METODOS PARA LA IMPLEMENTACION DEL SELLADO Y LAS CONEXIONES ELECTRICAS A DISPOSITIVOS MONO Y MULTICELDA FOTOELECTROQUIMICOS REGENERATIVOS.

Dispositivo fotoelectroquímico regenerativo (RPEC) que comprende dos sustratos (1,

7, 8), en donde uno o ambos son transparentes y están revestidos con una capa eléctricamente conductora transparente (TEC) (2); una o más capas de un semiconductor poroso con hueco en el ancho de banda (4) aplicadas en un área seleccionada de dicha capa TEC; un electrolito (20) colocado entre dichos dos sustratos (1, 7, 8); al menos un agujero (10) realizado a través de uno o ambos de estos sustratos (1, 7, 8) el cual permite que se establezca(n) la(s) conexión(es) eléctrica(s) exteriores de dicho dispositivo RPEC, caracterizado en que la(s) conexión(es) eléctrica(s) exterior(es) (11, 17) atraviesa(n) lo(s) agujero(s) (10) y establece(n) la(s) conexión(es) eléctrica(s) exterior(es) con dicha capa TEC (2) del sustrato respectivo (1, 7, 8), incluyendo esta(s) conexión(es) eléctrica(s) exterior(es) uno o más conductores eléctricos (11, 17) que están insertados en cada uno de dicho(s) agujero(s) (10), en donde cada uno de los mismos está rellenado con un segundo material eléctricamente conductor o aislante formándose, por tanto, una conexión eléctrica entre dicho(s) conductor(es) eléctrico(s) (11, 17) y dicha capa TEC (2), y un enlace entre lo(s) susodicho(s) conductor(es) eléctrico(s) y los citado(s) sustrato(s) (1, 7, 8) y el sellado de dicho(s) agujero(s) (10)

Métodos para la implementación del sellado y las conexiones eléctricas a dispositivos mono y multicelda fotoelectroquímicos regenerativos.

Campo técnico

Esta invención se refiere a dispositivos mono y multicelda fotoelectroquímicos regenerativos (RPEC), los materiales y los métodos utilizados para establecer las conexiones eléctricas de dichos dispositivos, y los materiales y los métodos empleados para sellar las conexiones y las redes eléctricas en los mismos.

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

US 4927721, Celda fotoelectroquímica (Photoelectrochemical cell); Michael Graetzel y Paul Liska, 1990.

US 55350644, Celdas fotovoltaicas (Photovoltaic cells); Michael Graetzel, Mohammad K Nazeeruddin y Brian O'Regan, 1994.

US 5525440, Celda fotoelectroquímica y método de fabricación (Method of manufacture of photo-electrochemical cell and a cell made by this method); Andreas Kay, Michael Graetzel y Brian O'Regan, 1996.

US 5728487, Celda fotoelectroquímica y electrolito utilizado (Photoelectrochemical cell and electrolyte for this cell); Michael Graetzel, Yordan Athanassov y Pierre Bonhote, 1998.

En la WO 96/29716 A se revela unos dispositivos RPEC planos que incluyen una capa de material eléctricamente conductor transparente (TEC) que sobresale del borde del sellado y las conexiones eléctricas que se realizan en la misma. Este es un ejemplo de una configuración de la técnica anterior que la presente invención pretende mejorar. Dicha configuración ha demostrado ser propensa a sufrir rotura del sellado. Además, la difusión resultante del vapor de agua a través del sellado tiene un impacto adverso en la eficiencia y vida útil de la celda.

La DE 35 29 341 A1 enseña el uso de agujeros para hacer conexiones eléctricas. Sin embargo, estos agujeros no se hacen en las propias celdas sino más bien en una estructura soporte en la que están montadas. Este documento concierne exclusivamente a módulos, es decir, acoplamientos de celdas, y no se refiere a la fabricación de celdas individuales. Además, esta citación sólo concierne a las celdas solares del tipo estado sólido como las basadas en silicio. Estos tipos de celdas no contienen ningún electrolito, el cual se puede perder si se hacen agujeros en los sustratos formados por las mismas.

Antecedentes de la invención

Las celdas RPEC, como las del tipo revelado en las 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 utilizan una cubierta eléctricamente conductora dispuesta sobre la superficie interior de cada sustrato. Otra distribución característica se compone del primer sustrato de vidrio o polimérico que usa una cubierta eléctricamente conductora dispuesta 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 otra conformación, este segundo sustrato polimérico comprende una hoja laminada polimérica que utiliza un material adyacente eléctricamente conductor como el carbono. Asimismo, en algunas distribuciones, la superficie exterior puede ser una película laminada metalizada, 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 (por ejemplo, dióxido de titanio conocido como 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 que contiene un mediador redox, estando este electrolito aislado del medio ambiente.

Muchos de los diseños de módulos y monoceldas RPEC serían ventajosos si se incrementase el tamaño de las celdas RPEC individuales. No obstante, dichas 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 tengan unas pérdidas resistivas elevadas, afectando a la eficiencia del dispositivo RPEC y, en especial, en condiciones de alta irradiación.

Estas pérdidas pueden reducirse utilizando un modelo de material eléctricamente conductor (ECM) en la forma de barras colectoras, almohadillas, rejillas lineales o cualquier otro modelo en la(s) cubierta(s) TEC. La conducción de electrones por dentro y por fuera de las celdas RPEC por medio del material eléctricamente conductor normalmente requiere atravesar el sellado de dichas celdas por el material eléctricamente conductor. Esta penetración con frecuencia presenta dificultades en lo que respecta al mantenimiento del sellado hermético de dichas celdas.

Los criterios predominantes de selección del material eléctricamente conductor depositado sobre las cubiertas TEC son costosos y la conductividad es baja ya que, por lo general, el material seleccionado reacciona químicamente con el electrolito de las celdas RPEC. Aunque este problema se pueda resolver aplicando un sellador sobre el material eléctricamente conductor, la efectividad de este sellado está frecuentemente comprometido por la rugosidad y/o la porosidad superficial de las cubiertas conductoras, en especial, con respecto a las cubiertas TEC. La incapacidad del sellador de rellenar completamente la rugosidad y/o los poros de la superficie de las cubiertas conductoras, en especial, en lo referente a las cubiertas TEC, puede conducir a la corrosión del material eléctricamente conductor, y/o a la degradación del electrolito reduciendo, por tanto, el rendimiento de las celdas.

Objetos de la invención

Es un objeto de esta invención proporcionar los materiales y los métodos para establecer las conexiones eléctricas que se van a utilizar en las celdas y módulos RPEC los cuales resolverán los inconvenientes de la técnica anteriormente citados. Es un objeto adicional de esta invención proporcionar los materiales y los métodos para el sellado hermético del material eléctricamente conductor en las celdas y módulos RPEC los cuales superarán las mencionadas desventajas de la técnica.

Explicación de la invención

Esta invención ha previsto las conexiones eléctricas que se van a realizar en dicha cubierta eléctricamente conductora (incluyendo TEC) y/o dicho material eléctricamente conductor (ECM) por medio de agujeros en uno o ambos sustratos eliminándose, por lo tanto, la necesidad de que la cubierta y/o el material eléctricamente conductor mencionados atraviesen el sellado hermético de las celdas y módulos RPEC.

Esta invención ha previsto también depositar sobre dicha TEC una red del citado material eléctricamente conductor con una capa inferior de material protector para sellar la superficie de la TEC y con una capa de recubrimiento de material protector. El grosor de la capa inferior y, como consecuencia, la longitud de paso de la conducción eléctrica en la misma es despreciable en comparación con la del material eléctricamente conductor. El material seleccionado para la capa inferior es químicamente inerte hacia el electrolito de las celdas RPEC. La red de dicho material eléctricamente conductor es particularmente ventajosa para captar y distribuir eficientemente los electrones en las celdas RPEC.

Con el fin de maximizar la exposición a la luz de las celdas solares y minimizar costes, es de particular importancia minimizar el área superficial revestida por los modelos de dichos ECM. Se ha invertido un esfuerzo significativo a la hora de diseñar modelos de material eléctricamente conductor que minimicen tanto dichos costes de material como dicha área superficial revestida. Una particularidad de esta invención es que dichas conexiones eléctricas se pueden hacer en cualquier lugar apropiado lo que proporciona un amplio rango de flexibilidad en este diseño de modelo y, por tanto, una gran variedad de conformaciones del dispositivo. Por ejemplo, una conformación con un diseño de barra de conexión...

1. Dispositivo fotoelectroquímico regenerativo (RPEC) que comprende dos sustratos (1, 7, 8), en donde uno o ambos son transparentes y están revestidos con una capa eléctricamente conductora transparente (TEC) (2); una o más capas de un semiconductor poroso con hueco en el ancho de banda (4) aplicadas en un área seleccionada de dicha capa TEC; un electrolito (20) colocado entre dichos dos sustratos (1, 7, 8); al menos un agujero (10) realizado a través de uno o ambos de estos sustratos (1, 7, 8) el cual permite que se establezca(n) la(s) conexión(es) eléctrica(s) exteriores de dicho dispositivo RPEC, caracterizado en que la(s) conexión(es) eléctrica(s) exterior(es) (11, 17) atraviesa(n) lo(s) agujero(s) (10) y establece(n) la(s) conexión(es) eléctrica(s) exterior(es) con dicha capa TEC (2) del sustrato respectivo (1, 7, 8), incluyendo esta(s) conexión(es) eléctrica(s) exterior(es) uno o más conductores eléctricos (11, 17) que están insertados en cada uno de dicho(s) agujero(s) (10), en donde cada uno de los mismos está rellenado con un segundo material eléctricamente conductor o aislante formándose, por tanto, una conexión eléctrica entre dicho(s) conductor(es) eléctrico(s) (11, 17) y dicha capa TEC (2), y un enlace entre lo(s) susodicho(s) conductor(es) eléctrico(s) y los citado(s) sustrato(s) (1, 7, 8) y el sellado de dicho(s) agujero(s) (10).

2. El dispositivo RPEC según la reivindicación 1, que además comprende un modelo del primer material eléctricamente conductor (ECM) (9, 12) depositado en la capa TEC (2), que recubre lo(s) agujero(s) (10) del sustrato (1, 7, 8) pero deja expuesta el área seleccionada de dicha capa TEC (2); en donde estas conexiones eléctricas exteriores (11, 17) se establecen en dicho modelo de ECM (9, 12).

3. El dispositivo RPEC según la reivindicación 2, en donde dicho ECM (9, 12) consta de una o más películas delgadas o gruesas de conductores eléctricos, cintas eléctricas, almohadillas metálicas o alambres eléctricos (11, 17) que están unidos a y en contacto eléctrico con la susodicha capa TEC (2).

4. El dispositivo RPEC según la reivindicación 2 ó 3, que además comprende un material protector (14) que se aplica sobre dicho primer material eléctricamente conductor (9, 12) para protegerlo del electrolito de dicha celda RPEC.

5. El dispositivo RPEC según la reivindicación 4, que además incluye una capa protectora eléctricamente conductora (13) dispuesta entre la capa TEC (2) y dicho ECM (12).

6. El dispositivo RPEC según la reivindicación 2, en donde la cubierta de ECM (9, 12) está extendida para revestir todas o parte de las superficies interiores de dicho(s) agujero(s) (10).

7. El dispositivo RPEC según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha área seleccionada de esta capa TEC (2) está provista de uno de los sustratos (1), estando lo(s) agujero(s) (10) en el otro sustrato (1, 7).

8. El dispositivo RPEC según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos conductores eléctricos (11, 17) están revestidos parcialmente con una capa eléctricamente aislante.

9. El dispositivo RPEC según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos conductores eléctricos (11, 17) están revestidos parcialmente con una capa protectora para prevenir la corrosión del conector eléctrico.

10. El dispositivo RPEC según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde una o más de dichas capas de semiconductor poroso con hueco en el ancho de banda (4) están sensibilizadas con un colorante.