Método de fabricación de dispositivos fotoelectroquímicos regenerativos (RPEC) en una línea de producción,

estando cada uno de ellos depositado sobre un sustrato, y que comprende los pasos siguientes: suministrar una película protectora a partir de una lámina sustancialmente continua; adherir por lo menos uno de los sustratos a la película protectora de manera que se evite el revestimiento de áreas predeterminadas del mismo durante al menos uno de los procesos subsiguientes de fabricación; utilizar las películas protectoras como medios de transporte del sustrato a lo largo de la línea de producción a través de al menos uno de los procesos siguientes de fabricación

Métodos de fabricación de dispositivos mono y multicelda fotoelectroquímicos regenerativos.

Campo técnico

Esta invención se refiere a dispositivos mono y multicelda fotoelectroquímicos fotovoltaicos regenerativos (RPEC), y a los materiales y métodos utilizados en su fabricación.

En los siguientes modelos de patentes norteamericanas se describen ejemplos de celdas RPEC del tipo referido:

Antecedentes de la invención

Las celdas RPEC, como las del tipo revelado en los modelos de patentes anteriores, se pueden fabricar en disposición laminada entre dos sustratos de gran área y sin que suponga un gasto excesivo. Una distribución típica incluye dos sustratos de vidrio que disponen de una cubierta eléctricamente conductora sobre sus superficies interiores. Otra distribución característica se compone del primer sustrato de vidrio o polimérico que emplea una cubierta eléctricamente conductora sobre su superficie interior, siendo el segundo sustrato polimérico. En algunas configuraciones, la superficie interior de dicho segundo sustrato polimérico está revestida con una cubierta eléctricamente conductora, mientras que en otras conformaciones, este segundo sustrato polimérico comprende una hoja laminada polimérica que dispone de un material adyacente eléctricamente conductor como el carbono. Asimismo, en algunas distribuciones, la superficie exterior puede ser una película laminada metálica, y en otras configuraciones, puede estar revestida por un metal. Al igual que la cubierta eléctricamente conductora transparente (TEC) adherida, al menos uno de dichos primer y segundo sustratos es sustancialmente transparente a la luz visible. Las celdas RPEC constan de un fotoánodo, que normalmente comprende una capa de óxido semiconductor nanoporoso sensibilizado con colorante de rutenio (por ejemplo, titania) adherida a una de las cubiertas conductoras, y un cátodo, que generalmente comprende una capa electrocatalítica redox adherida a la otra cubierta conductora o material conductor. Entre el fotoánodo y el cátodo hay un electrolito aislado del medio ambiente y que contiene un mediador redox. Si se utilizan uno o más sustratos poliméricos, el fotoánodo y el cátodo están, por lo general, separados eléctricamente por una capa porosa aislante (por ejemplo, óxidos cerámicos aislantes) o un(os) espaciador(es) (por ejemplo, esferas aislantes). Las cubiertas TEC, que normalmente comprenden uno o varios óxidos metálicos, presentan una alta resistividad cuando se compara con los conductores metálicos habituales, lo que da lugar a que las celdas RPEC de gran área que operan en condiciones de alta irradiación tengan unas pérdidas resistivas elevadas. Uno de los métodos utilizados para minimizar estas pérdidas debidas al funcionamiento bajo dichas condiciones consiste en depositar una o más redes de material eléctricamente conductor que recogen y/o distribuyen los electrones en la celda. Otro método se basa en la conexión en serie de varias celdas RPEC (aquí denominados módulos RPEC) para generar voltajes superiores y minimizar la corriente total. Estas conexiones en los módulos RPEC pueden realizarse externa o interiormente (solicitud internacional PCT/AU00/00190). Para que la conexión en serie interior de celdas RPEC adyacentes sea posible, se debe aislar eléctricamente las áreas seleccionadas de tales cubiertas conductoras, superponer las partes de estas áreas cuando son laminadas, y utilizar las interconexiones que conectan dichas áreas superpuestas y las barreras impermeables al electrolito empleadas para separarlo de las celdas individuales.

En un ejemplo de fabricación de un módulo RPEC se usan dos sustratos de vidrio con cubiertas TEC que se han dividido en zonas eléctricamente aisladas. La parte superior de las áreas seleccionadas de las cubiertas TEC de ambos sustratos son serigrafíadas, respectivamente, con dióxido de titanio (o un semiconductor similar) y una capa electrocatalítica. A continuación, el sustrato revestido con dióxido de titanio (titania) se sumerge en la solución de tinción para revestirla con una capa fina de colorante. Entonces, se depositan tiras de material sellador y conector sobre uno de los sustratos y luego ambos sustratos se unen entre sí. Finalmente, se añade electrolito a las celdas a través de aberturas de acceso de uno de los sustratos que posteriormente se sellan.

En otro ejemplo de fabricación de un módulo RPEC se emplea uno de los sustratos con una cubierta TEC que se ha dividido en zonas eléctricamente aisladas. Sobre áreas seleccionadas del sustrato revestido con la TEC se depositan, por ejemplo mediante serigrafía, capas sucesivas de titania, óxido cerámico aislante, y material catalítico conductor (por ejemplo, basado en carbono) que actúa también de conector. A continuación, el sustrato con revestimiento múltiple se sumerge en la solución de tinción para revestir la capa de titania con una capa fina de colorante. Entonces, se añade electrolito a los espacios interiores de las capas porosas de titania-aislante-catalítica y, finalmente, la cara de sellado de una hoja laminada selladora polimérica y/o metálica se sella al sustrato.

Una de las dificultades que se presentan en la fabricación de celdas y módulos RPEC radica en que cuando el sustrato revestido con óxido semiconductor se expone a la solución de tinción, el colorante no sólo se adsorbe a dicho óxido semiconductor sino también a la cubierta conductora. Análogamente, si se ha aplicado capa selladora al sustrato revestido con óxido semiconductor, su inmersión en la solución de tinción generalmente conlleva a la adsorción del colorante a la superficie de sellado. El colorante adsorbido sobre la cubierta conductora o la capa selladora puede llegar a interferir en la fuerza y/o la permeabilidad de cualquier unión que se haya hecho en estas superficies durante el sellado así como en el rendimiento y la vida de uso de la celda RPEC. Uno de los procesos utilizados para prevenir la adsorción del colorante a la cubierta conductora consiste en revestir áreas relevantes de la misma con una película polimérica, aplicar el colorante al sustrato revestido y, posteriormente, separar la película polimérica dejando, por tanto, una superficie limpia de dicha cubierta preparada para su sellado subsiguiente. En otro proceso, que previene la adsorción del colorante a la cubierta conductora, se emplea una película laminada (por ejemplo, de Surlyn/polipropileno) en la que una de sus caras (por ejemplo, la de la capa de Surlyn) se sella a áreas relevantes de la cubierta conductora, tras lo cual se aplica el colorante al sustrato revestido y, a continuación, se separa la capa superior (por ejemplo, la de polipropileno) dejando, por lo tanto, una superficie polimérica limpia (por ejemplo, la de la capa de Surlyn) lista para su sellado posterior. Este proceso de sellado ulterior puede suponer el uso de material sellador adicional o bien hacerlo directamente en la superficie de sellado, en cuyo caso dicho proceso se realiza en el sustrato de vidrio revestido o en la hoja laminada polimérica como, por ejemplo, de Surlyn/aluminio. Lamentablemente, estos procesos que utilizan películas protectoras son inadecuados y dilatorios y pueden dar lugar a la inestabilidad del rendimiento de la RPEC. Una limitación adicional que se presenta en un proceso continuo de fabricación estriba en que es necesaria, para que sea eficaz, la aplicación automatizada de colorante en el óxido semiconductor, y que preferiblemente se efectúe dentro de un recipiente de poco volumen que puede ser opaco, calorífico, y estar dotado de una atmósfera parcialmente aislada con un bajo contenido en oxígeno.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona un método para la fabricación de dispositivos fotoelectroquímicos regenerativos (RPEC) en una línea de producción, estando cada uno de ellos depositado sobre un sustrato, y que comprende...

1. Método de fabricación de dispositivos fotoelectroquímicos regenerativos (RPEC) en una línea de producción, estando cada uno de ellos depositado sobre un sustrato, y que comprende los pasos siguientes: suministrar una película protectora a partir de una lámina sustancialmente continua; adherir por lo menos uno de los sustratos a la película protectora de manera que se evite el revestimiento de áreas predeterminadas del mismo durante al menos uno de los procesos subsiguientes de fabricación; utilizar las películas protectoras como medios de transporte del sustrato a lo largo de la línea de producción a través de al menos uno de los procesos siguientes de fabricación.

2. El método según la reivindicación 1, en donde comprende un paso de revestimiento de al menos un área seleccionada del sustrato, no solapada con el área predeterminada, con una o más capas del dispositivo.

3. El método según la reivindicación 2, en donde por lo menos una de las capas del dispositivo comprende una capa de óxido semiconductor poroso con banda prohibida ancha.

4. El método según la reivindicación 2, en donde una o más capas del dispositivo comprenden capas porosas de óxido semiconductor con banda prohibida ancha, óxido cerámico aislante, y una capa catalítica conductora.

5. El método según la reivindicación 3 ó 4, en donde uno o más de los procesos de fabricación comprenden los pasos siguientes: aplicar una capa fina de colorante en dicha capa de óxido semiconductor poroso con banda prohibida ancha; añadir el electrolito a los espacios interiores de las capas; sellar el dispositivo mediante la aplicación de una capa selladora sobre todo el sustrato, en donde una capa de la película modelada está pensada para ser unida a la capa selladora que está sobre el área predeterminada.

6. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la película protectora se suministra a la línea de producción a partir de un rollo.

7. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la película protectora se modela constantemente mediante la eliminación de porciones de la misma creándose, por tanto, aberturas, en donde algunas de ellas constituyen zonas de acceso que definen al menos una de las áreas seleccionadas del sustrato.

8. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la película protectora se modela constantemente mediante la eliminación de porciones de la misma creándose, por tanto, aberturas, en donde por lo menos algunas de ellas constituyen medios de engranaje por lo que el paso de transporte del sustrato consiste en el encaje de estos medios de engranaje con unos dientes lográndose la colocación y el engranaje mecánico de la película y, consiguientemente, su transporte a través de uno o más de los procesos de fabricación.

9. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde una de las caras de la película protectora se trata continuamente con agentes promotores de la adhesión para mejorar la adherencia de la cara tratada al sustrato.

10. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el área predeterminada del sustrato se trata continuamente con agentes promotores de la adhesión para mejorar su adherencia a la película modelada.

11. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la película se une al área predeterminada del sustrato utilizando las técnicas de rodillo, rodillo caliente, estampado o estampado en caliente.

12. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el sustrato adherido a la película protectora se transporta a través de una cámara de tinción.

13. El método según la reivindicación 12, en donde el sustrato unido a la película protectora se transporta a través de la cámara de tinción en zigzag o de manera alternativa lo que permite el aprovechamiento eficaz tanto del colorante como del espacio de la cámara.

14. El método según la reivindicación 13, en donde la solución colorante contenida en la cámara de tinción está sometida a agitación.

15. El método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la película protectora es una película combinada, laminada o multicapa (CLM) la cual consta de una primera capa selladora que se dispone adyacente al sustrato, y de una segunda capa protectora.

16. El método según la reivindicación 15, en donde la segunda capa de la película CLM se separa en un proceso continuo, permitiendo que la capa selladora se adhiera al área predeterminada del sustrato.

17. El método según la reivindicación 16, en donde la capa selladora se usa para transportar al sustrato a través de los procesos subsiguientes de fabricación, incluyendo el sellado de esta capa selladora al segundo sustrato.

18. El método según la reivindicación 17, en donde el segundo sustrato comprende un sustrato de vidrio revestido con TEC.

19. El método según la reivindicación 17, en donde el segundo sustrato comprende un sustrato polimérico.

20. El método según la reivindicación 17, en donde el segundo sustrato comprende una hoja polimérica/metálica o un laminado polimérico/metálico/polimérico por lo que parte de la primera capa polimérica de dicho laminado está concebida para ser unida a la capa polimérica adherida al área predeterminada del sustrato.

21. El método según la reivindicación 19 ó 20, en donde el segundo sustrato se suministra a partir de una lámina sustancialmente continua.

22. El método según la reivindicación 21, en donde el segundo sustrato se suministra a partir de un rollo.