ITTO20120581A1 - Dispositivo fotovoltacromico perfezionato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“DISPOSITIVO FOTOVOLTACROMICO PERFEZIONATOâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un dispositivo fotovoltacromico perfezionato.

Come à ̈ noto, un dispositivo fotovoltacromico assolve una prima ed una seconda funzionalità. In particolare, una prima funzionalità consiste nel convertire radiazione elettromagnetica in energia elettrica (funzionalità fotovoltaica); la seconda funzionalità consiste nel variare le caratteristiche cromatiche del dispositivo stesso in seguito a specifici stimoli esterni (funzionalità fotoelettrocromica).

In dettaglio, un dispositivo fotoelettrochimico si basa sull’impiego di un componente in grado di assorbire la radiazione elettromagnetica, noto come fotosensibilizzatore o dye, e di una cella elettrochimica, all’interno della quale avvengono reazioni di ossidoriduzione, in risposta ai suddetti stimoli esterni. Il fotosensibilizzatore à ̈ anche noto, più brevemente, come sensibilizzatore.

Storicamente, gli studi sull’impiego elettrochimico di fotosensibilizzatori organici nel campo del fotovoltaico ebbero un punto di svolta nel 1991, allorché fu pubblicato l’articolo di Brian O’ Regan e Michael Graetzel, “A lowcost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2films†, Nature, 1991, 353, 737-740, in cui veniva proposta per la prima volta una cella solare del tipo cosiddetto “dye-sensitized solar cell†(DSCC).

Un cella DSCC à ̈ formata da un fotoelettrodo mesoporoso, reso sensibile alla luce mediante impiego di un colorante metallorganico, il quale agisce da fotosensibilizzatore. In particolare, il fotoelettrodo mesoporoso, formato da un film di biossido di titanio con spessore dell’ordine dei 10µm - 20µm, presenta un’area superficiale di circa settecento volte superiore rispetto all’area della superficie proiettata, su cui à ̈ depositato.

In uso, la radiazione à ̈ trasformata in energia elettrica mediante una reazione chimica che coinvolge, da una parte, le molecole del colorante di cui à ̈ stata precedentemente “imbevuta†la superficie del film di biossido di titanio e, dall’altra, una soluzione elettrolitica, la quale à ̈ a contatto con il fotoelettrodo e con un controelettrodo di platino, il quale funge da catalizzatore. Le celle DSCC sono quindi classificate come celle fotoelettrochimiche.

Su un’architettura analoga a quella appena descritta si basa anche il primo esempio noto di dispositivo fotoelettrocromico a sensibilizzatore, che fu proposto da C. Bechinger e altri in “Photoelectrochromic windows and displays†, Nature, 1996, 383, pagg. 608–610. Anche questo primo dispositivo fotoelettrocromico impiega un film di ossido di titanio mesoporoso, sul quale viene fatto adsorbire un colorante organico o metallorganico. Relativamente al controelettrodo, il platino originariamente presente nelle celle DSSC con funzione di catalizzatore à ̈ sostituito da uno strato di triossido di tungsteno (WO3), avente proprietà elettrocromiche. In condizioni di illuminazione, gli elettroni generati presso il fotoelettrodo raggiungono lo strato elettrocromico percorrendo un circuito esterno. La soluzione elettrolitica contiene ioni litio, i quali penetrano nella struttura cristallina del controelettrodo, riducendo il tungsteno e causando così l’alterazione dello stato cromatico a seguito di una reazione di ossidoriduzione (“reduction-oxidation†, redox) che conduce alla formazione di composti ternari del tipo LixW1-xO3. La funzionalità elettrocromica à ̈ dunque attivata dalla generazione fotoelettrica, senza bisogno di alimentare elettricamente il dispositivo dall’esterno.

In condizioni di circuito aperto, pur creandosi una fototensione nel fotoelettrodo, non avviene alcun processo elettrochimico che inneschi la colorazione. Inoltre, in assenza di luce e in condizioni di circuito chiuso, ha luogo il fenomeno della decolorazione, dal momento che i cationi precedentemente intercalatisi all’interno della struttura cristallina dell’ossido elettrocromico tendono a ritornare nella soluzione elettrolitica, in risposta allo svuotamento della banda di conduzione dell’ossido mesoporoso formante il fotoanodo.

Nello stato dell’arte dei dispositivi fotoelettrocromici, inoltre, sono note numerose alternative ai materiali elettrocromici inorganici tradizionali; tra tali alternative si annoverano, ad esempio, l’ossido di tungsteno, di nichel, di vanadio, di iridio e di niobio. Inoltre, alcune famiglie di polimeri conduttivi hanno mostrato discrete proprietà elettrocromiche; si citano a titolo di esempio i polipirroli, i polisulfonati ed i politiofeni. Un’ampia bibliografia relativa alle architetture ed alle prestazioni di dispositivi elettrocromici realizzati con materiali innovativi à ̈ stata raccolta da R. Baetens e altri in “Properties, requirements and possibilities of smart windows for dynamic daylight and solar energy control in buildings: A state-of-the-art review†, Solar Energy Materials & Solar Cells, 94, 2010, 87–105.

L’articolo “Fast-switching photovoltachromic cells with tunable transmittance†, di J. Wu, M. Hsieh, W. Liao, W. Wu e J. Chen, ACS Nano, 2009, 8, 2297–2303 descrive invece dispositivo a doppia funzionalità e denominato fotovoltacromico, in quanto in grado di espletare sia la funzionalità fotoelettrocromica, sia la funzionalità fotovoltaica.

Ai fini pratici, l’efficienza di conversione fotovoltaica di questo dispositivo fotovoltacromico à ̈ all’incirca pari a 0.5%. Inoltre, tale dispositivo fotovoltacromico non consente di attivare in maniera indipendente la funzionalità fotovoltaica e quella fotoelettrocromica.

Al fine di superare gli inconvenienti descritti, l’articolo “Highly efficient smart photovoltachromic devices with tailored electrolyte composition†, di Alessandro Cannavale e altri, Energy and Environmental Science, 2011, volume 4, pagg. 2567-2574, propone un dispositivo fotovoltacromico del tipo mostrato in figura 1 ed indicato con 1.

In dettaglio, il dispositivo fotovoltacromico 1 comprende una prima lastra di vetro 2, anche nota come substrato, al di sopra della quale si estende un primo strato conduttivo 4, il quale à ̈ formato da un materiale trasparente conduttivo, quale ad esempio l’ossido di indio drogato con stagno (“indium tin oxide†,ITO), l’ossido di zinco drogato con alluminio (“aluminium zinc oxide†, AZO), l’ossido di stagno drogato con fluoro (“fluorine tin oxide†, FTO), oppure uno degli ossidi genericamente definiti come ossidi trasparenti conduttivi (“transparent conductive oxide†, TCO). Il primo strato conduttivo 4 à ̈ a contatto diretto con la prima lastra di vetro 2; inoltre, il primo strato conduttivo 4 à ̈ diviso in una prima ed una seconda porzione 5a, 5b, le quali sono tra loro separate da una trincea 14 che funge da regione di isolamento elettrico. La prima e la seconda porzione 5a, 5b del primo strato conduttivo 4 sono tra loro ohmicamente disgiunte.

Il dispositivo fotovoltacromico 1 comprende inoltre un controelettrodo 6, il quale si estende al di sopra del primo strato conduttivo 4, con cui à ̈ in contatto diretto, ed include a sua volta una prima ed una seconda regione 10, 12.

La prima regione 10 à ̈ formata da un film di materiale elettrocromico, formato da un ossido elettrocromico a scelta tra l’ossido di tungsteno, l’ossido di nichel, l’ossido di vanadio, l’ossido di iridio, l’ossido di niobio, oppure da un polimero elettrocromico, quali ad esempio i polipirroli, i polisulfonati, i politiofeni, etc. Nel seguito ci si riferisce alla prima regione 10 come alla regione elettrocromica 10. La regione elettrocromica 10 à ̈ a contatto diretto con la prima porzione 5a del primo strato conduttivo 4, alla quale à ̈ sovrapposta, ma non contatta la seconda porzione 5b.

La seconda regione 12 à ̈ complanare alla regione elettrocromica 10 ed à ̈ formata da un materiale che, come descritto nel seguito, svolge una funzione catalizzatrice, pertanto nel seguito ci si riferisce alla seconda regione 12 come alla regione catalitica 12; ad esempio, la regione catalitica 12 può essere formata da platino. La regione catalitica 12 à ̈ a contatto diretto con la seconda porzione 5b del primo strato conduttivo 4, alla quale à ̈ sovrapposta, ma non contatta la prima porzione 5a.

In maggior dettaglio, la regione elettrocromica 10 ha forma, in vista dall’alto, di un quadrato o di un rettangolo; inoltre, la regione catalitica 12 ha forma, in vista dall’alto, di una “C†ed à ̈ disposta in modo tale per cui la concavità definita dalla “C†ospita al proprio interno la regione elettrocromica 10. Grazie alla presenza della trincea 14, la regione elettrocromica 10 e la regione catalitica 12 sono tra loro fisicamente disgiunte.

Il dispositivo fotovoltacromico 1 comprende inoltre una seconda lastra di vetro 20, sovrapposta al, e a distanza dal, controelettrodo 6. Al di sotto della seconda lastra di vetro 20, e a contatto diretto con essa, si estende un secondo strato conduttivo 24, il quale à ̈ formato da un materiale trasparente conduttivo, quale ad esempio ossido di indio o stagno opportunamente drogato.

Al di sotto del secondo strato conduttivo 24, e a contatto diretto con esso, si estende un fotoelettrodo 26, il quale à ̈ formato da uno strato ospite 28 di ossido conduttore quale ad esempio biossido di titanio (TiO2) o ossido di zinco (ZnO) opportunamente drogati, sulla cui superficie sono fatte adsorbire le molecole di un composto chimico di natura organica o metallorganica, il quale funge da sensibilizzatore (non mostrato in figura 1).

Lo strato ospite 28, e dunque anche il fotoelettrodo 26, ha forma, in vista dall’alto, di una “C†. Ancora più in particolare, lo strato ospite 28 ha una forma ed una disposizione tali per cui, in vista dall’alto, esso risulta esattamente sovrapposto alla regione catalitica 12. Pertanto, il fotoelettrodo 26 à ̈ verticalmente allineato con la regione catalitica 12, ma à ̈ lateralmente sfalsato rispetto alla regione elettrocromica 10; in maggior dettaglio, il fotoelettrodo 26 e la regione elettrocromica 10 non risultano neppure in parte sovrapposti.

Il dispositivo fotovoltacromico 1 comprende inoltre un elemento sigillante 30, interposto tra il primo ed il secondo strato conduttivo 4, 24, con i quali à ̈ in contatto diretto. L’elemento sigillante 30 ha forma chiusa, in vista dall’alto, ed assolve la funzione di rendere il primo ed il secondo strato conduttivo 4, 24 solidali tra loro, mediante incollaggio, nonché di definire una camera 32, la quale si estende nell’intercapedine presente tra il primo ed il secondo strato conduttivo 4, 24 ed à ̈ anche nota come cella. All’interno della camera 32 à ̈ presente un mediatore elettronico (non mostrato in figura 1), il quale à ̈ a contatto diretto con il fotoelettrodo 26, con la regione elettrocromica 10 e con la regione catalitica 12.

Il mediatore elettronico, anche noto come elettrolita, può essere formato, ad esempio, da una soluzione elettrolitica comprendente una coppia redox, tipicamente iodio-ioduro, disciolta in un solvente organico. In particolare, lo ioduro può essere presente grazie all’impiego, all’interno della soluzione elettrolitica, di sali di metalli alcalini quali, ad esempio, LiI, NaI, KI, eccetera.

Il mediatore elettronico può essere introdotto nella camera 32 attraverso un foro 34 praticato nella prima lastra di vetro 2 e nel primo strato conduttivo 4.

Il dispositivo fotovoltacromico 1 comprende inoltre un primo ed un secondo collegamento conduttivo 36, 38.

Il primo collegamento conduttivo 36 à ̈ connesso tra il secondo strato conduttivo 24 e la regione catalitica 12. Più in particolare, il primo collegamento conduttivo 36 comprende un primo cammino conduttivo 37a, al cui interno à ̈ presente un primo interruttore 37b. Il primo cammino conduttivo 37a à ̈ connesso, oltre che al secondo strato conduttivo 24, ad una regione di collegamento 42, la quale ha forma a “T†, à ̈ formata di materiale catalizzatore ed à ̈ complanare con la regione catalitica 12, con cui à ̈ in contatto diretto. Il primo cammino conduttivo 37a à ̈ dunque collegato alla seconda porzione 5b del primo strato conduttivo 4, attraverso la regione di collegamento 42.

Il secondo collegamento conduttivo 38 à ̈ connesso tra il secondo strato conduttivo 24 e la prima porzione 5a del primo strato conduttivo 4. In particolare, il secondo collegamento conduttivo 38 comprende un secondo cammino conduttivo 39a, al cui interno à ̈ presente un secondo interruttore 39b. Il secondo cammino conduttivo 39a à ̈ connesso al secondo strato conduttivo 24 ed alla prima porzione 5a del primo strato conduttivo 4, dunque à ̈ collegato alla regione elettrocromica 10.

Grazie alla presenza del primo e del secondo interruttore 37b, 39b, il primo ed il secondo collegamento conduttivo 36, 38 possono essere aperti e chiusi in modo controllabile. Inoltre, sebbene non mostrati in figura 1, il primo ed il secondo collegamento conduttivo 36, 38 comprendono resistori e sistemi di accumulo della carica realizzati secondo criteri e metodi dell’arte nota.

Nel caso in cui il secondo interruttore 39b sia chiuso, per i motivi sopra descritti si stabilisce una differenza di potenziale tra il fotoelettrodo 26 e la regione elettrocromica 10. Pertanto, in presenza di irraggiamento, si verifica un flusso di elettroni dal fotoelettrodo 26 alla regione elettrocromica 10. Una volta raggiunta la regione elettrocromica 10, gli elettroni occupano i livelli energetici liberi del materiale elettrocromico, favorendo l’intercalazione dei cationi presenti nella soluzione elettrolitica. Nel caso in cui la soluzione elettrolitica sia a base di ioduro di litio, i cationi presenti nella soluzione elettrolitica sono ioni litio Li<+>.

Più in particolare, la regione elettrocromica 10 à ̈ formata da un materiale elettrocromico del tipo cosiddetto a coloramento catodico, il quale modifica la propria trasmittanza in seguito alla ricezione di cationi. Infatti, l’intercalazione dei cationi comporta una modulazione della trasmittanza del materiale elettrocromico, causata da una traslazione del picco spettrale di assorbimento del materiale elettrocromico stesso. Tale fenomeno dipende dall’intensità dell’irraggiamento e prosegue fino alla completa saturazione dei siti del materiale elettrocromico disponibili all’intercalazione dei cationi. Pertanto, si verifica una variazione della trasparenza della regione elettrocromica 10.

Il dispositivo fotovoltacromico 1 integra dunque un dispositivo fotoelettrocromico ed una cella fotovoltaica (in particolare, una cella DSSC), i quali condividono il fotoelettrodo 26 ed il mediatore elettronico. In particolare, il mediatore elettronico funge da mediatore redox per lo scambio ionico tra il fotoelettrodo 26 e la regione elettrocromica 10 e la regione catalitica 12. Inoltre, controllando opportunamente il primo ed il secondo interruttore 37b, 39b, à ̈ possibile abilitare/disabilitare singolarmente la funzionalità fotovoltaica e la funzionalità di modulazione della trasmittanza.

In maggior dettaglio, la disposizione della regione elettrocromica 10 e della regione catalitica 12 à ̈ tale per cui il materiale catalizzatore che forma la regione catalitica 12 accelera la cinetica della variazione di trasmittanza del materiale elettrocromico che forma la regione elettrocromica 10. Infatti, dal momento che il materiale catalizzatore catalizza la riduzione dello iodio, esso favorisce contemporaneamente la disponibilità di ioni Li<+>.

Ai fini pratici, dal momento che il fotoelettrodo 26, come detto, non si estende al di sopra della regione elettrocromica 10, la trasparenza del dispositivo elettrocromico 1, e dunque anche la colorazione, dipendono sostanzialmente dalla sola regione elettrocromica 10, la quale occupa tipicamente un’area molto maggiore rispetto alla regione catalitica 12; quest’ultima, inoltre, à ̈ disposta in posizione periferica rispetto alla regione elettrocromica 10. In tal modo, nonostante la regione catalitica 12 sia sostanzialmente opaca, essa non inficia le prestazioni ottiche complessive del dispositivo fotovoltacromico 1. In altre parole, variazioni di trasmittanza della regione elettrocromica 10 incidono in modo sostanziale sulla trasmittanza complessiva del dispositivo fotovoltacromico 1.

Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un dispositivo fotovoltacromico che perfezioni ulteriormente il dispositivo fotovoltacromico secondo l’arte nota.

Secondo l'invenzione, vengono forniti un dispositivo fotovoltacromico ed un processo di fabbricazione come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra un esploso di un dispositivo fotovoltacromico di tipo noto;

- la figura 2 mostra una sezione trasversale di una forma di realizzazione del presente dispositivo fotovoltacromico;

- la figura 3 mostra una sezione del presente dispositivo fotovoltacromico, presa lungo una linea di sezione III-III indicata in figura 2;

- la figura 4 mostra un esploso di porzioni del dispositivo fotovoltacromico mostrato nelle figure 2 e 3;

- le figure 5 e 6 mostrano sezioni trasversali di ulteriori forme di realizzazione del presente dispositivo fotovoltacromico;

- la figura 7 mostra un esploso di porzioni del dispositivo fotovoltacromico mostrato nelle figura 6; e

- le figure 8-13 mostrano schematicamente viste prospettiche di un dispositivo fotovoltacromico, durante fasi successive di un processo di fabbricazione.

La Richiedente ha osservato che, sebbene il dispositivo fotovoltacromico 1 consenta di integrare efficacemente una cella fotovoltaica ed un dispositivo fotoelettrocromico, esso presenta l’inconveniente di non poter garantire una colorazione uniforme. Infatti, nel dispositivo fotovoltacromico 1, la regione elettrocromica 10 si caratterizza per una cinetica di colorazione/decolorazione non uniforme, la velocità di colorazione/decolorazione essendo funzione della distanza dalla regione catalitica 12. In altre parole, porzioni della regione elettrocromica 10 disposte in prossimità della regione catalitica 12 esibiscono variazioni di trasmittanza più rapide rispetto a porzioni della regione elettrocromica 10 poste a distanze maggiori dalla regione catalitica 12.

Ciò premesso, le figure 2 e 3 mostrano un dispositivo fotovoltacromico 50 di tipo perfezionato, il quale viene descritto nel seguito. Componenti già presenti nel dispositivo fotovoltacromico mostrato in figura 1 sono indicati con i medesimi numeri di riferimento, salvo laddove specificato diversamente; inoltre, la seguente descrizione à ̈ limitata alle differenze presenti tra il dispositivo fotovoltacromico 50 ed il dispositivo fotovoltacromico mostrato in figura 1.

In dettaglio, il primo strato conduttivo, qui indicato con 54, definisce una pluralità di strisce di primo supporto 56, formate da un materiale conduttivo trasparente (ad esempio, ossido di indio drogato con stagno o ossido di stagno drogato con fluoro), parallele tra loro e raccordate da una prima regione di raccordo 58 (figure 3 e 4), con cui sono in contatto diretto; in particolare, nell’esempio mostrato nelle figure 2-4, le strisce di primo supporto 56 sono quattro.

In dettaglio, le strisce di primo supporto 56 hanno forma, in vista dall’alto, di rettangoli, i quali hanno larghezza pari a w, misurata lungo una prima direzione x.

Inoltre, coppie di strisce di primo supporto 56 tra loro adiacenti sono distanziate di una distanza d, misurata ancora lungo la prima direzione x.

Al di sopra della prima lastra di vetro 2 à ̈ altresì presente uno strato promotore di adesione 55, formato ad esempio di titanio. In particolare, lo strato promotore di adesione 55 comprende una pluralità di strisce di secondo supporto 57, le quali sono parallele tra loro, sono parallele alle strisce di primo supporto 56 e sono raccordate da una seconda regione di raccordo 59 (figura 4), con cui sono in contatto diretto. Più in particolare, ciascuna striscia di secondo supporto 57 poggia a contatto diretto con la prima lastra di vetro 2, dunque à ̈ alloggiata all’interno di interstizi definiti dalle strisce di primo supporto 56. Ancora più in particolare, ciascuna striscia di secondo supporto 57 ha forma, in vista dall’alto, di un rettangolo, il quale ha una larghezza c, misurata nella prima direzione x, con c<d. In tal modo, ciascuna striscia di secondo supporto 57 risulta interposta tra due corrispondenti strisce di primo supporto 56 tra loro consecutive, rispetto alla quali à ̈ lateralmente sfalsata, in modo tale da non contattarle direttamente.

In maggior dettaglio, il primo strato conduttivo 54 e lo strato promotore di adesione 55 sono fisicamente separati, perciò si verifica che né le strisce di primo supporto 56 contattano la seconda regione di raccordo 59, né le strisce di secondo supporto 57 contattano la prima regione di raccordo 58.

Il controelettrodo, qui indicato con 66, à ̈ formato ancora dalla regione catalitica e dalla regione elettrocromica, qui indicate rispettivamente con 70 e 72. La regione elettrocromica 70 e la regione catalitica 72 sono ancora fisicamente disgiunte. Inoltre, la regione elettrocromica 70 à ̈ formata da un materiale elettrocromico a coloramento catodico, quale ad esempio l’ossido di tungsteno. La regione catalitica 72 à ̈ formata da uno strato di materiale catalizzatore, quale ad esempio il platino.

In particolare, la regione elettrocromica 70 à ̈ formata a sua volta da un numero di strisce elettrocromiche 74 pari al numero di strisce di primo supporto 56. Ciascuna striscia elettrocromica 74 sovrasta una rispettiva striscia di primo supporto 56, con la quale à ̈ a contatto diretto. Più in particolare, ciascuna striscia elettrocromica 74 ha, in vista dall’alto, la medesima forma rettangolare della corrispondente striscia di primo supporto 56. Inoltre, ciascuna striscia elettrocromica 74 à ̈ esattamente sovrapposta alla corrispondente striscia di primo supporto 56.

La regione catalitica 72 à ̈ formata da una pluralità di strisce catalitiche 76. Ciascuna striscia catalitica 76 sovrasta una corrispondente striscia di secondo supporto 57, con la quale à ̈ in contatto diretto. Più in particolare, ciascuna striscia catalitica 76 ha, in vista dall’alto, la medesima forma rettangolare della corrispondente striscia di secondo supporto 57; tale forma rettangolare ha dunque una larghezza pari a c, misurata lungo la prima direzione x. Inoltre, ciascuna striscia catalitica 76 à ̈ esattamente sovrapposta alla corrispondente striscia di secondo supporto 57.

Ad esempio, la larghezza c di ciascuna striscia catalitica 76 può essere compresa tra 10nm e 500um, e preferibilmente tra 1um e 100um.

La larghezza w di ciascuna striscia elettrocromica 74 può essere compresa tra 100nm e 1cm, e preferibilmente tra 10um e 500um.

Preferibilmente, il rapporto c/w à ̈ compreso tra 0.1 ed 1, in funzione dell’utilizzo atteso per il dispositivo fotovoltacromico 50.

In pratica, le strisce catalitiche 76 sono parallele tra loro e sono parallele alle strisce elettrocromiche 74. In particolare, ciascuna striscia catalitica 76 à ̈ alloggiata all’interno di interstizi definiti dalle strisce di elettrocromiche 74. In tal modo, ciascuna striscia catalitica 76 risulta interposta tra due corrispondenti strisce elettrocromiche 74, tra loro consecutive, rispetto alla quali à ̈ lateralmente sfalsata, in modo tale da non contattarle direttamente.

La regione catalitica 72 comprende inoltre una terza regione di raccordo 78, la quale à ̈ a contatto diretto con tutte le strisce catalitiche 76, sovrasta la seconda regione di raccordo 59 ed ha, in vista dall’alto, la medesima forma della seconda regione di raccordo 59; più in particolare, la terza regione di raccordo 78 à ̈ esattamente sovrapposta alla seconda regione di raccordo 59. Ad esempio, la seconda e la terza regione di raccordo 59, 78, come peraltro anche la prima regione di raccordo 58, possono avere, in vista dall’alto, una forma rettangolare.

Più in particolare, assumendo un sistema di riferimento ortogonale formato, oltre che dalla prima direzione x, da una seconda e da una terza direzione y, z e tale per cui la seconda direzione y definisce, insieme alla prima direzione x, un piano xy parallelo alla prima lastra di vetro 2, si ha che le strisce elettrocromiche 74 e le strisce catalitiche 76 sono dirette parallelamente alla seconda direzione y. Inoltre, come mostrato nelle figure 3 e 4, assumendo che l’elemento sigillante 30 abbia, in vista dall’alto, la forma di una superficie quadrata contenente una cavità quadrata, centrata con la superficie quadrata che la contiene, ed assumendo un primo asse P, parallelo alla prima direzione x e passante per il centro geometrico di tale cavità quadrata, si verifica che, in vista dall’alto, la prima e la terza regione di raccordo 58, 78 sono disposte su lati opposti rispetto al primo asse P.

In pratica, la regione elettrocromica 70 e la regione catalitica 72 sono tra loro interdigitate; inoltre, in vista dall’alto, le strisce elettrocromiche 74 e le strisce catalitiche 76 sono racchiuse dall’elemento sigillante 30, il quale à ̈ formato in maniera tale da consentire alla prima, alla seconda ed alla terza regione di raccordo 58, 59 e 78 di protrudere, in vista dall’alto, almeno in parte al di fuori di esso. La prima e la terza regione di raccordo 58, 78 sono in contatto elettrico con, rispettivamente, il secondo ed il primo collegamento conduttivo 36, 38, ed in particolare con, rispettivamente, il secondo ed il primo cammino conduttivo 39a, 37a. Ancora in maggior dettaglio, definendo un secondo asse H, parallelo alla terza direzione z e passante per il centro geometrico della summenzionata cavità quadrata, dunque coincidente con l’asse longitudinale dell’elemento sigillante 30, si verifica che tale secondo asse H passa per il centro geometrico di una prima struttura definita dall’insieme delle strisce elettrocromiche 74, nonché per il centro geometrico di una seconda struttura definita dall’insieme delle strisce catalitiche 76. In altre parole, il secondo asse H à ̈ un asse di simmetria per l’insieme delle strisce elettrocromiche 74 e per l’insieme delle strisce catalitiche 76.

Per quanto concerne il fotoelettrodo, qui indicato con 86, esso à ̈ formato dallo strato ospite, qui indicato con 88, il quale a sua volta à ̈ formato preferibilmente da un ossido conduttivo trasparente nella regione spettrale del visibile, come ad esempio un ossido a scelta tra l’ossido di titanio (TiO2), l’ossido di zinco (ZnO), l’ossido di stagno (SnO2) e l’ossido di niobio (Nb2O5), l’ossido scelto essendo drogato in modo di per sé noto. Più in generale, lo strato ospite 86 può essere formato da una qualsiasi combinazione di suddetti ossidi (drogati), o da qualsiasi combinazione di uno tra suddetti ossidi ed un materiale semiconduttore.

Lo strato ospite 88 à ̈ realizzato in maniera tale da presentare una struttura mesoporosa in grado di offrire un’elevata area superficiale (con un incremento di circa settecento volte rispetto all’area della superficie proiettata). Tale superficie viene resa sensibile all’assorbimento della radiazione solare mediante opportuna funzionalizzazione chimica con un primo sensibilizzatore 90 di tipo molecolare. Il primo sensibilizzatore 90 à ̈ formato da molecole organiche o metallorganiche di per sé note e scelte in funzione delle proprietà desiderate di assorbimento spettrale del dispositivo fotovoltacromico 50.

Lo strato ospite 88 ha ad esempio una forma quadrata, in vista dall’alto, in maniera tale per cui ciascuno dei propri quattro lati contatta un corrispondente lato dell’elemento sigillante 30. In tal modo, il centro geometrico del quadrato definito dalla vista dall’alto dello strato ospite 88 giace lungo il secondo asse H.

Per quanto concerne il mediatore elettronico, qui indicato con 94, esso à ̈ formato da una soluzione elettrolitica contenente una coppia redox, in grado di rigenerare il primo sensibilizzatore 90 ossidatosi a seguito del meccanismo di assorbimento e conversione della radiazione solare; inoltre, il mediatore elettronico 94 contiene cationi alcalini in grado alimentare il meccanismo di coloramento della regione elettrocromica 72.

La coppia redox à ̈ formata ad esempio da ioni I-/I3-, la cui presenza nella soluzione elettrolitica à ̈ determinata dalla dissociazione dello iodio molecolare I2e di uno o più composti molecolari iodurati, questi ultimi essendo anch’essi disciolti nella soluzione. In particolare, la soluzione elettrolitica contiene almeno un composto molecolare iodurato scelto tra: ioduri di metalli alcalini o alcalino-terrosi (ad esempio: LiI, NaI, KI, CsI, CaI2) e ioduri organici, quali ad esempio i composti noti come liquidi ionici iodati. Inoltre, possono essere impiegati composti basati su coppie redox alternative rispetto alla coppia redox I-/I3-; ad esempio, possono essere impiegate coppie redox a base di bromuri o solfuri, o in alternativa a base di composti organici contenenti zolfo, ferrocene o cobalto. In ogni caso, la specie riducente può essere formata da un metallo alcalino o alcalino terroso. In termini più generali, la coppia redox può dunque essere formata da:

- un alogeno, oppure un composto alternativamente a base di zolfo, ferrocene o cobalto; e

- un composto binario contenente un metallo alcalino o alcalino terroso.

Nella forma di realizzazione mostrata in figura 2, lo strato ospite 88, e quindi il fotoelettrodo 86, à ̈ sovrapposto alle strisce elettrocromiche 74, nonché alle strisce catalitiche 76. Ancora più in particolare, lo strato ospite 88 à ̈ verticalmente allineato con la regione catalitica 72 e con la regione elettrocromica 70 (non considerando la terza regione di raccordo 78).

Secondo una differente forma di realizzazione, mostrata in figura 5, il fotoelettrodo 86 à ̈ formato, anziché dallo strato ospite 88, da una pluralità di strisce di prima porzione 87, le quali sono formate del medesimo materiale di cui à ̈ formato lo strato ospite 88, sono parallele tra loro e sono formate al di sotto del secondo strato conduttivo 24, con cui sono a contatto diretto.

Inoltre, le strisce di prima porzione 87 hanno la medesima larghezza c delle strisce catalitiche 76; più in particolare, ciascuna striscia di prima porzione 87 à ̈ verticalmente allineata ad una corrispondente striscia catalitica 76. In tal modo, si ottiene un incremento della trasparenza del dispositivo fotovoltacromico in condizioni di decolorazione (“bleaching†), tale trasparenza dipendendo sostanzialmente dalla dimensione trasversale delle strisce catalitiche 76 e delle strisce di prima porzione 87.

Secondo un’ancora differente forma di realizzazione, mostrata in figura 6, il fotoelettrodo 86 à ̈ formato, oltre che dalle strisce di prima porzione 87, da una pluralità di strisce di seconda porzione 89, le quali sono formate del medesimo materiale di cui à ̈ formato lo strato ospite 88 e sono interdigitate con le strisce di prima porzione 87. In tal caso, le strisce di seconda porzione 89 hanno la medesima larghezza w delle strisce elettrocromiche 74; più in particolare, ciascuna striscia di seconda porzione 89 à ̈ verticalmente allineata ad una corrispondente striscia elettrocromica 74.

Come mostrato in figura 7, in luogo del secondo strato conduttivo 24, sono presenti una prima ed una seconda regione di supporto di fotoelettrodo 85a, 85b, le quali sono tra loro interdigitate, sono fisicamente separate e sono formate del medesimo materiale del secondo strato conduttivo 24.

Le strisce di prima porzione 87 sono a contatto diretto con la prima regione di supporto di fotoelettrodo 85a, dalla quale sono sovrastate. Le strisce di seconda porzione 89 sono a contatto diretto con la seconda regione di supporto di fotoelettrodo 85b, dalla quale sono sovrastate. In tal modo, le strisce di prima porzione 87 sono elettricamente a contatto tra loro; similmente, le strisce di seconda porzione 89 sono elettricamente a contatto tra loro. Tuttavia, le strisce di prima e di seconda porzione 87, 89 sono elettricamente disaccoppiate tra loro. Inoltre, la prima e la seconda regione di supporto di fotoelettrodo 85a, 85b sono collegate rispettivamente al primo ed al secondo cammino conduttivo 37a, 39a. Questa forma di realizzazione consente di ottimizzare le prestazioni dei due circuiti in maniera pressoché disgiunta, dato che il dispositivo fotovoltacromico risulta essere dotato di quattro elettrodi, l’unico elemento condiviso tra i due circuiti essendo il mediatore elettronico. Questa forma di realizzazione consente dunque di controllare in modo veloce, efficace ed indipendente le due funzionalità espletate dal dispositivo fotovoltacromico 50.

Nella forma di realizzazione mostrata in figura 7, le strisce di prima e di seconda porzione 87, 89 possono essere sensibilizzate con sensibilizzatori differenti. Ad esempio, le strisce di prima porzione 87 possono essere sensibilizzate con il primo sensibilizzatore 90, mentre le strisce di seconda porzione 89 possono essere sensibilizzate con un secondo sensibilizzatore 90bis, differente dal primo sensibilizzatore 90. Inoltre, ai fini pratici, la porzione di fotoelettrodo 86 che alimenta il circuito fotovoltaico à ̈ fisicamente ed elettricamente distinta dalla porzione che alimenta il circuito fotoelettrocromico.

Operativamente, i meccanismi chimico-fisici che regolano il funzionamento del dispositivo fotovoltacromico 50 sono i medesimi meccanismi descritti per il dispositivo fotovoltacromico mostrato in figura 1. Tuttavia, la cinetica di colorazione delle strisce elettrocromiche 74 Ã ̈ resa omogenea ed incrementata dalla disposizione geometrica delle strisce catalitiche 76.

A titolo puramente esemplificativo, à ̈ inoltre possibile che il primo sensibilizzatore 90 sia tale da assorbire la radiazione solare in una limitata regione del visibile (ad esempio, tra 420nm e 550nm). Al contempo, il materiale elettrocromico può risultare quasi del tutto trasparente su tutte le lunghezze d’onda dello spettro visibile, quando operante nella configurazione decolorata (“bleached†), cioà ̈ quando il secondo interruttore 39b à ̈ aperto; alternativamente, il materiale elettrocromico può assorbire la radiazione solare nella regione del rosso e del vicino infrarosso (ad esempio, tra 550nm e 900nm), quando operante nella configurazione colorata (“coloured†), cioà ̈ quando il secondo interruttore 39b à ̈ chiuso.

Ancora titolo puramente esemplificativo, à ̈ inoltre possibile che il primo sensibilizzatore 90 assorba la luce nella regione del vicino infrarosso (ad esempio tra 700nm e 1100nm). Al contempo, il materiale elettrocromico può risultare trasparente su tutte le lunghezze d’onda dello spettro visibile quando operante nella configurazione decolorata, cioà ̈ quando il secondo interruttore 39b à ̈ aperto; alternativamente, il materiale elettrocromico può assorbire radiazione solare nella regione visibile (ad esempio tra 400nm e 700nm), quando operante nella configurazione colorata, cioà ̈ quando il secondo interruttore 39b à ̈ chiuso. In tal modo, si ottiene un sistema atto a schermare la radiazione solare.

In generale, la trasmittanza della regione elettrocromica 74 può essere modulata fino ad un massimo circa pari al 90% del valore di trasmittanza misurabile nella configurazione decolorata.

Il dispositivo fotovoltacromico 50 può inoltre essere adoperato per realizzare un modulo fotovoltacromico formato da una pluralità di dispositivi fotovoltacromici, opportunamente collegati ad una utenza elettrica (in serie o in parallelo), al fine di ottenere l’erogazione di potenza elettrica.

Nel caso di moduli fotovoltacromici utilizzati per alimentare utenze isolate dalla rete di distribuzione (“stand-alone†), l’immagazzinamento dell’energia viene realizzato ricorrendo ad un opportuno accumulatore, ad esempio di tipo elettrochimico, di opportuna capacità. Tra il modulo fotovoltacromico e l’accumulatore à ̈ possibile inserire un circuito di controllo in grado di far lavorare il modulo fotovoltacromico nel punto di massima potenza.

Vantaggiosamente, il dispositivo fotovoltacromico 50 può essere realizzato mediante il seguente processo di fabbricazione.

In dettaglio, si predispone (figura 8) uno strato di resist (positivo) 100 al di sopra della prima lastra di vetro 2. Successivamente (figura 9), si predispone una maschera litografica 102 al di sopra dello strato di resist 100, e quindi si esegue una prima esposizione a radiazione ultravioletta.

In seguito (figura 10), si applica un solvente organico, in maniera tale da rimuovere selettivamente le porzioni dello strato di resist 100 non esposte, in precedenza, alla radiazione ultravioletta; le porzioni non rimosse dello strato di resist 100 formano così una maschera di resist 104, la quale definisce una cavità sagomata 105.

Successivamente (figura 11), senza rimuovere la maschera di resist 104, si forma, mediante evaporazione, lo strato promotore di adesione 55 (non visibile in figura 11), all’interno della cavità sagomata 105. Durante tale processo di evaporazione, al di sopra della maschera di resist 104 si forma una prima regione da rimuovere 108. In seguito, senza rimuovere la maschera di resist 104, si forma, mediante un processo di evaporazione del materiale catalizzatore, la regione catalitica 72 (non visibile in figura 11), all’interno della cavità sagomata 105. Durante tale processo di evaporazione, al di sopra della prima regione da rimuovere 108, si forma una seconda regione da rimuovere 110.

La maschera di resist 104 viene quindi rimossa (figura 12), mediante impiego di un solvente chimico quale, ad esempio, acetone; insieme alla maschera di resist 104, vengono rimosse anche la prima e la seconda porzione da rimuovere 108, 110.

In seguito (figura 13), si predispone una maschera di tipo fisico 112, formata ad esempio di un metallo (ad esempio, acciaio), ed alla quale ci si riferisce in seguito come alla maschera metallica 112. Ad esempio, la maschera metallica 112 può avere uno spessore all’incirca pari a 150µm e può essere formata mediante un’operazione di taglio con laser.

Viene quindi formato il primo strato conduttivo 54, mediante evaporazione; successivamente, senza rimuovere la maschera metallica 112, e previa schermatura della prima porzione di contatto 58 si forma la regione elettrocromica 70. In particolare, la maschera metallica 112 Ã ̈ tale per cui il primo strato conduttivo 54 e la regione elettrocromica 70 sono fisicamente disgiunti dallo strato promotore di adesione 55 e dalla regione catalitica 72.

In modo di per sé noto, si rimuove quindi la maschera metallica 112 e si completa la fabbricazione del dispositivo fotovoltacromico 50.

I vantaggi che il presente dispositivo fotovoltacromico consente di ottenere emergono chiaramente dalla descrizione precedente.

In particolare, il presente dispositivo fotovoltacromico si caratterizza per variazioni di trasmittanza che avvengono in modo omogeneo all’interno della regione elettrocromica, senza che la tipica opacità del materiale catalizzatore impatti significativamente sull’aspetto complessivo del presente dispositivo fotovoltacromico. Ciò à ̈ dovuto appunto all’interdigitazione della regione catalitica e della regione elettrocromica, la quale consente inoltre di incrementare l’efficacia in termini di cinetica di colorazione.

L’impiego di un fotoelettrodo di tipo cosiddetto ad area piena (“full-area†) consente inoltre di incrementare le dimensioni della porzione del dispositivo fotovoltacromico deputata alla generazione degli elettroni.

Ancora, il fatto che l’intero fotoelettrodo, e quindi anche il sensibilizzatore, sia disposto al di sopra della regione elettrocromica rende disponibile un ulteriore grado di libertà per la determinazione delle caratteristiche estetico-funzionali del presente dispositivo fotovoltacromico. Infatti, à ̈ ad esempio possibile selezionare un sensibilizzatore in funzione di una prima colorazione desiderata, relativa ad uno stato in cui il secondo collegamento conduttivo à ̈ interrotto. La colorazione indotta dal sensibilizzatore rappresenta così una sorta di valore di polarizzazione della colorazione del dispositivo fotovoltacromico, alla quale si sovrappone una sorta di componente variabile, la quale à ̈ funzione, invece, del materiale elettrocromico scelto per formare la regione elettrocromica, nonché dell’irraggiamento.

Risulta infine evidente che al presente dispositivo fotovoltacromico ed al relativo processo di fabbricazione possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, la strisce catalitiche e le strisce elettrocromiche possono avere forme differenti; inoltre, le strisce catalitiche possono poggiare, invece che sullo strato promotore di adesione, su corrispondenti strisce di primo supporto, oppure possono poggiare direttamente sulla prima lastra di vetro.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo fotovoltacromico (50) comprendente un fotoelettrodo (86) ed un controelettrodo (66), detto controelettrodo comprendendo una regione elettrocromica (70) ed una regione catalitica (72) fisicamente disgiunte; caratterizzato dal fatto che detta regione elettrocromica e detta regione catalitica sono tra loro interdigitate.
2. 2. Dispositivo fotovoltacromico secondo la rivendicazione 1, in cui detto fotoelettrodo (86) Ã ̈ sovrapposto a detta regione catalitica (72).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detta regione catalitica (72) comprende una pluralità di prime strisce (76), e detta regione elettrocromica (70) comprende una pluralità di seconde strisce (74), dette prime strisce avendo una prima larghezza (c), misurata lungo una prima direzione (x), dette seconde strisce avendo una seconda larghezza (w), misurata lungo detta prima direzione, il rapporto tra dette prima e seconda larghezza essendo compreso tra 0,1 ed 1.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto fotoelettrodo (86) comprende una pluralità di terze strisce (87), ciascuna terza striscia essendo sovrapposta ad una corrispondente prima striscia (76).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detto fotoelettrodo (6) comprende inoltre una pluralità di quarte strisce (89), ciascuna quarta striscia essendo sovrapposta ad una corrispondente seconda striscia (74).
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui dette terze strisce (87) sono sensibilizzate con un primo sensibilizzatore (90), e dette quarte strisce (89) sono sensibilizzate con un secondo sensibilizzatore (90bis) differente da detto primo sensibilizzatore.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui in cui dette quarte strisce (89) sono elettricamente disaccoppiate da dette terze strisce (87), e comprendente inoltre: - un primo collegamento elettrico (36) atto a collegare dette terze strisce (87) a detta regione catalitica (72); - un secondo collegamento elettrico (38) atto a collegare dette quarte strisce (89) a detta regione elettrocromica (70); detti primo e secondo collegamento elettrico comprendendo rispettivamente un primo ed un secondo interruttore elettronico (37b,39b) controllabili in modo indipendente.
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un mediatore elettronico (94), il quale à ̈ a contatto diretto con detto fotoelettrodo (86) e detto controelettrodo (66) e contiene una coppia redox formata da: - un alogeno, oppure un composto alternativamente a base di zolfo, ferrocene o cobalto; e - un composto binario contenente un metallo alcalino o alcalino terroso.
9. 9. Dispositivo fotovoltacromico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta regione elettrocromica (70) Ã ̈ formata da un materiale elettrocromico a colorazione catodica.
10. 10. Processo di fabbricazione di un dispositivo fotovoltacromico (50), comprendente le fasi di: - formare un fotoelettrodo (86); e - formare un controelettrodo (66), detta fase di formare un controelettrodo comprendendo formare una regione elettrocromica (70) ed una regione catalitica (72) in modo che siano fisicamente disgiunte; caratterizzato dal fatto che detta fase di formare un controelettrodo comprende formare detta regione elettrocromica e detta regione catalitica in modo che siano tra loro interdigitate.
11. 11. Processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 10, in cui detta fase di formare un controelettrodo comprende: - predisporre una lastra di materiale trasparente (2); - formare una maschera polimerica (104) al di sopra della lastra, la quale definisce una cavità (105); - formare uno strato promotore di adesione (55) al di sopra della lastra, all’interno della cavità; e - formare detta regione catalitica (72), al di sopra di detto strato promotore di adesione.
12. 12. Processo di fabbricazione secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre le fasi di: - rimuovere detta maschera polimerica (104); - predisporre una maschera metallica (112); - formare, mediante impiego di detta maschera metallica, uno strato trasparente conduttivo (54) al di sopra della lastra (2), detto strato trasparente conduttivo essendo fisicamente disgiunto da detto strato promotore di adesione (55) e da detta regione catalitica (72); e - formare, mediante impiego di detta maschera metallica, detta regione elettrocromica (70), al di sopra dello strato trasparente conduttivo.