ITTO20110699A1 - Rivestimento con nanotubi di carbonio per moduli fotovoltaici e relativo procedimento di applicazione - Google Patents

Rivestimento con nanotubi di carbonio per moduli fotovoltaici e relativo procedimento di applicazione Download PDF

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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
“Rivestimento con nanotubi di carbonio per moduli fotovoltaici e relativo procedimento di applicazioneâ€
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce in generale alla produzione di moduli fotovoltaici includenti celle solari di silicio collegate elettricamente.
La tecnologia del silicio é quella dominante per la realizzazione di moduli fotovoltaici e le celle solari attualmente sul mercato sono basate prevalentemente su quella del silicio policristallino.
Le celle solari di silicio policristallino sono meno efficienti rispetto a quelle di silicio monocristallino, ma i relativi costi di produzione sono sensibilmente più bassi. Oggi sul mercato sono disponibili anche celle solari basate sulla tecnologia del silicio amorfo, che funzionano in modo molto simile a quello cristallino sfruttando un drogaggio selettivo di As,P,B e altri elementi che costituiscono la giunzione pn. I moduli fotovoltaici così realizzati sono composti da celle tra loro collegate elettricamente, con la giunzione pn garantita dal silicio. Tipicamente la connessione elettrica fra le celle à ̈ realizzata mediante un cablaggio superficiale con una griglia di materiale conduttore che canalizza gli elettroni. Di norma ogni singola cella viene connessa alle altre mediante nastrini metallici in modo da formare collegamenti elettrici in serie e parallelo.
Per la realizzazione del modulo fotovoltaico si dispongono su un substrato di supporto, realizzato in un materiale isolante con scarsa dilatazione termica come il vetro temperato, un sottile strato di acetato di vinile e quindi la matrice di celle preconnesse mediante i già citati nastrini. Quindi si depositano un secondo strato di acetato ed un materiale trasparente che funge da protezione meccanica per le celle, anche in questo caso in genere à ̈ costituito da vetro temperato. Dopo un procedimento di pressofusione le terminazioni elettriche dei nastrini vengono chiuse in una morsettiera stagna generalmente fissata al substrato di supporto, completando così la struttura a sandwich del modulo fotovoltaico.
La presente invenzione si prefigge lo scopo di semplificare la realizzazione di siffatti moduli fotovoltaici con particolare riferimento alla connessione elettrica delle celle solari di silicio, riducendone i costi e consentendo anche, seppure in via non esclusiva, l'impiego di silicio amorfo anziché policristallino.
Secondo l'invenzione questo scopo viene conseguito grazie all'adozione di un rivestimento di giunzione elettrica fra le celle solari caratterizzato dal fatto di consistere in un film includente un polimero inorganico funzionale ad elevata conducibilità termica incorporante nanotubi di carbonio (CNTs).
Il rivestimento secondo l'invenzione consente di realizzare, in modo relativamente semplice ed economico, una eterogiunzione estesa con un ulteriore doppio vantaggio: le proprietà dei nanotubi di carbonio, più convenientemente (seppure non esclusivamente) del tipo a parete singola o “sinlewalled†(CNTsSW) combinate con il silicio consentono infatti, a parità di giunzione pn, di: - sfruttare il silicio amorfo, che ha costi di produzione decisamente inferiori al silicio policristallino e che può essere evaporato e depositato su substrati diversi e più versatili come la plastica,
- evitare la necessità di dover "drogare" il substrato di silicio, che comporta un processo molto costoso e con forti impatti ambientali in quanto le sostanze "dopanti" sono altamente inquinanti.
Le celle di silicio amorfo e quelle di silicio policristallino presentano peraltro una equivalente sensibilità spettrale, anche se spostata: la prima cade nel visibile, mentre la seconda à ̈ spostata verso l'infrarosso, ove l'intensità dello spettro solare diminuisce.
L'impiego dei CNTsSW in unione con il silicio amorfo si configura quindi come un’importante evoluzione del prodotto modulo o pannello fotovoltaico, sia dal punto di vista progettuale sia dal punto di vista prestazionale, in quanto si configura come un prodotto avente pari prestazioni di quelli tradizionali ma con un costo industriale decisamente inferiore, che lenisce in modo considerevole l'impatto degli investimenti con benefici evidenti sui tempi di ritorno economico dell'investimento.
Secondo una forma preferita di attuazione il rivestimento secondo l'invenzione può presentare, prima della sua polimerizzazione, la seguente composizione in peso:
- monomeri scelti nella classe dei silani organo funzionali: 30%
- ammina (ph>8): 3%
- soluzione di base contenente i nanotubi di carbonio: 6% - acqua: 51%
- tensioattivo: 0,1%
- solvente: 9,9%.
Il concetto che sta alla base di tale formulazione preferita à ̈ quello di ridurre al minimo l'effetto isolante del legante necessario a far aderire al supporto le particelle in nanotubi di carbonio. I leganti tradizionali, infatti, sono costituiti principalmente da molecole organiche che, come le materie plastiche, sono elettricamente isolanti. Per ridurre al minimo questo effetto la formulazione del rivestimento secondo l'invenzione impiega allora i suddetti monomeri di silani organo funzionali che, dopo adeguata cottura, si trasformano in un polimero inorganico dotato di una conducibilità elettrica eccellente e decisamente superiore a quella dei polimeri organici.
Un ulteriore vantaggio derivante dall'impiego del polimero inorganico risiede nell'elevatissima resistenza alla luce solare che evita eventuali variazioni di colore che potrebbero ridurre l'efficienza fotovoltaica dei CNTs, diversamente da qualunque polimero organico che tenderebbe a degradarsi in tempi più o meno lunghi e a perdere le sue proprietà iniziali opacizzando, screpolandosi e riducendo la trasparenza fino a compromettere la giunzione pn.
La concentrazione dei nanotubi di carbonio nella soluzione di base della composizione sarà selezionata in funzione delle doti fotovoltaiche ottimali per un determinato spessore finale del rivestimento: tipicamente, con spessori del film di rivestimento compresi fra 12 e 20 micron, la concentrazione di nanotubi di carbonio nella soluzione di base potrà essere dell'ordine di 10% circa. Tale concentrazione sarà anche funzione del substrato su cui il rivestimento verrà applicato.
Nel caso in cui i nanotubi di carbonio siano CNTsSW, essi saranno convenientemente sonificati con ultrasuoni 200 w/sec e per il tempo necessario ad ottenere una granulometria dell'ordine di 0,2 micron.
Con l'interfaccia di nanotubi di carbonio a parete singola CNTsSW (che costituisce la giunzione etero) sul silicio amorfo si ottengono valori di IPCE (efficienza di conversione della luce incidente in corrente, ovvero rapporto tra i vettori raccolti e il numero di fotoni incidenti) di un fattore 10<5>(100.000) superiori a quelli ottenuti dal substrato di solo silicio amorfo. Inoltre, vi à ̈ uno spostamento verso gli infrarossi nel IPCE grazie alla presenza dei CNTsSW.
Parimenti, applicando un'interfaccia di CNTsSW su silicio cristallino si ottengono, agli effetti dell'IPCE, benefici equivalenti a quelli che si riscontrano nel caso di silicio amorfo. Ciò significa che l'interfaccia CNTsSW porta in ogni caso ad un incremento del valore di IPCE ed ad un beneficio di spostamento dello stesso verso gli infrarossi.
I risultati in termine di trasmissione ottica percentuale a 550nm à ̈ funzione di due parametri fondamentali:
- la concentrazione di CNTsSW nella soluzione di base, - lo spessore del rivestimento sul substrato di supporto.
Per quanto riguarda i monomeri organo funzionali della classe dei silani, questi possono essere più convenientemente selezionati fra:
- silani amminoalchil funzionali,
- silani diammino funzionali
- silani epossi funzionali.
I polimeri inorganici che ne derivano consistono in catene (-Si-O-Si-O-Si-O-)n, con i gruppi funzionali che si aggrappano agli atomi di silicio.
Il procedimento per l'applicazione del rivestimento secondo l'invenzione a celle solari di moduli fotovoltaici comprende convenientemente, a partire dalla composizione di cui si à ̈ detto, le seguenti fasi:
10. Stoccaggio e rilievo della viscosità. La temperatura preferita di stoccaggio à ̈ compresa fra 18 e 22°C, e la viscosità preferita à ̈, in tale campo di temperatura, dell'ordine di 9 secondi/ford.
20. Miscelazione uniforme con agitazione meccanica senza spigolo tagliente per almeno 30 minuti, tipicamente a temperatura compresa fra 18-22°C e a pressione ambiente (rotazione ottimale 200 rpm).
30. Deposizione della miscela sul supporto preparato ed attivo alla ricezione secondo le indicazioni tecniche relative alla tipologia del substrato. La deposizione viene tipicamente effettuata con tecnologia analoga a quella della stampa a getto di inchiostro ("ink-jet print") tramite eiezione piezoelettrica. Questa tecnologia consente un'applicazione estremamente precisa e l’ottenimento di un film di rivestimento di spessore costante. La quantità di miscela applicata à ̈ funzione della concentrazione dei nanotubi di carbonio e dello spessore di erogazione, il cui valore di grammatura di riferimento può essere tipicamente dell'ordine di 17 gr/mq circa. L'erogazione deve normalmente avvenire in camera pressurizzata con temperatura e umidità controllate.
40. Appassimento del rivestimento depositato sul supporto per un tempo variabile ad esempio fra 2 e 3 minuti.
50. Polimerizzazione a circa 220°C per 30 minuti, con gradiente funzione della natura e della massa del substrato su cui il rivestimento à ̈ stato applicato.
Le caratteristiche del film di rivestimento così applicato sono tali da garantire i seguenti effetti vantaggiosi:
- minimo spessore applicativo
- ottima adesione tra rivestimento e basi metalliche, vetrose o termoplastiche (anche senza attivazione)
- ottima resistenza all’abrasione
- ottima resistenza all'azione dei raggi UV-IR (assenza di ingiallimenti od opacizzazioni)
- ottima resistenza agli agenti chimici ed ai prodotti di pulizia (tensioattivi, alcol, ecc.)
- ottima resistenza a variazioni repentine di temperatura e umidità.
Naturalmente i particolari del rivestimento e del procedimento per la sua applicazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione così come definita nelle rivendicazioni che seguono. Così, ad esempio, si può prevedere l’impiego di nanotubi di carbonio a parete multipla anzichà ̈ singola, meno costosi.

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Rivestimento per moduli fotovoltaici includenti celle solari di silicio collegate elettricamente, caratterizzato dal fatto che consiste in un film includente un polimero inorganico funzionale ad elevata conducibilità elettrica e incorporante nanotubi di carbonio.
  2. 2. Rivestimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che, prima della sua polimerizzazione, presenta la seguente composizione in peso: - monomeri scelti nella classe dei silani organo funzionali: 30% - ammina (ph>8): 3% - soluzione di base contenente i nanotubi di carbonio: 6% - acqua: 51% - tensioattivo: 0,1% - solvente: 9,9%.
  3. 3. Rivestimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la concentrazione dei nanotubi di carbonio nella soluzione di base é dell'ordine del 10%.
  4. 4. Rivestimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i monomeri sono selezionati fra silani amminoalchil funzionali; silani diammino funzionali; silani epossi funzionali.
  5. 5. Rivestimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che presenta uno spessore dell'ordine di 12-20 micron.
  6. 6. Rivestimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i nanotubi di carbonio sono a parete singola (CNTsSW)
  7. 7. Rivestimento secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che i nanotubi di carbonio a parete singola (CNTsSW) sono sonificati con ultrasuoni.
  8. 8. Uso di un rivestimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti per l'applicazione a celle solari di silicio amorfo.
  9. 9. Uso di un rivestimento secondo una o più delle rivendicazioni 1 a 7 per l'applicazione a celle solari di silicio policristallino.
  10. 10. Procedimento per l'applicazione di un rivestimento per moduli fotovoltaici secondo una o più delle rivendicazioni 2 a 7, caratterizzato dal fatto che comprende le seguenti operazioni: - predisporre e stoccare la suddetta composizione, rilevandone la viscosità, - miscelare uniformemente la composizione con agitazione meccanica a temperatura e pressione ambiente, - depositare uno strato della composizione sulle celle di silicio, - effettuare un appassimento dello strato della composizione depositata per un tempo variabile fra 2 e 3 minuti, - polimerizzare lo strato della composizione depositata ad una temperatura dell'ordine di 220°C per un tempo dell'ordine di 30 minuti.
  11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che la composizione viene depositata mediante tecnologia di stampa a getto di inchiostro in ambiente pressurizzato con temperatura e umidità controllate per ottenere uno spessore del film sostanzialmente costante, preferibilmente compreso fra 12 e 20 micron.
  12. 12. Procedimento secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che la miscelazione uniforme viene effettuata tramite agitazione meccanica per almeno 30 minuti.
  13. 13. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10 a 12, caratterizzato dal fatto che il rivestimento viene applicato a celle fotovoltaiche di silicio amorfo.
  14. 14. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10 a 12 caratterizzato dal fatto che il rivestimento viene applicato a celle fotovoltaiche di silicio policristallino.
  15. 15. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10 a 14, caratterizzato dal fatto che i nanotubi di carbonio sono a parete singola (CNTsSW).
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