generación eléctrica ingresan en el dióxido de silicio 20 para provocar generación eléctrica.
De este modo, la celda solar según la Forma de realización 2 puede utilizar luz en la región desde la luz ultravioleta a través de la luz visible en la generación eléctrica.
Cuando la celda solar según la Forma de realización 1 se irradia con luz a 1 kw/1 m2, que es una constante solar, utilizando un simulador solar, se obtienen una corriente de cortocircuito de 20 y A y un voltaje de circuito abierto de 417 mV.
Forma de realización 3
La Forma de realización 3 se describe con referencia a la figura 5.
La celda solar según la Forma de realización 3 es una combinación de la celda solar de dióxido de silicio según la Forma de realización 1 y la celda solar de dióxido de titanio sensibilizada con colorante convencional mostrada en la figura 1 (b) en una configuración en tándem.
En la figura 5, el número 11 representa un sustrato transparente hecho de vidrio o una resina, que forma en una de sus superficies una capa conductora transparente 12 hecha de FTO o similar, que sirve como electrodo en un lado de incidencia de la luz.
El número 10 representa un dióxido de titanio poroso que se solidifica mediante un procedimiento, tal como la sinterización, y que ha adsorbido sobre el mismo un colorante sensibilizante, tal como un colorante de complejo de rutenio.
El número 14 representa una disolución electrolítica, y generalmente se usa un electrolito de yodo que tiene yodo disuelto en una disolución acuosa de yoduro de potasio.
El número 20 representa partículas de cuarzo sintético pulverizado que tienen un diámetro de partícula de 500 nm o menos, que se mezclan con etanol y se aplican sobre un electrodo 15 hecho de platino o similar y se secan. El número 16 representa un electrodo transparente hecho de FTO o similar, y el número 17 representa un sustrato hecho de vidrio o resina. El número 18 representa un material de sellado, y el número 19 representa una carga externa.
Desde la luz ultravioleta a la luz infrarroja que ingresa desde el sustrato transparente 11 en el lado de incidencia de la luz, la luz ultravioleta hasta la luz visible ingresa en el dióxido de titanio poroso 10 sensibilizado con colorante para provocar la generación eléctrica, y la luz ultravioleta a la luz infrarroja que no contribuye a la generación eléctrica ingresa en el dióxido de silicio 20 para provocar la generación eléctrica.
Como se mencionó anteriormente en relación con la Forma de realización 1, el dióxido de silicio 20 provoca generación eléctrica usando incluso luz en la región desde la luz visible a la luz infrarroja, en la que el dióxido de titanio y el colorante sensibilizante no provocan la generación eléctrica.
De este modo, la celda solar según la Forma de realización 3 puede utilizar la luz en toda la región desde la luz ultravioleta hasta la luz infrarroja en la generación eléctrica.
Mediante la celda solar según la Forma de realización 3, se obtienen una corriente de cortocircuito de 285 jA y un voltaje de circuito abierto de 510 mV.
La figura 6 muestra las características de voltaje-corriente de la celda solar sensibilizada con colorante cuando se varía el dióxido de silicio y las características de voltaje-corriente de la celda solar convencional sensibilizada con colorante.
En la figura 6, el voltaje se toma como abscisas, y la corriente como ordenadas.
En el gráfico, por ejemplo, la indicación “1.0E-03” significa 1.0 mA.
Las características son los resultados de la medida de un voltaje y una corriente entre los electrodos de FTO usando un simulador solar a la energía de luz incidente de 1 -Sun (es decir, 1 kW/m2) en la celda solar.
La figura 6 muestra las curvas de características de voltaje-corriente de 6 muestras A a E y G y una celda solar F convencional sensibilizada con colorante, que es una muestra comparativa.
La letra A indica una curva de características de voltaje-corriente obtenida cuando se utilizan las partículas de cuarzo sintético pulverizadas de manera que tengan el diámetro de partícula de entre 50 y 200 nm, siendo la corriente de cortocircuito de 3,067 jA y el voltaje de circuito abierto de 660 mV.
La letra B indica una curva de características de voltaje-corriente obtenida cuando se utilizan las partículas de cuarzo sintético que tienen el diámetro de partícula de 0.2 mm, siendo la corriente de cortocircuito de 2,340 jA y el voltaje de circuito abierto de 680 mV.
La letra D indica una curva de características de voltaje-corriente obtenida cuando se usa cuarzo fundido, siendo la corriente de cortocircuito de 1,293 jA y el voltaje de circuito abierto de 680 mV.
La letra C indica una curva de características de voltaje-corriente obtenida cuando se usa vidrio no alcalino, siendo la corriente de cortocircuito de 1,850 jA y el voltaje de circuito abierto de 690 mV.
La letra E indica una curva de características de voltaje-corriente obtenida cuando se usa vidrio de borosilicato, siendo la corriente de cortocircuito de 930 jA y el voltaje de circuito abierto de 700 mV.
La letra F indica una curva de características de voltaje-corriente de la celda solar sensibilizada con colorante convencional de la figura 1 (b), siendo la corriente de cortocircuito de 733 ^ A y siendo el voltaje de circuito abierto de 680 mV.
La letra G indica una curva de características de voltaje-corriente obtenida cuando se usa vidrio de cal sodada, siendo la corriente de cortocircuito de 626 ^ A y el voltaje de circuito abierto de 670 mV.
Como puede verse en estas curvas de características de voltaje-corriente, las celdas solares sensibilizadas con colorante que utilizan el dióxido de silicio en A a E pueden extraer la corriente más grande, en comparación con la celda solar convencional.
Además, incluso en el caso de que se utilice vidrio de cal sodada, que generalmente parece ser más pobre que la celda solar convencional, en alguna región de voltaje, la celda solar puede extraer la corriente mayor que la lograda por la celda solar convencional.
Forma de realización 4
En la Forma de realización 1 mostrada en la figura 3, las partículas de cuarzo sintético pulverizado que se usarán tienen un diámetro de partícula tan pequeño como 500 nm o menos, y, cuando las partículas de cuarzo sintético aplicadas sobre el electrodo de platino se secan y se ponen en contacto con una disolución electrolítica, las partículas pueden dispersarse o suspenderse en la disolución electrolítica como se indica por el número 22 en la figura 7.
La relación corriente-voltaje de la celda solar de dióxido de silicio no se ve fuertemente afectada, incluso en ese estado.
Forma de realización 5
En la Forma de realización 2 mostrada en la figura 4, las partículas de cuarzo sintético pulverizado que se utilizarán tienen un diámetro de partícula tan pequeño como 500 nm o menos, y, cuando las partículas de cuarzo sintético aplicadas sobre el electrodo de platino se secan y se ponen en contacto con una disolución electrolítica, las partículas pueden dispersarse o suspenderse en la disolución electrolítica como se indica por el número 22 en la figura 8.
La relación corriente-voltaje de la celda solar de dióxido de silicio que tiene un material sinterizado de dióxido de titanio poroso combinado no se ve fuertemente afectada, incluso en tal estado.
Forma de realización 6
En la Forma de realización 3 mostrada en la figura 5, las partículas de cuarzo sintético pulverizado que se usarán tienen un diámetro de partícula tan pequeño como 500 nm o menos, y, cuando las partículas de cuarzo sintético aplicadas sobre el electrodo de platino se secan y se ponen en contacto con una disolución electrolítica, las partículas se pueden dispersar o suspender en la disolución electrolítica como se indica por el número 22 en la figura 9.
La relación corriente-voltaje de la celda solar de dióxido de silicio que tiene un material sinterizado de dióxido de titanio poroso sensibilizado con colorante combinado no se ve fuertemente afectada, incluso en tal estado.
Forma de realización 7
La figura 10 muestra la celda solar de dióxido de silicio según la Forma de realización 6 que se obtiene mejorando la Forma de realización 5.
En la Forma de realización 6, las partículas de cuarzo sintético pulverizado dispersas o suspendidas en la disolución electrolítica tienen un diámetro de partícula tan pequeño como 500 nm o menos y son un mal conductor en esencia, y por lo tanto, posiblemente pueden penetrar en las partes de los poros del dióxido de titanio poroso para inhibir la capacidad del dióxido de titanio para generar electricidad.
Para prevenir la aparición de dicho accidente anterior, utilizando una membrana de separación 23 permeable solo para el electrolito, el electrolito en el que están suspendidas las partículas de dióxido de silicio 22 y el electrolito en el que no están suspendidas las partículas de dióxido de silicio 22 se separan entre sí.
Forma de realización 8
La figura 11 muestra la celda solar de dióxido de silicio según la Forma de realización 6 que se obtiene mejorando la Forma de realización 6.
En la Forma de realización 6, las partículas de cuarzo sintético pulverizado dispersas o suspendidas en la disolución electrolítica tienen un diámetro de partícula tan pequeño como 500 nm o menos y son un mal conductor en esencia, y por lo tanto, posiblemente pueden penetrar en las partes de los poros del dióxido de titanio poroso para inhibir la capacidad del dióxido de titanio para generar electricidad.
Para prevenir la aparición de dicho accidente anterior, utilizando una membrana de separación 23 permeable solo para el electrolito, el electrolito en el que está suspendido el dióxido de silicio 22 y el electrolito en el que no está suspendido el dióxido de silicio 22 se separan entre sí.
Forma de realización 9
En la invención de la presente solicitud, con respecto al sustrato, la capa conductora transparente, el contraelectrodo, el electrolito, y similares, se pueden usar diversos montajes y materiales distintos de los descritos en las Formas de realización antes mencionadas.
A continuación, se describen los montajes y materiales utilizables como sustitutos.
[Sustrato]
En cada una de las Formas de realización, con respecto al recipiente que contiene en él el material de la celda solar y el electrolito, se usa un material transmisor de la luz en el lado de incidencia de la luz, y se usa un material de transmisor o no transmisor de la luz en el lado en el que no ingresa la luz incidente.
Como material transmisor de la luz, se puede usar vidrio, plástico, silicio amorfo, o una película de poliéster, y, como material no transmisor de la luz, se usa una placa metálica de acero inoxidable, níquel, o similar.
[Conductor transparente]
Casi todo el vidrio y los plásticos usados como material transmisor de la luz no tienen conductividad eléctrica, y, cuando se usa un material que no tiene conductividad eléctrica, es necesario impartir conductividad eléctrica al material. Como material transmisor de la luz que tiene conductividad eléctrica, además del óxido de estaño, tal como FTO o ITO, se usa AZO (Al-ZN-O), un material de carbono, tal como nanotubos de carbono o grafeno, o una película conductora de PET, y se usa un electrodo formado sobre un material transparente de vidrio, plástico o similar. El electrodo transparente está previsto dentro de la celda solar.
Con respecto al lado del recipiente de la celda solar opuesto al lado de incidencia de la luz, cuando se requiera transmitir la luz, se usa un electrodo transparente hecho de FTO, ITO, nanotubos de carbono, grafeno, o similar, formado sobre un material transparente de vidrio, un plástico, o similar, y, cuando no se requiere transmitir la luz, se usa una placa de metal que forma sobre ella un conductor para extraer cargas hecho de nanotubos de carbono, grafeno, o similar. El conductor para extraer las cargas está previsto dentro de la celda solar.
Cuando se utilizan plásticos conductores como plásticos, se puede omitir el conductor transparente.
[Partículas de dióxido de silicio]
Las partículas de cuarzo sintético cristalinas tratadas con ácido halohídrico o las partículas de vidrio amorfo se preparan como sigue.
El cuarzo sintético, que es dióxido de silicio cristalino (SiO2), o las partículas de vidrio de vidrio de cuarzo, vidrio no alcalino, vidrio de borosilicato, cal sodada, o similar, que es dióxido de silicio amorfo, se sumergen en una disolución acuosa de ácido fluorhídrico, y las partículas de vidrio o de cuarzo sintético resultantes se lavan con agua y después se secan, seguido de la pulverización.
El ácido clorhídrico se usa como ácido halohídrico distinto del ácido fluorhídrico, pero se prefiere el ácido fluorhídrico.
Alternativamente, se puede utilizar otro ácido halohídrico.
Cuando las partículas de dióxido de silicio no se tratan con ácido halohídrico, una muestra de las partículas de dióxido de silicio se pulveriza de modo que el diámetro medio de partícula de las partículas sea varias decenas de nm.
El tratamiento de las partículas de dióxido de silicio con ácido halohídrico se puede realizar después de la pulverización, pero no antes de la pulverización.
[Capa de dióxido de silicio]
Con respecto a la capa de dióxido de silicio, se puede utilizar una capa obtenida mezclando polvo de cuarzo sintético con etanol junto con polvo de platino, y sometiendo la mezcla resultante a calcinación.
Puede usarse el material calcinado de partículas de dióxido de silicio que tiene un diámetro de partículas de hasta alrededor de 0.5 mm.
[Electrolito]
Con respecto al electrolito, como electrolito de soporte, se usan diversos tipos de electrolitos, por ejemplo cationes, tales como iones de litio, o aniones, tales como iones cloruro, y, como par de oxidación-reducción presente en el electrolito, se usa un par de oxidación-reducción, tal como yodo-compuesto de yodo o bromo-compuesto de bromo. Se disuelven 0.4 moles de yoduro de 1 -etil-3-metilimidazolio, 0.4 moles de yoduro de tetrabutilamonio, 0.2 moles de 4-terc-butilpiridina, y 0.1 moles de isotiocianato de guanidina en carbonato de propileno líquido como disolvente para preparar un electrolito.
Cuando la concentración de moléculas de halógeno en el electrolito es 0.0004 moles/l o menos, el electrolito es casi incoloro y transparente en la región de la luz visible.
Se disuelven 0.5 moles de yoduro de litio (LiI) y 0.05 moles de yodo metálico (12) en metoxipropionitrilo, y se añade espesante a la disolución resultante, y se le añade más 4-terc-butilpiridina para mejorar la capacidad electromotriz abierta y el factor de relleno.
Cuando la placa de vidrio compuesto no necesita ser incolora ni transparente, se puede utilizar una disolución electrolítica coloreada, tal como la disolución electrolítica de yodo.
Como electrolito incoloro, se puede utilizar ácido orgánico, tal como ácido acético o ácido cítrico.
[Colorante sensibilizante]
Mediante el uso de un colorante sensibilizante, la celda solar de dióxido de titanio puede utilizar luz en la región de luz ultravioleta y luz visible en la generación eléctrica. Cuando la celda solar de dióxido de silicio provoca satisfactoriamente la generación eléctrica utilizando la luz en la región de la luz visible, no es necesario utilizar un colorante sensibilizante caro que tiene una vida corta.
Con respecto al colorante sensibilizante distinto del colorante de complejo de rutenio, se puede usar colorante de complejo de cobalto, porfirina, cianina, merocianina, ftalocianina, cumarina, riboflavina, xanteno, trifenilmetano, azo, quinona, derivado de C60, BTS (propilsulfonato de estiril benzotiazolio), indolina, o colorante derivado de una planta, tal como hibisco o cereza americana, y, escogiendo el colorante que tiene diferentes propiedades de generación eléctrica, se puede seleccionar apropiadamente la luz utilizable en la generación eléctrica.
[Contraelectrodo]
Con respecto a la capa semiconductora, se pueden usar como contraelectrodo, distinto del óxido de zinc (ZnO), dióxido de titanio (TiO2), óxido de cobre (CuO), óxido de magnesio (MgO), titanato de estroncio (SrTiO3), nitruro de carbono, grafeno, o similares.
[Superficie en el lado de incidencia de la luz]
En todas las Formas de realización descritas anteriormente, el material calcinado de dióxido de silicio está dispuesto en el lado en el que no ingresa la luz incidente. No existe una razón absoluta para este montaje, y por lo tanto, el material calcinado de dióxido de silicio puede disponerse en el lado en el que ingresa la luz incidente. Aplicabilidad industrial
Según la invención de la presente solicitud, combinando además una celda solar de dióxido de silicio en una configuración en tándem en un recipiente de celda solar de dióxido de titanio, se puede obtener una celda solar que es ventajosa por cuanto puede utilizar luz en toda la región desde la luz ultravioleta a la luz infrarroja en la generación eléctrica.
Números de referencia
1, 7, 11, 17: Sustrato
, 6, 12, 16: Capa conductora transparente
: Material sinterizado de dióxido de titanio poroso
, 14: Electrolito
, 15: Contraelectrodo
, 18: Material de sellado
: Carga externa
0: Material sinterizado de dióxido de titanio poroso sensibilizado con colorante 0: Compacto de partículas de dióxido de silicio
2: Partículas de dióxido de silicio

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Celda solar de dióxido de silicio que tiene dos sustratos (11, 17) que presentan conductividad eléctrica, estando los dos sustratos dispuestos de manera que las respectivas superficies conductoras (12, 16) de los sustratos estén enfrentadas entre sí,
siendo por lo menos uno de los sustratos un sustrato transparente (11) en el lado de incidencia de la luz, y que presenta un compacto de partículas de dióxido de silicio (20) que presenta una capacidad electromotriz y un electrolito (14) dispuestos entre dichos dos sustratos, en la que:
dicho compacto de partículas de dióxido de silicio (20) que presenta una capacidad electromotriz está dispuesto sobre el sustrato (17) de manera que esté enfrentado a dicho sustrato (11) en el lado de incidencia de la luz, con un espacio entre dicho compacto de dióxido de silicio (20) que presenta una capacidad electromotriz y dicho sustrato (11); y
el espacio entre dicho compacto de partículas de dióxido de silicio (20) que presenta una capacidad electromotriz y dicho sustrato (11) en el lado de incidencia de la luz se llena con dicho electrolito (14), caracterizada por que las partículas de dióxido de silicio presentan el diámetro de partícula de 500 nm o menos.
2. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 1, en la que las partículas de dióxido de silicio son partículas de cuarzo sintético.
3. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 1, en la que las partículas de dióxido de silicio son partículas de vidrio de cuarzo fundido.
4. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 1, en la que las partículas de dióxido de silicio son partículas de vidrio no alcalino.
5. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 1, en la que las partículas de dióxido de silicio son partículas de vidrio de borosilicato.
6. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 1, en la que el dióxido de silicio es vidrio de cal sodada.
7. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 1, en la que las partículas de dióxido de silicio se tratan con ácido halohídrico.
8. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 7, en la que el ácido halohídrico es ácido fluorhídrico.
9. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 7, en la que el ácido halohídrico es ácido clorhídrico.
10. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 1, en la que un material sinterizado de dióxido de titanio poroso (3) está dispuesto sobre dicho sustrato (11) en el lado de incidencia de la luz.
11. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 10, en la que el material sinterizado de dióxido de titanio poroso (10) ha adsorbido sobre el mismo un colorante sensibilizante.
12. Celda solar de dióxido de silicio según la reivindicación 10 u 11, en la que entre el material sinterizado de dióxido de titanio poroso (3) y el compacto de partículas de dióxido de silicio (20), se dispone un separador (23) que es permeable al electrolito y que es impermeable al polvo de dióxido de silicio.
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