COMPOSICION FOTOACTIVA QUE COMPRENDE ZEOLITA Y OXIDOS METALICOS SEMICONDUCTORES. USO DE DICHA COMPOSICION Y PROCEDIMIENTO DE PREPARACION DE CELDAS SOLARES QUE LA COMPRENDEN.
Composición fotoactiva que comprende zeolita y óxidos metálicos semiconductores,
uso de dicha composición y procedimiento de preparación de celdas solares que la comprenden.La presente invención se refiere a una composición fotoactiva para ser utilizada en celdas solares sensibilizadas con colorante caracterizada porque dicha composición comprende zeolitas y óxidos metálicos semiconductores, tal como el óxido de titanio. Dicha composición confiere a estas celdas una mejora sustancial tanto en sus propiedades fotovoltaicas como en la estabilidad y la durabilidad de las mismas
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201031036.
Solicitante: FMC FORET S.A..
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: BARCELONA.
Inventor/es: GARCIA GOMEZ,HERMENEGILDO, ARTIGAS PUERTO, RAMON, ATIENZAR CORVILLO,PEDRO, DOMINGUEZ TORRES,ESTHER.
Fecha de Solicitud: 7 de Julio de 2010.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 25 de Mayo de 2011.
Clasificación PCT:
- C01B39/14 QUIMICA; METALURGIA. › C01 QUIMICA INORGANICA. › C01B ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01B 39/00 Compuestos que tienen propiedades de tamices moleculares y de cambiadores de base, p. ej. zeolitas cristalinas; Su preparación; Tratamiento posterior, p. ej. cambio de iones o extracción del aluminio (tratamiento para modificar las propiedades de adsorción o de absorción, p. ej. conformación utilizando un ligante, B01J 20/10; tratamiento para modificar las propiedades catalíticas, p. ej. combinación de tratamientos para hacer a las zeolitas apropiadas para su utilización como catalizador, B01J 29/04; tratamiento para mejorar las propiedades de cambiadores de iones B01J 39/14). › Tipo A.
- C01G23/047 C01 […] › C01G COMPUESTOS QUE CONTIENEN METALES NO CUBIERTOS POR LAS SUBCLASES C01D O C01F (hidruros metálicos C01B 6/00; sales de oxácidos de halógenos C01B 11/00; peróxidos, sales de los perácidos C01B 15/00; tiosulfatos, ditionitos, politionatos C01B 17/64; compuestos que contienen selenio o teluro C01B 19/00; compuestos binarios del nitrógeno con metales C01B 21/06; azidas C01B 21/08; amidas metálicas C01B 21/092; nitritos C01B 21/50; fosfuros C01B 25/08; sales de los oxácidos del fósforo C01B 25/16; carburos C01B 32/90; compuestos que contienen silicio C01B 33/00; compuestos que contienen boro C01B 35/00; compuestos que tienen propiedades de tamices moleculares pero que no tienen propiedades de cambiadores de base C01B 37/00; compuestos que tienen propiedades de tamices moleculares y de cambiadores de base, p. ej. zeolitas cristalinas, C01B 39/00; cianuros C01C 3/08; sales del ácido ciánico C01C 3/14; sales de cianamida C01C 3/16; tiocianatos C01C 3/20; procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; obtención a partir de mezclas, p. ej. a partir de minerales, de compuestos metálicos que son los compuestos intermedios de un proceso metalúrgico para la obtención de un metal libre C21B, C22B; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01G 23/00 Compuestos de titanio. › Dióxido de titanio.
- H01L31/0384 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › comprendiendo otros materiales no monocristalinos, p. ej. partículas semiconductoras incorporadas en un material aislante (H01L 31/0392 tiene prioridad).
Fragmento de la descripción:
Composición fotoactiva que comprende zeolita y óxidos metálicos semiconductores, uso de dicha composición y procedimiento de preparación de celdas solares que la comprenden.
La presente invención se encuentra dentro del sector de las energías renovables, en particular en la transformación de la energía solar en energía eléctrica mediante celdas fotoelectroquímicas, también conocidas como celdas fotovoltaicas.
Más en particular, la presente invención se refiere a una composición fotoactiva para ser utilizada en celdas solares sensibilizadas con colorante caracterizada porque dicha composición comprende zeolitas y óxidos metálicos semiconductores, tal como el óxido de titanio. Dicha composición confiere a estas celdas una mejora sustancial tanto en sus propiedades fotovoltaicas como en la estabilidad y la durabilidad de las mismas. Además, estas celdas solares pueden ser preparadas tanto sobre sustratos rígidos como flexibles.
El estilo de vida actual y el aumento de constante de la población generan una fuerte y creciente demanda energética que debe satisfacerse de manera permanente y fiable. No obstante, en los últimos tiempos también aumenta la preocupación por las limitaciones a largo plazo de las reservas de petróleo y las consecuencias sobre el cambio climático del efecto invernadero, causado por la quema de los combustibles fósiles. En consecuencia, ha aumentado considerablemente el interés por las fuentes de energía limpias, renovables, económicas y al alcance de todos.
En concreto, la energía solar es una de las de mayor atractivo debido a la enorme cantidad de la misma que es irradiada en toda de la superficie terrestre. Considerando todo lo anterior, las células fotovoltaicas constituyen uno de los recursos más prometedores para generar energía eléctrica.
Hasta la fecha la conversión fotovoltaica de radiación solar en electricidad se ha conseguido casi exclusivamente con dispositivos de unión de estado sólido, constituidos normalmente por formas dopadas de silicio cristalino o amorfo. A causa de su alto coste relativo, estos dispositivos no contribuyen significativamente al suministro total de energía.
El creciente conocimiento en el ámbito de la nanotecnología de semiconductores y la disponibilidad de polímeros conductores ha permitido desarrollar dispositivos que pueden proporcionar una conversión fotovoltaica a gran escala y a bajo coste, ya que emplean materiales de pureza media a baja y procesos de elaboración simples. Esta es la base de la célula solar fotoelectroquímica o célula de Grätzel (1), en referencia a su inventor, constituida por un semiconductor nanoestructurado sensibilizado con un colorante.
Este tipo de celdas fotoelectroquímicas contienen un electrolito y su material activo está formado por nanopartículas cristalinas de óxido de titanio, que se encuentran sensibilizadas con un colorante, que tiene la función de maximizar la absorción de la radiación solar. Actualmente, se han dado a conocer valores de eficiencia global por encima del 11%, lo que es un gran paso para su aplicación comercial. Estos valores máximos de eficiencia se consiguen para celdas de superficie inferior a 1 cm2 y en condiciones óptimas de iluminación y preparación. Exactamente el mismo tipo de celdas y preparadas en las mismas condiciones presentan una eficiencia menor cuando la superficie de la celda aumenta o cuando se varia cualquier otra condición de medida ó preparación.
Las principales limitaciones que presentan este tipo de dispositivo, además de su baja eficiencia, es la estabilidad y durabilidad de la respuesta fotoelectroquímica. Típicamente, la eficiencia de la celda fotoelectroquímica decrece con el tiempo de exposición debido principalmente a la degradación del colorante, a la pérdida de electrolito y la corrosión de los electrodos debida al propio electrolito. Esta limitada estabilidad es responsable de que la durabilidad de la actividad fotovoltaica en este tipo de celdas sea insuficiente para algunas aplicaciones.
Por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar materiales que no solo presenten una buena actividad fotovoltaica sino que también confieran una estabilidad a largo plazo para mejorar la implementación de este tipo de celdas.
Un objetivo de la presente invención da a conocer una composición fotoactiva que comprende materiales microporosos, tales como por ejemplo zeolitas, que en combinación con óxidos metálicos semiconductores, comúnmente utilizados en este tipo de celdas, aumenta la estabilidad y la durabilidad de las celdas solares incluso en varias configuraciones de dichas celdas.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 representa un gráfico en el que se muestra la eficiencia normalizada de diferentes celdas fotovoltaicas preparadas utilizando la composición fotoactiva de la presente invención en relación con otras células que no comprenden dicha composición.
Los presentes autores han encontrado de forma sorprendente que una composición fotoactiva que comprende zeolita y óxidos metálicos semiconductores presenta las ventajas mencionadas anteriormente, a pesar de que las zeolitas son fundamentalmente materiales aislantes y su presencia en celdas que comprenden sustancias semiconductores no es obvia para un experto en la materia. Esto es debido a la posible limitación en la actividad fotovoltaica de las celdas debido a la limitación al transporte de cargas que presentan los materiales aislantes de este tipo. Además, el tamaño de partícula de las zeolitas que se emplean en la presente invención puede llegar a ser del orden de las micras, lo que también parece entrar en contradicción con el estado de la técnica para este tipo de celdas, que se basan en el empleo de nanopartículas de mucho menor tamaño.
Sin estar ligados a una teoría en particular, se cree que el empleo de zeolitas en composiciones fotoactivas para celdas solares sensibilizadas por colorantes produce un aumento de la dispersión interna de la radiación solar, lo que se traduce en un mejor aprovechamiento de la radiación. Las zeolitas presentan una gran capacidad de adsorción de agua y de compuestos iónicos, por lo que son capaces de retener el electrolito minimizando las pérdidas de éste debidas a evaporación o sangrado.
Además, los colorantes empleados en este tipo de dispositivos son sensibles al agua. Como consecuencia, la presencia de zeolitas que adsorben y retienen el agua en una fase separada del colorante reduce la posible descomposición e hidrólisis del mismo. Las zeolitas también pueden poseer carácter básico. Este aumento del valor del pH producido por el empleo de zeolita aumenta ligeramente el voltaje de salida de las celdas, ya que el nivel de Fermi de los óxidos metálicos cambia con el pH.
Otro objetivo de la presente invención es dar a conocer el procedimiento de obtención de dicha composición fotoactiva que comprende zeolitas y de celdas fotovoltaicas que comprenden dicha composición. Un objetivo adicional de la presente invención es dar a conocer el uso de este tipo de composición como componente de celdas solares sensibilizadas con colorantes.
Tal como se ha mencionado anteriormente, la presente invención da a conocer una composición fotoactiva para celdas solares sensibilizadas con colorantes que comprende zeolita y óxidos metálicos semiconductores, tales como, sin que constituyan una limitación, óxido de titanio en fase anatasa, óxido de cinc, óxidos de hierro, óxido de níquel, óxido de cerio, óxidos de cobre, o mezclas de los mismos similares. Preferentemente el óxido metálico es óxido de titanio.
También de forma preferente, la zeolita utilizada en la composición fotoactiva de la presente invención es zeolita A, con un tamaño de partícula promedio de 1 micra y con fórmula química Na12(AlO2)12(SiO2)12×27H2O. Además, la zeolita puede ser natural o haber sido modificada previamente o puede contener un electrolito u otro componente que aumenta la actividad fotovoltaica.
La cantidad de zeolita utilizada en la composición fotoactiva de la presente invención varia en función de las características propias de la zeolita. Esta puede variar entre un 5 y un 50% en peso del total de la composición fotoactiva, preferentemente entre un 10 y un 40% en peso, más preferentemente entre un 15% y un 35% y lo más preferente de un 20% en peso del total de la composición fotoactiva.
La composición...
Reivindicaciones:
1. Composición fotoactiva para celdas solares sensibilizadas con colorantes caracterizada porque comprende zeolita A de fórmula Na12(AlO2)12(SiO2)12x27H2 y óxidos metálicos semiconductores.
2. Composición fotoactiva, según la reivindicación 1, caracterizada porque la zeolita A presenta un tamaño de partícula promedio de 1 micra.
3. Composición fotoactiva, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la zeolita A es una zeolita A natural o modificada.
4. Composición fotoactiva, según la reivindicación 3, caracterizada porque la zeolita modificada comprende un electrolito u otro componente que aumenta la actividad fotovoltaica.
5. Composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los óxidos metálicos semiconductores son óxido de titanio en fase anatasa, óxido de cinc, óxidos de hierro, óxido de níquel, óxido de cerio, óxidos de cobre, o mezclas de los mismos.
6. Composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el óxido metálico semiconductor es óxido de titanio en fase anatasa.
7. Composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la zeolita se encuentra en una cantidad de entre el 5% y el 50% en peso del total de la composición fotoactiva.
8. Composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la zeolita se encuentra en una cantidad de entre el 10% y el 40% en peso del total de la composición fotoactiva.
9. Composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la zeolita se encuentra en una cantidad de entre el 15% y el 35% en peso del total de la composición fotoactiva.
10. Composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque una vez aplicada en la celda fotovoltaica presenta una configuración monocapa o multicapa.
11. Composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque una vez aplicada en la celda fotovoltaica presenta una configuración bicapa.
12. Composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en la configuración bicapa la capa base presenta un porcentaje mayor de zeolita, mientras que la capa fotoactiva presenta un porcentaje mayor de óxido metálico semiconductor.
13. Composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se encuentra en forma de pasta.
14. Procedimiento para preparar celdas solares fotovoltaicas que comprenden la composición fotoactiva, según las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque comprende las etapas de:
15. Procedimiento, según la reivindicación 14, caracterizado porque el electrodo transparente conductor está formado por estaño dopado con indio (ITO) o con flúor (FTO).
16. Procedimiento, según las reivindicaciones 14 ó 15, caracterizado porque una vez sellada la celda se deposita una capa de pintura de plata conductora para mejorar el contacto eléctrico.
17. Celda fotovoltaica para la generación de corriente eléctrica a partir de luz solar que comprende una composición fotoactiva según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
18. Uso de una composición fotoactiva, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en la preparación de una celda fotovoltaica para la generación de corriente eléctrica a partir de luz solar.
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