REVESTIMIENTO ENERGÉTICO DESCONTAMINANTE.

Revestimiento energético descontaminante. Campo técnico El objeto de la presente invención, tal como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, hace referencia a un revestimiento energético descontaminante, de tipo fotovoltaico electroquímico, utilizable como célula fotovoltaica translúcida o como recubrimiento de elementos arquitectónicos y/u ornamentales opacos, para la cogeneración de energía eléctrica alternativa y para la purificación del ambiente. Antecedentes de la invención La conversión de la energía luminosa en eléctrica tiene sus antecedentes en los semiconductores; cuando estos se empezaron a fabricar, se observó que si eran expuestos a la luz, se generaba una pequeña corriente eléctrica. La generación de energía eléctrica en una célula fotovoltaica se produce, resumidamente, de la manera siguiente: Un fotón de luz de energía semejante a la que une los electrones al núcleo de un átomo puede ser capaz, cuando es absorbido, de separar al electrón del núcleo, al cual está unido, la distancia suficiente para que este electrón pueda divagar a través de la red cristalina por una zona del espacio entre los átomos en una dirección aleatoria. El lugar que ocupaba el electrón, al quedar vacío representa una carga positiva, la cual también se mueve aleatoriamente por la red. Ambas cargas se dirigen desde la superficie del semiconductor a zonas menos iluminadas, donde la atracción mutua las puede recombinar, manteniéndose el sistema en general en forma de equilibrio. Los materiales donde se da este fenómeno se denominan semiconductores intrínsecos y el ejemplo clásico es el Silicio (Si). Para que exista una corriente eléctrica se necesita de un campo eléctrico que atraiga las cargas generadas por la luz y obligue a esta a dirigirse en sentidos opuestos. Esto se logra uniendo un semiconductor con exceso de electrones e- en su red (a este semiconductor se le llama extrínseco y está dopado con átomos de impurezas con 5 electrones en su banda de valencia, de manera que al incorporarse a la red del semiconductor de Si en este caso, con 4 enlaces, quedaría un electrón descompensado que es fácil de separar de los enlaces y hacerlo mover por el cristal) con otro semiconductor con déficits de electrones ó exceso de huecos h+ (a este semiconductor se le llama extrínseco también y está dopado con átomos como impurezas con 3 electrones en su banda de valencia, de manera que al incorporarse a la red del semiconductor de Si, con 4 enlaces, quedaría un hueco descompensado que es fácil de separar de los enlaces y hacerlo mover por el cristal). En la unión de estos semiconductores n (para el dopado con electrones) y p (para el dopado con huecos) surge una atracción electrostática entre las cargas de sentido opuesto que dirigirá las cargas hacia esa región hasta que las fuerzas se compensen y estabilicen con las de la red restante en el volumen del material. De esta forma, en la unión, se forma una zona de campo eléctrico electrostático, la cual atraerá hacia sí las cargas de sentido contrario y repelará las del mismo sentido. Aquellos fotones procedentes de la fuente de luz con energía adecuada, y que incidan sobre la superficie p, arrancarán electrones que atravesarán la zona de potencial eléctrico y no podrán regresar. En ese momento la capa n adquiere un sobrepotencial sobre la p. Si se conectan unos conductores 2 ES 2 352 407 A1 2 eléctricos a ambas capas y estos alimentan un dispositivo eléctrico consumidor de energía, se iniciará una corriente eléctrica continua. Si bien dichos materiales son los utilizados normalmente para la transformación de la energía luminosa en eléctrica, presentan la desventaja que el coste de procesamiento para la obtención del silicio puro es muy alto e, incluso, contaminante. Hay otro proceso de separación de portadores de carga en un tipo específico de célula solar, donde la misma ocurre por difusión de estos desde las zonas de mayor concentración de portadores a las de menor concentración, siguiendo un gradiente de potencial eléctrico. Este principio es usado en las células fotovoltaicas de tercera generación, las cuales son más económicas y limpio el método de fabricación. A principios de los años 90, Michael Grätzel inventó un nuevo tipo de célula fotovoltaica que, a diferencia de las basadas en uniones PN de semiconductor, la nueva se basa en reacciones de tipo electroquímico. Lo que hace la célula Grätzel, denominada así en honor de su creador, es simular parcialmente el proceso de la fotosíntesis, utilizando para ello algún colorante o pigmento orgánico (cromóforo), ya sea de tipo natural (como jugo de clorofila o tinte de zarzamoras) o ya sea de tipo artificial, como sería, por ejemplo, un complejo de metal de transición. La célula, básicamente consiste en que, sobre un sustrato de vidrio cubierto con una capa conductora, se deposita un semiconductor que, recubierto a su vez con una capa del colorante orgánico (o cromóforo) antes mencionado y ayudado por un electrolito adecuado, tiene por finalidad absorber los fotones de luz para generar pares electrón-hueco y así producir energía eléctrica. En el estado actual de la técnica, las células fotoelectroquímicas Grätzel son regeneradoras, del tipo de interfaz óxido semiconductor-electrolito. Se entiende por célula regeneradora, un dispositivo electroquímico en el que las reacciones de los electrodos son reversibles y se conservan las especies químicas reaccionantes. Se conoce la patente WO 91/16719 de una célula fotoelectroquímica regeneradora, la cual incluye un electrodo de cristal recubierto con una capa conductora, transparente a la luz. Este electrodo dispone, además, de una capa de dióxido de titanio TiO2 que está realizada bajo la forma de una nanoestructura porosa con estructura formada por partículas coloidales fritadas (anatasa) y recubiertas de una capa monomolecular de cromóforos. Este dispositivo incluye un segundo cristal con una capa transparente conductora, el cual se recubre, a su vez, con una fina capa de Platino (Pt) transparente que actúa de catalizador, para formar el contraelectrodo de la célula. Ambos cristales se empaquetan y sellan herméticamente, de forma que entre ambos queda un espacio que a su vez es rellenado con un electrolito, el cual actúa en funciones de agente redox, así como las de intercambiador de electrones y transportador de huecos. Estas células de referencia se conocen por el nombre de células solares sensibilizadas con colorantes, o simplemente por sus siglas en inglés DSSC (Dye Sensitized Solar Cell). Dados los bajos costes de fabricación de estas células fotovoltaicas, se han realizado numerosos estudios de viabilidad con el objetivo de introducirlas en el mercado. Sin embargo, existen una serie de deficiencias que 3 caracterizan este tipo de células y que han limitado su introducción masiva; actualmente, se llevan a cabo muchos trabajos para resolver estos inconvenientes. Uno de los inconvenientes de estos dispositivos actuales consiste en la baja consistencia que presenta la capa activa de TiO2 y en la limitada adherencia que presenta dicha capa con respecto a la superficie del substrato sobre el que se deposita. Otro inconveniente es la limitación de tamaño que presentan estos dispositivos cuando se pretende ampliar el campo de aplicación de los mismos no solo a paneles solares, sino también a piezas, elementos constructivos, estructurales y/u ornamentales de gran tamaño. Otro inconveniente más, que concierne a las células sensibilizadas, es que la componente ultravioleta de la luz solar puede penetrar en la capa activa de TiO 2 a través de la cara expuesta a la luz del electrodo y de la primera capa transparente conductora; esto puede provocar un problema que es la excitación directa de los electrones de la banda de valencia del semiconductor de TiO 2, generándose entonces huecos (h+) muy oxidantes, los cuales influyen en la degradación de los compuestos orgánicos (como los colorantes) y muy acusadamente en la fotodegradación de electrolito, como se ha demostrado en numerosos estudios; unido a esto, la generación de huecos y excitación electrónica directa del semiconductor, como se conoce, favorece el fenómeno indeseable de la recombinación. La presencia de electrones en la banda de conducción del semiconductor por excitación directa de la banda de valencia, puede apagar al sensibilizador, inhibiendo el acto de transferencia electrónica, con la consecuente conversión de la energía de los fotones absorbidos en el colorante, y la consecuente transferencia electrónica a la banda de conducción del semiconductor, en un acto fotónico; este fenómeno favorece entonces el calentamiento celular y reduce la eficiencia del dispositivo. Sería además aconsejable poder aprovechar la capacidad de conversión intrínseca (que tiene el semiconductor)...

1. Revestimiento, a la vez energético y descontaminante, de tipo fotovoltaico electroquímico, utilizable como célula fotovoltaica translúcida, caracterizado esencialmente por estar constituido por una primera capa nanocristalina de semiconductor de banda ancha (1), preferentemente hecha de TiO 2, depositada sobre una unidad generadora a través de una capa intermedia conductora transparente (18) del tipo realizado a base de compuestos químicos tales como FTO, ITO ó AZO. La unidad generadora se compone de un conjunto básico de tres elementos: un electrodo (2, 3, 4, 5 y 6), un electrolito (7) y un contraelectrodo (8, 9 y 10) translúcido. El electrodo está compuesto por un cristal (2) transparente a la luz visible (20), el cual está recubierto por su cara interior con una capa conductora transparente (3) a base de compuestos tales como FTO, ITO ó AZO, una capa de TiO2 compacta transparente (4), una capa nanofotovoltaica de TiO2 (5) con estructura irregular de tipo anatasa, y por último, una monocapa de cromóforo (6) que se deposita sobre la superficie de la capa nanofotovoltaica (5) de TiO2. El contraelectrodo se compone, a su vez, de un cristal (10) transparente a la luz visible (20), el cual se recubre por la cara interior con una capa conductora transparente (9) de las que se conocen en el mercado (tales como FTO, ITO ó AZO) y con una capa transparente de un catalizador (8), tales como el platino Pt, grafito, Ti esponjoso, Oro, Ni ó cualquier otro catalizador adecuado. Exteriormente este cristal se recubre también de una capa transparente conductora (17), la cual a su vez se recubre de una capa nanocristalina de semiconductor de banda ancha (11), preferentemente hecha de TiO 2; la célula se sella herméticamente uniendo los dos cristales (2 y 10) y se le inyecta, en el espacio comprendido entre electrodo y contraelectrodo, un líquido electrolítico adecuado (7). Los extremos de las capas conductoras transparentes (3 y 9) del electrodo y del contraelectrodo, se unen a través de un circuito eléctrico externo de trabajo (16). Los electrones descompensados generados en la primera capa transparente nanocristalina (1) de la célula, son evacuados hacia un circuito polarizado (15) y, desde este, al circuito eléctrico externo de trabajo (16), pasando antes a través de un diodo semiconductor de baja impedancia (14). Con el mismo fin se añade, para la capa transparente nanocristalina (11) de la cara opuesta de la célula, un segundo circuito polarizado (12) y un segundo diodo semiconductor de baja impedancia (13). 2. Revestimiento energético descontaminante, utilizable como recubrimiento de elementos arquitectónicos y/u ornamentales opacos, caracterizado esencialmente por estar constituido por una primera capa nanocristalina de semiconductor de banda ancha (1), preferentemente hecha de TiO2, depositada sobre una unidad generadora a través de una capa intermedia conductora transparente (18) del tipo realizado a base de compuestos químicos tales como FTO, ITO ó AZO. La unidad generadora se compone de un con- ES 2 352 407 A1 18 junto básico de tres elementos: un electrodo (2, 3, 4, 5 y 6), un electrolito (7) y un contraelectrodo (21 y 22) opaco y reflectante. El electrodo está compuesto por un cristal (2) transparente a la luz visible (20), el cual está recubierto por su cara interior con una capa conductora transparente (3) a base de compuestos tales como FTO, ITO ó AZO, una capa de TiO2 compacta transparente (4), una capa nanofotovoltaica de TiO 2 (5) con estructura irregular de tipo anatasa, y por último, una monocapa de cromóforo (6) que se deposita sobre la superficie de la capa nanofotovoltaica (5) de TiO2. El contraelectrodo opaco y reflectante (21 y 22) se compone por un lado, del cuerpo opaco propio del elemento constructivo (22) y, por el otro lado, de una capa metálica (21) de Titanio esponjoso; la célula opaca se sella herméticamente uniendo el cristal (2) con el cuerpo del elemento constructivo (22) y se le inyecta un electrolito adecuado (7); los extremos de las capa conductora transparente (3) del electrodo y de la capa metálica de Ti esponjoso (21) del contraelectrodo, se unen a través de un circuito eléctrico externo de trabajo (16); los electrones descompensados son evacuados a través de la capa intermedia conductora transparente (18) hacia un circuito polarizado (15) y, desde este, al circuito eléctrico externo de trabajo (16), pasando antes a través de un diodo semiconductor de baja impedancia (14). 3. Revestimiento energético y descontaminante, según reivindicación segunda, caracterizado porque la capa metálica conductora y catalizadora de Ti esponjoso (21) puede ser recubierta, a su vez, por otra capa catalizadora de Pt transparente. 4. Revestimiento energético descontaminante, según reivindicaciones segunda y tercera, caracterizado porque, opcionalmente, a cualquier elemento arquitectónico opaco (22) se le depositan los revestimientos descritos en la otra cara, haciendo la célula fotovoltaica bifacial. 5. Revestimiento energético y descontaminante, según reivindicaciones anteriores, donde el recubrimiento se utiliza en interiores de edificaciones, lo que ahorra el consumo energético de las viviendas, por cuanto reaprovecha parte de la energía consumida en la iluminación del interior. Asimismo, en interiores este revestimiento sanea y descontamina el medio ambiente. 6. Revestimiento energético y descontaminante según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, paralelamente al cumplimiento de las funciones como descontaminante, bactericida y autolimpiante el semiconductor, al absorber la componente ultravioleta de la luz, libera en el acto excitones (pares electrón-hueco). Los electrones liberados, durante la realización de estas funciones, están descompensados y libres del campo eléctrico mutuo que los atraen a los huecos generados, momento en el cual son utilizados, mediante su evacuación por los circuitos 12 y 15, para aumentar la eficiencia generadora celular, al sumarse a la corriente del circuito de trabajo 16. ES 2 352 407 A1 11 12 ES 2 352 407 A1 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA