PL232041B1 - Enkapsulant warstw aktywnych w ogniwach fotowoltaicznych III generacji - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest enkapsulant warstw aktywnych w ogniwach fotowoltaicznych III generacji zbudowany według technologii DSSC (Dye Sensitized Solar Cells).

Ogniwo fotowoltaiczne jest urządzeniem, które zamienia energię promieniowania słonecznego bezpośrednio w energię elektryczną metodą fotowoltaiczną.

Do ogniw fotowoltaicznych III generacji zaliczane są także ogniwa perowskitowe zbudowane na bazie technologii DSSC, w których jako aktywną warstwę sensyblilizatora stosuje się metaloorganiczne halogenki o strukturze perowskitu na przykład CH3NH3Pbl2, dla którego sprawność wynosi około 20%. Perowskity bowiem podobnie jak krzem pochłaniają światło widzialne o długości od 300-800 nm w taki sposób, że można z nich odzyskać energię elektryczną, przy czym warstwa perowskitu może być dziesięć razy cieńsza od warstwy krzemu i wynosi od 200-300 nm.

Znane jest z publikacji na stronie internetowej http://www.instsani.pl/folowolt.htm ogniwo barwnikowe III generacji (DSSC) zwane ogniwem Gratzela bazujące na procesie fotochemicznym, w którym absorberem jest barwnik na bazie metaloorganicznych kompleksów na przykład rutenu, dobrze pochłaniający promieniowanie słoneczne poniżej 900 nm. Ogniwo to składa się z dwóch równolegle usytuowanych względem siebie płyt szklanych, z których jedna powleczona jest warstwą przewodzącego tlenku metalu - TCO (ang. Transparent Conductive Oxide) oraz warstwą tlenku tytanu (TiO2) z zaadsorbowanym barwnikiem spełniająca funkcję elektrody ujemnej - fotoanody, a druga płyta szklana powleczona również tlenkiem metalu (TCO) oraz warstwą katalityczną platyny (Pt), spełniającą funkcję elektrody dodatniej a pomiędzy nimi znajduje się ciekły elektrolit stanowiący roztwór jodu i jodku potasu, przy czym pomiędzy obu tymi płytami szklanymi z warstwami aktywnymi umieszczona jest warstwa fryty szklanej z kontaktami srebrnymi. W ogniwie tym molekuła barwnika, absorbująca foton ulega wzbudzeniu do wyższego stanu energetycznego na skutek absorpcji fotonu. Wzbudzona molekuła barwnika następnie oddaje elektron do pasma przewodnictwa TiO2. Przekazanie elektronu jest możliwe, ponieważ wzbudzony poziom elektronowy w cząsteczce barwnika znajduje się powyżej dolnej granicy pasma przewodnictwa TiO2. Elektrony wędrują między nanocząsteczkami ditlenku tytanu do szkła z przewodzącą warstwą TCO i przez obwód zewnętrzny do przeciwelektrody. Barwnik regeneruje się przejmując elektron od jonu I^-, a jon ten pozostaje utleniony do I3^-.

Ostatnim etapem jest redukcja powstałego w poprzednim etapie anionu trójjodkowego do jodku elektronem z przeciwelektrody. Układ powraca do stanu równowagi energetycznej i jest gotowy na przyjęcie kolejnego fotonu, aby proces rozpoczął się na nowo.

Zaletą tego typu ogniw uczulanych barwnikiem jest mała wrażliwość na zmiany temperatury, natomiast podstawową ich wadą jest konieczność stosowania ciekłego elektrolitu ograniczającego znacznie żywotność tych ogniw oraz stosunkowo mała ich sprawność dochodząca do 11%.

Z kolei, znane perowskitowe ogniwo fotowoltaiczne zaliczane do ogniw III generacji (DSSC) składa się z dwóch elektrod: fotoanody oraz przeciwelektrody, przy czym materiałem bazowym do wytwarzania tych elektrod jest płyta szklana pokryta warstwą przewodzącą odpowiedniego tlenku metalu (TCO) na przykład cyny (FTO) lub indu (ITO) lub folia przewodząca. Na fotoanodzie naniesiona jest cienka warstwa tlenku tytanu (TiO2), posiadająca strukturę porowatą o bardzo dużym rozwinięciu jej powierzchni. Jednakże mając na uwadze fakt, że ta warstwa TiO2 pochłania małą ilość kwantów światła słonecznego jest ona pokrywana materiałem perowskitowym spełniającym funkcje absorbera promieniowania słonecznego, zdolnego do wychwytywania fotonów w szerokim zakresie spektrum tego promieniowania, przy czym jako materiał perowskitowy stosowane są wspomniane wyżej metaloorganiczne halogenki CH3NH3PN2. Z kolei, przeciwelektrodę tego ogniwa stanowi także szkło TCO (np.: FTO lub ITO) względnie folia z warstwą przewodzącą pokrytą nanokatalityczną warstwą platyny. Obie te elektrody połączone są ze sobą za pomocą enkapsulantu, który niezależnie od pełnionej przez niego funkcji uszczelniacza również zapewniać będzie odpowiedni dystans pomiędzy tymi elektrodami wynoszący od 10 μm do 40 μm, przy czym w przypadku ogniwa fotowoltaicznego barwnikowego III generacji przestrzeń pomiędzy obu elektrodami wypełniona jest ciekłym elektrolitem opartym na parze redox I3^-/I^-.

Dotychczasowe wyniki potwierdzone praktycznym stosowaniem znanych ogniw fotowoltaicznych III generacji zbudowanych także w oparciu o metodę DSSC wykazują, że użyte w ich budowie enkapsulanty nie zapewniają zarówno wymaganej odległości pomiędzy ich elektrodami jak i długookresowej szczelności tych ogniw, a tym samym nie gwarantują ich długiego i bezawaryjnego czasu pracy, zwłaszcza w zmiennych warunkach atmosferycznych. Poza tym stosowany w ogniwach barwnikowych materiał uszczelniający nie zapewnia należytej odporności na kontakt ze składnikami ciekłego elektrolitu,

PL 232 041 B1 które cechują się wysoką reaktywnością i mogą doprowadzić do rozhermetyzowania się ogniwa jak również nie zapewniają trwałej izolacji ścieżek srebrnych, doprowadzających ładunki od elektrolitu zawierającego jony jodkowe, gdyż w przypadku dojścia do kontaktu par redoksowych I3-/I- z metalicznym srebrem tych ścieżek następuje szybka ich korozja, powodująca utratę ich przewodnictwa. Z kolei w przypadku przedostania się wilgoci i tlenu do wnętrza tego ogniwa następuje jego zniszczenie spowodowane degradacją warstw aktywnych, a rozhermetyzowanie ogniwa prowadzi do stopniowego spadku koncentracji nośników ładunku i w konsekwencji do utraty zdolności konwersji fotoelektrycznej.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego enkaspulantu warstw aktywnych w ogniwach fotowoltaicznych III generacji, który pozwoli na wyeliminowanie przytoczonych wyżej wad znanych dotychczas rozwiązań technicznych.

Zgodnie z wynalazkiem enkapsulant warstw aktywnych w ogniwach fotowoltaicznych III generacji składa się z proszku fryty szklanej o ziarnistości d50=0,4-0,5 μm, tlenków krzemu (IV), cyny (IV) i bizmutu (III) o stosunku wagowym SiO2:SnO2:Bi2O3 = (4,0:4,5): (0,8:1,0): (13,0:13,5) oraz z lepiszcza organicznego złożonego z α-terpineolu i etylocelulozy, przy czym stosunek wagowy tej fryty szklanej do α-terpineolu i etylocelulozy wynosi jak (4:5):(3:4):(0,8:1).

Zastosowanie w ogniwie fotowoltaicznym III generacji (DSSC) według wynalazku enkapsulantu w formie pasty drukarskiej o celowo dobranym w wyniku przeprowadzonych wielu prób i badań składu jakościowo-ilościowego w tym proszku szklanego spowodowało:

- zapewnienie żądanego stałego dystansu pomiędzy tymi elektrodami wynoszącego od 10 do 40 μm,

- długotrwałą pewną szczelność tych ogniw,

- trwałą izolację ścieżek srebrnych doprowadzających ładunki elektryczne a także trwałą izolację wnętrza ogniwa od zmiennych warunków zewnętrznych,

- zapewnienie przez ten enkapsulant stabilności na promieniowanie UV i podwyższoną temperaturę nawet do 85°C oraz uzyskanie wytrzymałości mechanicznej zbliżonej do wytrzymałości pojedynczej tafli szklanej.

Ponadto zastosowanie odpowiedniego granulatu fryty szklanej i jego monodyspersyjności okazało się niezawodnym w powolnym procesie spiekania i fusingu, a zastosowana metoda sitodruku do nanoszenia pasty fryty na podłoże TCO zapewniło hermetyczne zamknięcie całej struktury ogniwa. Z kolei zastosowana metoda fusingu spowodowała, że stopione szkło (fryta szklana) zostało całkowicie pozbawione pęcherzy powietrza i mikropęknięć, wykazując przy tym wymagany stopień transparentności i wytrzymałości mechanicznej.

Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w przykładach wykonania składów recepturowych jakościowo-ilościowych enkapsulatu do sporządzania pasty drukarskiej stosowany do pokrywania nią szklanych podłoży ogniw fotowoltaicznych III generacji.

P r z y k ł a d 1

Do sporządzenia enkapsulantu w formie pasty drukarskiej przeznaczonej do pokrywania nią szklanych podłoży TCO ogniw fotowoltaicznych III generacji użyto proszku fryty szklanej o uzia rnieniu d50=0,4 μm i d90=0,8 μm, zawierającej w swym składzie tlenki krzemu (IV), cyny (IV) i bizmutu (III) o stosunku wagowym SiO2:SnO2:Bi2O3 = 4,5:1:13,5 oraz lepiszcza organicznego złożonego z a-terpineolu i etylocelulozy jako rozpuszczalników, przy czym stosunek wagowy tej fryty szklanej do a-terpineolu i etylocelulozy wynosił jak 4:3:0,8. Składniki te wymieszano dokładnie ze sobą uzyskując pastę drukarską, przeznaczoną do pokrywania szklanych podłoży tych ogniw fotowoltaicznych.

P r z y k ł a d 2

Do sporządzenia enkapsulantu w formie pasty drukarskiej przeznaczonej do pokrywania nią szklanych podłoży ITO ogniw fotowoltaicznych III generacji użyto proszku fryty szklanej o uzia rnieniu d50=0,5 μm i d90=1,19 μm, zawierającej w swym składzie tlenki krzemu (IV), cyny (IV) i bizmutu (III) o stosunku wagowym SiO2:SnO2:Bi2O3 = 4:0,8:13,0 oraz lepiszcza organicznego złożonego z a-terpineolu i etylocelulozy jako rozpuszczalników, przy czym stosunek wagowy tej fryty szklanej do a-terpineolu i etylocelulozy wynosił jak 5:4:1. Składniki te wymieszano dokładnie ze sobą uzyskując pastę drukarską, przeznaczoną do pokrywania szklanych podłoży tych ogniw fotowoltaicznych.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Enkapsulant warstw aktywnych w ogniwach fotowoltaicznych III generacji zawierający frytę szklaną znamienny tym, że składa się z proszku fryty szklanej o ziarnistości d5o=O,4-O,5 μηι, tlenków krzemu (IV), cyny(IV) i bizmutu (III) o stosunku wagowym SiO2:SnO2:Bi2C>3= (4,0:4,5): (0,8:1,0): (13,0:13,5) oraz z lepiszcza organicznego złożonego z α-terpineolu i etylocelulozy, przy czym stosunek wagowy tej fryty szklanej do α-terpineolu i etylocelulozy wynosi jak (4,0:5,0):(3,0:4,0):(0,8:1 ).