Vidrios de alta transmitancia, procedimiento de obtención y aplicaciones fotovoltaicas.
Vidrios de alta transmitancia, procedimiento de obtención y aplicaciones fotovoltaicas.
La presente invención describe un vidrio que presenta la siguiente composición (porcentajes expresados en % en peso respecto al peso total de la composición): 60 - 80 % de SiO2; 10 - 20 % de Na2O; 5 - 15 % de CaO; 0,01 - 5 % de Al2O3; 0,01 - 1 % de SO3; 0,01 - 5 % de MgO; 0,01 - 5 % de Bi2O3 y/o CeO2 y 0,01 - 6 % de uno ó más aditivos seleccionados del grupo formado por Eu2O3, Pr6O11, Yb2O3, Er2O3 y Al2O3:Cr2O3. La presente invención describe asimismo un procedimiento para su obtención a partir de materia prima o vidrio reciclado, y sus aplicaciones en paneles fotovoltaicos.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201200258.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE CANTABRIA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: RODRIGUEZ GONZALEZ,FERNANDO, GOMEZ SALCES,Susana, VALIENTE BARROSO,Rafael, BARREDA ARGÜESO,José Antonio.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- C03C3/095 QUIMICA; METALURGIA. › C03 VIDRIO; LANA MINERAL O DE ESCORIA. › C03C COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS VIDRIOS, VIDRIADOS O ESMALTES VÍTREOS; TRATAMIENTO DE LA SUPERFICIE DEL VIDRIO; TRATAMIENTO DE LA SUPERFICIE DE FIBRAS O FILAMENTOS DE VIDRIO, SUSTANCIAS INORGÁNICAS O ESCORIAS; UNIÓN DE VIDRIO A VIDRIO O A OTROS MATERIALES. › C03C 3/00 Composiciones para la fabricación del vidrio (cargas de mezclas vitrificables C03C 6/00). › que contienen tierras raras.
- C03C4/10 C03C […] › C03C 4/00 Composiciones para vidrio con propiedades particulares. › para vidrio transparente a los infrarrojos.
- H01L31/042 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). › Módulos fotovoltaicos o conjuntos de células individuales fotovoltaicas (las estructuras de soporte de los módulos fotovoltaicos H02S 20/00).
Fragmento de la descripción:
Vidrios de alta transmitancia, procedimiento de obtención y aplicaciones fotovoltaicas.
Campo de la técnica
La presente invención se refiere a nuevos vidrios con composiciones que comprenden aditivos que proporcionan simultáneamente protección a la radiación y mejoran el rendimiento fotovoltaico de células solares en las que encuentran aplicación así como a su procedimiento de obtención. Estos nuevos vidrios pueden ser utilizados tanto en los sectores de producción de energía solar como de la edificación.
Estado de la técnica
Los vidrios de alta transmitancia son habitualmente utilizados como protección de dispositivos emplazados en lugares sujetos a condiciones ambientales diversas. Los paneles fotovoltaicos de producción de energía eléctrica lo utilizan como escudo protector con objeto de prolongar su vida útil. El uso de estos vidrios presenta varios inconvenientes relativos a su envejecimiento por irradiación prolongada (solarización) y a la pérdida de energía de radiación incidente por reflexión.
En la actualidad no existen soluciones que mitigando los efectos de solarización, incrementen la transmisividad óptica y permitan la conversión energética de la radiación ultravioleta e infrarroja en luz visible de forma integrada en un mismo vidrio.
La búsqueda de soluciones a estos problemas se ha abordado modificando la composición de los vidrios con aditivos absorbentes de radiación ultravioleta para minimizar el efecto de la solarización (US 2010-0108914) . Sin embargo, estas soluciones normalmente acarrean una disminución de la transmitancia óptica que va en detrimento del rendimiento fotovoltaico de las células solares. Otra estrategia seguida para aumentar la eficiencia fotovoltaica es el uso de pigmentos luminiscentes incorporados en la superficie del vidrio (CN201773856) o directamente incorporados en materiales vitrocerámicos (CN101618945) , capaces de absorber la radiación ultravioleta o infrarroja y transformarla por diversos mecanismos de conversión de fotones de baja energía en fotones de alta energía (upconversion) o viceversa, un fotón de alta energía en fotones de menor energía (downconversion) y luminiscencia directa en radiación visible apta para producir energía fotovoltaica.
Los paneles fotovoltaicos comerciales más utilizados hoy en día están constituidos por células de silicio amorfo, policristalino o monocristalino en orden creciente de eficiencia fotovoltaica, así como otras alternativas basadas en composiciones tipo CdTe y CulnGaSe2 (CIGS) . La célula fotovoltaica presenta su máximo rendimiento a la radiación solar con longitudes de onda comprendidas entre 400 nm y 1100 nm para el silicio cristalino, entre 400-730 nm para el silicio amorfo y en un rango intermedio para los otros semiconductores. Por ello, las soluciones que mejoren el rendimiento fotovoltaico se han de encaminar a aumentar la transmitancia óptica del vidrio en este rango espectral.
El principal problema que presenta la incorporación de pigmentos o aditivos en el vidrio para aumentar el rendimiento fotovoltaico de las células solares es la transformación que éstos pueden experimentar durante la síntesis del vidrio. Aditivos o pigmentos que son eficientes fuera del vidrio se transforman al incorporarlos en éste provocando el efecto contrario al buscado: disminución de la calidad óptica del vidrio con disminución de la transmitancia, pérdida de luminiscencia, degradación por solarización, etc. La selección de aditivos es crítica y debe responder a los objetivos buscados. Los tratamientos superficiales del vidrio son una alternativa que se está explorando en la actualidad para la incorporación de pigmentos y evitar con ello el deterioro que acarrean los tratamientos térmicos severos que tienen lugar durante el proceso de fabricación de vidrios.
Aunque se conocen algunas soluciones para incorporar aditivos directamente en vidrios con alto contenido en B2O3 al objeto de mitigar los efectos de solarización (US 2010/0108914; US 2006/0205583) , el problema asociado a la incorporación en vidrios sódico-cálcicos de alta transmitancia óptica sin contenido en boro que tienen un interés industrial y comercial persiste.
A la vista de lo expuesto sigue existiendo por un lado la necesidad de proporcionar nuevos vidrios sódico-cálcicos que mejoren simultáneamente tres propiedades importantes como a) minimizar los efectos de solarización, b) aumentar la transmitancia en el rango visible, y c) absorber la radiación ultravioleta transformándola en radiación visible a través de distintos mecanismos de transferencia de energía y emisión luminiscente, aumentando la eficiencia energética (transmitancia energética según normas ISO9050:2003) para uso fotovoltaico, y por el otro de proporcionar nuevos procedimientos de obtención de los mismos.
La solución propuesta por la presente invención se basa en que los inventores han descubierto sorprendentemente que la incorporación de determinados aditivos a base de óxidos ópticamente activos en vidrios sódico-cálcicos de alta transmitancia permite obtener vidrios con una nueva composición que consigue una mejora simultánea de las propiedades anteriormente mencionadas, resultando un vidrio con muy buenas características en particular de cara a su uso en aplicaciones fotovoltaicas.
Descripción de las figuras
Fig. 1 Energía incidente del espectro solar a nivel del mar en Wm−2nm−1 y curva de respuesta (eficiencia relativa, er) del silicio cristalino expresado en %.
Fig. 2 Esquema del experimento de solarización realizado en las muestras M1, M2, M3 y M4.
Fig. 3 Comparación de los espectros de transmitancia de los vidrios M0, M1, M2, M3 y M4.
Fig. 4 Espectros de transmitancia tras 48 horas de solarización en las muestras M1, M2, M3 y M4.
Fig. 5 Espectro de emisión excitando a 360 nm de la muestra M3 antes y después de la solarización.
Fig. 6 Espectros de emisión y excitación de la muestra M4.
El eje de abcisas de las figuras 1, 3, 4, 5y6 representa la longitud de onda expresada en nanómetros.
Descripción de la invención
En un primer aspecto la invención se relaciona con un nuevo vidrio tipo sódico-cálcico de alta transmitancia al que se incorporan aditivos a base de óxidos de elementos ópticamente activos en polvo cristalino o como nanopartículas.
En general los vidrios del tipo sódico-cálcicos están formados principalmente por sílice, y carbonatos de sodio y calcio. Son vidrios de coste reducido, incoloro y se emplea generalmente en las ventanas de los edificios.
En el sentido de la presente invención el término de alta transmitancia, se refiere a que es un vidrio que transmite aproximadamente un 91-92% de la luz incidente en el rango espectral de transparencia 275-1170 nm. Es decir, no absorbe o refleja la luz que le llega sino que mayoritariamente la transmite. Los vidrios de la presente invención son de alta transmitancia pero a diferencia de otros vidrios también de alta transmitancia descritos por ejemplo en US 2010/0108914 y US 2006/0205583, no contienen boro, lo que hace más meritorio lograr altas transmitancias y reduce considerablemente los costes de producción.
El nuevo vidrio de tipo sódico cálcico de alta transmitancia, en adelante el vidrio de la presente invención, presenta la siguiente composición química: (todos los % están expresados en peso en relación al peso total de la composición a no ser que se mencione expresamente lo contrario) :
60. 80% de SiO2
10. 20% de Na2O
5. 15% de CaO
0, 01-5% de Al2O3
0, 01-1% de SO3
0, 01-5% de MgO
0, 01-5% de Bi2O3 y/o CeO2 y
0, 01-6% de uno ó más aditivos seleccionados del grupo formado por Eu2O3, Pr6O11, Yb2O3, Er2O3 yAl2O3: Cr2O3.
Esta composición particular consigue que el vidrio de la invención presente mejoras destacables con respecto a los vidrios comerciales; proporcione mayor transmitancia óptica en la región visible infrarroja del espectro de interés fotovoltaico, absorba la radiación ultravioleta con una alta resistencia frente a los efectos de solarización y transforme eficientemente la luz absorbida ultravioleta e infrarroja mediante procesos de transferencia de energía y luminiscencia, en luz de alto...
Reivindicaciones:
1. Un vidrio que presenta la siguiente composición (porcentajes expresados en % en peso respecto al peso total de la composición) .
6. 80% de SiO2 10-20% de Na2O
5. 15% de CaO 0, 01-5% de Al2O3
0, 01-1% de SO3 0, 01-5% de MgO 0, 01-5% de Bi2O3 y/o CeO2 y
0, 01-6% de uno ó más aditivos seleccionados del grupo formado por Eu2O3, Pr6O11, Yb2O3, Er2O3 y Al2O3:Cr2O3.
2. Un vidrio según la reivindicación 1 que presenta la siguiente composición: 65-75% de SiO2 12-17% de Na2O 7-14% de CaO 0, 1-1% de Al2O3
0, 1-0, 5% de SO3 0, 05-4% de MgO 0, 01-1, 5% de CeO2 0, 01-1, 5% de Bi2O3
0, 01-1, 5% de Eu2O3
0, 01-0, 2% de Pr6O11,
3. Un vidrio según la reivindicación1º2, que presenta una relación de concentraciones de CeO2:Bi2O3 de 2:1.
(Tabla pasa a página siguiente) 4. Un vidrio con una composición M1, M2, M3 o M4:
5. Procedimiento para la obtención de un vidrio según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores a partir de materia prima que comprende las siguientes etapas: -adicionar los aditivos ópticamente activos. -fundir la materia prima con aditivos por tratamiento térmico a temperatura en torno a 1500ºC.
- mantener la temperatura y -enfriamiento.
6. Procedimiento de obtención del vidrio según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores a partir de vidrio reciclado que comprende las siguientes etapas: -molienda del vidrio reciclado hasta dejarlo en forma de polvo. -adicionar los aditivos ópticamente activos. -fundir el polvo con los aditivos por tratamiento térmico a temperaturas entre 1000 y 1100ºC.
- mantener la temperatura y -enfriamiento.
7. Procedimiento según la reivindicación5º6enelque el aditivo se añade en forma de polvo.
8. Procedimiento según la reivindicación5º6enelque el aditivo se añade en forma de nanopartículas.
9. Uso del vidrio según una cualquiera de las reivindicaciones como dispositivo conversor de energía en paneles fotovoltaicos.
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