JP2010524223A - 太陽電池で機能化された表面を有するセラミックタイル - Google Patents
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Abstract
本明細書には、０．５質量％以下の吸水率を有するセラミック基材本体（２）；該セラミック基材本体（２）の第１表面（２ａ）に直接適用された太陽電池（３）；該セラミック基材本体（２）の第２表面（２ｂ）に適用された電気部品及び／または電子部品を含むデバイス（４）；及び該セラミック基材本体（２）を通じて電気部品及び／または電子部品を含む該デバイスに、該太陽電池（３）を電気的に接続するように設計された電気コネクタ（５）、から形成されたタイル（１）が記載される。
Description
本発明は、その表面が太陽電池で機能化されたセラミックタイルに関する。
従来のエネルギー源を発見することに関連する課題の高まりにともない、例えば、太陽エネルギーのような代替エネルギー源の開発に関する研究への注目が高まっている。この関連で、光起電効果を活用してそれによって太陽放射のエネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスが、これまでかなりの期間、作られてきた。
上記の種類のデバイスはまた、それらの技術的特徴によって、官民の建築分野の電気エネルギーの製造に興味深い用途をもたらすと思われる。
本発明の目的は、それらの露出面に太陽電池を備えるセラミックタイルを提供することである。このようにして、建物の外面を被覆するためのタイルを用いることが可能となり、同時に、太陽エネルギーの変換することによって得られた電気エネルギーを建物自体に供給することができる、または電力供給網内に該エネルギーを導入することができる、有効なデバイスを有することが可能となるだろう。
本発明の対象は、少なくとも１つの太陽電池を含むタイルによって構成され、該タイルは、０．５質量％以下の吸水率を有するセラミック基材本体；該セラミック基材本体の第１表面に直接適用された太陽電池；該セラミック基材本体の第２表面に適用された電気部品及び／または電子部品を含むデバイス；及び該セラミック基材本体を通じて電気部品及び／または電子部品を含む該デバイスに、該太陽電池を電気的に接続するように設計された電気コネクタ、を含むことを特徴とする。
好ましい実施態様によれば、該太陽電池は、該セラミック基材本体の該第１表面上に直接配置された導電性材料の層、複数の活性層、及び好ましくは格子状構造を有する導電性材料の層を含み；該複数の活性層が少なくとも連続してｎ型の層、光活性の中間層、及びｐ型の層を含む。
さらに好ましい実施態様によれば、該太陽電池は、該活性層と好ましくは格子状構造を有する該導電性材料の層との間に配置された透明導電層を含む。
図中の１として全体が描かれたものは、本発明の対象を構成するタイルである。
タイル１は、例えば、ＩＳＯ１０５４５−３規格にしたがって測定される、０．５質量％以下の吸水率を規定するような空孔を有するセラミック基材本体２を含む。
タイル１は、セラミック基材本体２の第１表面２ａに適用された太陽電池３；表面２ａの反対側の第２表面２ｂに適用された電気部品及び／または電子部品を含むデバイス４；並びにセラミック基材本体２に形成された穴２ｃ内に収容され、太陽電池３を電気的にデバイス４に接続する電気コネクタ５を含む。
太陽電池３は連続して、表面２ａに直接、接して配置された導電性材料の層６、活性層の複合体７、透明導電性材料の層８；導電材料の好ましくは格子形状の層９；及び透明保護層１０を含む。
特に、活性層の複合体７は、ｎ型の層１１、中間の光活性層１２、及びｐ型の層１３を含む。
次の例で、本発明の対象を構成するタイルの製造方法の２つの例が提供される。
例１
セラミック基材本体２の製造物は、３〜６質量％の湿分を含む必要がある、セラミックタイルに概して用いられるアトマイズセラミック粉の乾式プレスによって得られる。プレスは３５ＭＰａ〜６０ＭＰａの圧力で行われる。プレス操作は、電気部品及び／または電子部品を含むデバイス４を収容するための凹部を表面２ｂ上に形成するダイを用いることができる。
セラミック基材本体２の製造物は、３〜６質量％の湿分を含む必要がある、セラミックタイルに概して用いられるアトマイズセラミック粉の乾式プレスによって得られる。プレスは３５ＭＰａ〜６０ＭＰａの圧力で行われる。プレス操作は、電気部品及び／または電子部品を含むデバイス４を収容するための凹部を表面２ｂ上に形成するダイを用いることができる。
プレス操作によって得られた未処理の基材本体を乾燥して、次いで、１つ以上の穴２ｃを形成する（図には１つだけ示される）。
このように加工した基材本体を１１００℃〜１２５０℃の最高温度にて焼成する工程に送る。このようにして、ＩＳＯ１０５４５−３規格にしたがって測定される、０．５質量％以下の空孔率を有するセラミック基材本体が得られる。
次に、例えばセリグラフ法によって、導電性金属層６が、セラミック基材本体２の表面２ａ上に適用される。導電層６は、例えばＡｇまたはＡｇ−Ａｌの混合物のような金属の層からなることができる。該金属層を圧密化して必要な導電率特性を得るために、用いられる材料によって決まる適切な熱処理を半製品に施す。例えばＡｇ系及びＡｇ−Ａｌ系のセリグラフペーストの場合、該方法は、半製品を５分間、７００℃の温度にさらす急加熱／急冷却の組み合わせ、あるいは５〜２０℃／ｍｉｎの加熱速度にて室温から７００℃の熱処理を行う。堆積した導電層６の焼成後の最終厚みは５〜２０μｍの範囲になるだろう。
ＣＶＤ（化学気相成長）法、好ましくはプラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法によって導電層６上に、約２１０℃の基板の最高温度にて堆積された約３０ｎｍの厚みのｎ型にドープされたアモルファスシリコンの層１１；約２５０℃の基板の最高温度にて堆積された約５８０ｎｍの厚みを有する真性アモルファスシリコンの光活性層１２；及び約２５０℃の基板の最高温度にて堆積された約１５ｎｍの厚みを有するｐ型にドープされたアモルファスシリコンの層１３が、連続して堆積される。
アモルファスシリコンの第２層１３の上面に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）若しくはフッ素ドープした酸化スズ（ＦＴＯ）または他の透明金属酸化物の透明導電層８が堆積される。該堆積を約２５０℃の基板の温度にてスパッタ法によって得て約７５ｎｍの最大厚みを有する層８を得ることができる。
透明導電層８の上面に、好ましくは格子形状の、例えば銀のような、導電性材料の層９が堆積される。層９をセリグラフ法、ドクターブレード法によって、インクジェット印刷工法、スパッタ法によって、または熱蒸発によって堆積することができる。さらに、用いられる材料によって決まる適切な熱処理によって、層９を圧密化することができる。
この時点で、剛性または弾性型の導電性コネクタ５が、先に作られた貫通穴２ｃ内に挿入される。導電コネクタ５を、強固な接着を確保する特別な材料によって、セラミック材料に固定することができる。
剛性型のコネクタは、第１端部にて、表面２ａ上にあり、導電性材料６の層に半田付けされたヘッドを含み、そして表面２ｂに面する第２端部にて、電気及び／または電子デバイス４にスズで半田付けされたピン、あるいは便利なメンテナンスを可能とする電気及び／または電子デバイス４それ自体にナットで固定するように設計されたネジ込み軸、を含むことができる。コネクタ５の特定の構造は、簡潔化のために記載のみ行い、図には例示しない。
太陽電池３の被覆物として、太陽放射に関する高い透過性、耐湿性及び環境因子への耐性、紫外線に対する安定性、並びに電気絶縁性を保証するように設計された、保護透明層１０が用いられる。保護層１０を、低融点のガラス状エナメル、または例えばポリカーボネート若しくはフッ素化ポリマー（例えばポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、またはポリメチルメタクリレート及びポリビニルフルオライドの組み合わせ）のような適切な組成のポリマー層によって構成してもよい。
最後に、表面２ｂ上で、電気部品及び／または電子部品を含むデバイス４が、セラミック基材本体２に形成した凹部内に設置されているコネクタ５に固定される。電気部品及び／または電子部品を含むデバイス４は公知であり、本明細書に詳細には記載しない。
電気部品及び／または電子部品を含むデバイス４は、電気的受動備品の特性を備えて互いに直列または並列にタイルを接続する用途を有して、適切な電力の静電変換器によって、適切に扱うことができる値に利用可能な電圧及び電流を上げて、生成したエネルギーを電力供給網内に導入することができる。別の面では、電気部品及び／または電子部品を含むデバイス４は、ＭＯＳＦＥＴ技術を用いて、ＭＰＰＴ（最大電力点追尾）機能、すなわち日射条件の関数として利用可能な最大電力を供給するための電気条件を規定する機能を提供することができ、そして電力供給網内へのその後の導入、並びに／またはバッテリーへの貯蔵のための直接使用及び／若しくは使用、に好適な特性を有する中間バスに電気条件を伝達することができる。
例２
この第２例において作られたセラミックタイルは、活性層の複合体７の組成及びそれらの製造に関して、例１によって作られたタイルと異なる。
この第２例において作られたセラミックタイルは、活性層の複合体７の組成及びそれらの製造に関して、例１によって作られたタイルと異なる。
特に、１１００℃〜１２５０℃の最高温度にて焼成する工程から得られ、導電層６を含む基材本体は、その後に、４５０℃の温度に加熱される。アルコール水溶液を用いて、チタンの前駆体（Ｋａｖａｎ， Ｌ．， Ｇｒａｔｚｅｌ， Ｍ．， "Ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＴｉＯ2 ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ａｅｒｏｓｏｌ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ"， Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍ． Ａｃｔａ， １９９５， ４０， ５， ６４３−６５２に記載されるような、例えばチタニウム（IV）イソプロポキシドまたはチタニウム（IV）イソプロポキシアセチルアセトネートの溶液）をスパッタ加工することによって、ＴｉＯ2成形体の７０〜１５０ｎｍ、好ましくは１００ｎｍの厚みの層１１がその上に堆積される。このように得られた半製品を、約１時間、５００℃にさらに加熱する。
ＴｉＯ2及びＣｕＩｎＳ2の粉体の混合物からなる活性層１２は、ＴｉＯ2成形体の層１１の頂部に堆積される。活性層１２は、粉体の混合物の単一層（例えばＴｉＯ2粉体が５０質量％及びＣｕＩｎＳ2粉体が５０質量％で構成される）、あるいは例えばＴｉＯ2及びＣｕＩｎＳ2のそれぞれが７０−３０／５０−５０／３０−７０の質量比を有する３層のような複数の層によって構成され得る。活性層を、好ましくはシルクスクリーン印刷工法によって堆積するが、また、例えばドクターブレード法、インクジェット印刷工法、シリコーンローラーを用いた印刷工法、またはスパッタ法のような方法も用いることができる。活性層１２を、用いられる材料の特性によって決まる適切な熱処理によって圧密化することができる。
層（または複数層）の総厚みは好ましくは１〜５μｍである。
上述の方法を用いて、活性層１２の頂部に、０．０８〜０．１２μｍ、好ましくは０．１μｍの厚みを有する純粋なＣｕＩｎＳ2の層１３が堆積される。
この時点で、例１に記載したように、タイルの調製は透明導電層８の堆積を始める。
当業者に明らかになるように、活性層の複合体７の特定の組成が上述のものと異なり得る。特に、ｐ型の層１３は、一般的な実験式（ＩＢ）（ＩＩＩＡ）（ＶＩＡ）2（式中、ＩＢは元素Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕを表し；ＩＩＩＡは元素Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉを表し；ＶＩＡは元素Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅを表す）を有する任意の化合物を用いて形成され得る。
本発明は、例えば、熱的観点から構造物を断熱し、同時に太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するような、省エネルギーに顕著に貢献できるセラミック基材を有するタイルを利用可能にする。
さらに、製造工程が、生産の経済性を全体として最適化するために、セラミック分野に用いられる技術を用いて、製造工程の統合を可能とするような方法で構成される。
Claims (12)
- 少なくとも１つの太陽電池を含むタイル（１）であって、０．５質量％以下の吸水率を有するセラミック基材本体（２）；該セラミック基材本体（２）の第１表面（２ａ）上に直接適用された太陽電池（３）；該セラミック基材本体（２）の第２表面（２ｂ）に適用された電気部品及び／または電子部品を含むデバイス（４）；及び該セラミック基材本体を通じて電気部品及び／または電子部品を含む該デバイス（４）に、該太陽電池（３）を電気的に接続するように設計された電気コネクタ（５）、を含むことを特徴とする、タイル（１）。
- 該太陽電池（３）が、該セラミック支持体（２）の該第１表面（２ａ）上に直接配置された導電性材料の層（６）、複数の活性層（７）、及び好ましくは格子状構造を有する導電性材料の層（９）を含み；
該複数の活性層（７）が連続してｎ型の層（１１）、光活性層（１２）、及びｐ型の層（１３）を含むことを特徴とする、
請求項１に記載のタイル。 - 該太陽電池（３）が、該活性層（７）と該導電性材料の層（９）との間に透明導電層（８）を含むことを特徴とする、請求項２に記載のタイル。
- 該太陽電池（３）が、ガラス状エナメル、ポリカーボネート、フッ素化ポリマー、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、及びポリメチルメタクリレートとポリビニルフルオライドとの組み合わせによって構成される群に含まれる材料の１つから形成される保護層（１０）によって、被覆され、絶縁され、及び封止されていることを特徴とする、請求項３に記載のタイル。
- 該導電性材料の層（６）がＡｇまたはＡｇ−Ａｌによって構成され、該ｎ型の層（１１）がｎ型にドープされたアモルファスシリコンによって構成され、該光活性層（１２）が真性シリコンによって構成され、該ｐ型の層（１３）がｐ型にドープされたアモルファスシリコンによって構成され、該透明導電層（８）がＩＴＯまたはＦＴＯによって構成され、及び導電性材料の層（９）がＡｇによって構成されていることを特徴とする、請求項３または４に記載のタイル。
- 該導電性材料の層（６）が、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ａｇ、Ａｇ−Ａｌ、及びＭｏによって構成される群に含まれる材料によって構成され、該ｎ型の層（１１）がＴｉＯ2成形体によって構成され、該光活性層（１２）がＴｉＯ2と一般的な実験式（ＩＩＩＢ）（ＩＶＡ）（ＶＩＡ）2の化合物との混合物によって構成され、該ｐ型の層（１３）が一般的な実験式（ＩＩＩＢ）（ＩＶＡ）（ＶＩＡ）2の化合物によって構成され、該透明導電層（８）がＩＴＯによって構成され、並びに該導電性材料の層（９）がＡｇによって構成されていることを特徴とし；
ＩＢがＣｕ、Ａｇ、Ａｕによって構成される群に含まれる元素の１つであり；
ＩＩＩＡがＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉによって構成される群に含まれる元素の１つであり；
ＶＩＡがＳ、Ｓｅ、Ｔｅによって構成される群に含まれる元素の１つである、
請求項３または４に記載のタイル。 - 該一般的な実験式（ＩＩＩＢ）（ＩＶＡ）（ＶＩＡ）2の化合物がＣｕＩｎＳ2であることを特徴とする、請求項６に記載のタイル。
- ３質量％〜６質量％の湿分を有するアトマイズセラミック粉が、３５ＭＰａ〜６０ＭＰａの圧力のプレス操作、乾燥操作、及び１１００℃〜１２５０℃の最高温度の焼成操作を連続して受けることによって、セラミック基材本体（２）を得ることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のタイルの製造方法。
- 該セラミック基材本体（２）の表面（２ａ）上への太陽電池（３）の形成工程を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法であって、
該太陽電池（３）の該形成工程が、前もって形成した材料をそれぞれの機能層（６、８、９、１１、１２、１３）を製造するために堆積する、複数の堆積操作を含む、
方法。 - 該堆積操作のそれぞれが、シルクスクリーン印刷、シリコーンローラーを用いた印刷、ドクターブレード技法、インクジェット印刷、またはスパッタリングを含む技法によって得られることを特徴とする、請求項９記載の方法。
- アモルファスシリコンの該活性層（１１、１２、１３）の該堆積操作が、ＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて得られることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- アモルファスシリコンの該活性層（１１、１２、１３）の該堆積操作が、プラズマ強化ＣＶＤまたはラジオ周波数ＣＶＤ法を用いて得られることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
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