Célula solar sensibilizada por colorante y módulo de células solares sensibilizadas por colorante.

Célula solar sensibilizada por colorante formada superponiendo una capa conductora;

una capa de conversiónfotoeléctrica en la que un colorante está adsorbido en una capa semiconductora porosa y en la que la capa deconversión fotoeléctrica está rellena de un material de transporte de portador; y un contraelectrodo que incluye unacapa de catalizador y una capa conductora de contraelectrodo sobre un soporte hecho de un material transmisor deluz,

en la que la capa de conversión fotoeléctrica se pone en contacto directo con la capa de catalizador delcontraelectrodo; la capa semiconductora porosa que forma la capa de conversión fotoeléctrica tiene dos o máscapas con propiedades de dispersión de luz diferentes; y las dos o más capas semiconductoras porosas sesuperponen en un orden de desde una capa con una propiedad de dispersión de luz inferior hasta una capa con unapropiedad de dispersión de luz superior a partir de un lado frontal receptor de luz de la célula solar sensibilizada porcolorante, y en la que la capa semiconductora porosa con la mayor propiedad de dispersión de luz y que está encontacto con el contraelectrodo está formada por partículas semiconductoras con un diámetro de partícula promediode 50 nm o más y otras capas semiconductoras porosas están formadas por partículas semiconductoras con undiámetro de partícula promedio de 5 nm o más e inferior a 50 nm.

Célula solar sensibilizada por colorante y módulo de células solares sensibilizadas por colorante

Campo técnico

La presente invención se refiere a una célula solar sensibilizada por colorante y a un módulo de células solares sensibilizadas por colorante.

Técnica anterior

Como fuente de energía en lugar de un combustible fósil, las células solares que pueden convertir la luz del sol en energía eléctrica han llamado la atención. En la actualidad, se han usado en la práctica algunas células solares que usan sustratos de silicio cristalino y células solares de silicio de capa fina. Sin embargo, las primeras tienen el problema de un alto coste de producción de los sustratos de silicio y las últimas tienen el problema de que el coste de producción es elevado porque se requieren diversas clases de gases para la producción de semiconductores e instalaciones de producción complejas. Por tanto, en ambas células solares, se ha intentado reducir el coste por rendimiento de energía eléctrica aumentando la eficiencia de la conversión fotoeléctrica; sin embargo, los problemas mencionados anteriormente aún siguen sin solucionarse.

Como nuevo tipo de célula solar, se ha propuesto una célula solar de tipo húmedo basada en transferencia de electrones fotoinducida de un complejo metálico (véase la patente japonesa n.º 2664194; documento de patente 1) . Esta célula solar de tipo húmedo comprende: dos sustratos de vidrio cada uno de los cuales tiene un electrodo en una superficie del mismo; y una capa de conversión fotoeléctrica que contiene un material de conversión fotoeléctrica que tiene un espectro de absorción en la región de luz visible adsorbiendo un colorante fotosensible y un material electrolítico y que está intercalado entre los electrodos de dos sustratos de vidrio. Específicamente, tal como se muestra en la figura 9, la célula solar sensibilizada por colorante se produce inyectando una disolución electrolítica entre dos sustratos de vidrio. En el dibujo, el número de referencia 100 indica un primer soporte (sustrato de vidrio) ; el número de referencia 101 indica un segundo soporte (sustrato de vidrio) ; el número de referencia 102 indica una capa conductora; el número de referencia 103 indica un material de sellado; el número de referencia 104 indica una capa de conversión fotoeléctrica; el número de referencia 105 indica una capa de catalizador; el número de referencia 106 indica una capa conductora de contraelectrodo; y el número de referencia 107 indica una capa de transporte de portador (disolución electrolítica) . Cuando la célula solar de tipo húmedo se irradia con luz, se generan electrones en la capa de conversión fotoeléctrica, los electrones generados se transfieren a los electrodos a través de un circuito eléctrico externo, y los electrones transferidos se llevan a los electrodos opuestos debido al ión en el material electrolítico y vuelven a la capa de conversión fotoeléctrica. Debido a la serie del flujo de los electrones se produce energía eléctrica.

Sin embargo, dado que la estructura básica de la célula solar sensibilizada por colorante descrita en el documento de patente 1 es una estructura en la que se inyecta la disolución electrolítica entre los sustratos de vidrio que portan una película conductora transparente opuestos, es posible producir una célula solar de prueba con un área superficie pequeña, pero es difícil producir en la práctica una célula solar con un área superficial grande tal como 1 metro cuadrado. Es decir, si se aumenta el área superficial de una célula solar, la corriente generada aumenta proporcionalmente al área. Sin embargo, dado que el descenso de voltaje en la dirección de plano de la película conductora transparente que debe usarse para las partes de electrodo aumenta, la resistencia interna en serie de la célula solar aumenta. Como resultado, el FF (factor de llenado) y una corriente de cortocircuito en el momento de la conversión fotoeléctrica disminuyen, dando como resultado el problema de la disminución de la eficiencia de conversión fotoeléctrica. Además, dado que el módulo de células solares sensibilizadas por colorante se produce formando elementos entre los sustratos de vidrio que portan una película conductora transparente opuestos, el módulo tiene los problemas de que aumenta el coste de producción y aumenta el peso.

Con el fin de solucionar los problemas con respecto a la resistencia interna en serie, se ha propuesto un módulo de células solares sensibilizadas por colorante que tiene una pluralidad de células solares sensibilizadas por colorante conectadas en serie (véase la publicación de patente japonesa no examinada n.º 2002-540559: documento de patente 2) . En este módulo de células solares sensibilizadas por colorante tal como se muestra en la figura 10, un sustrato 110 de vidrio que porta una película 112 conductora transparente (electrodo) conformada en forma de peine mediante la creación de patrones y un sustrato 111 de vidrio que porta una película 116 conductora transparente (electrodo) y una capa 115 de catalizador conformada sucesivamente en forma de peine mediante la creación de patrones se adhieren entre sí de tal manera que se interpone una capa 113 aislante entre los sustratos de vidrio para formar respectivas células solares sensibilizadas por colorante y también se dispone un trayecto 118 conductor (capa de contacto) para conectar eléctricamente una capa 115 de catalizador y las películas 112 y 116 conductoras transparentes para conectar células solares sensibilizadas por colorante adyacentes en serie y además se intercalan una capa 114 de conversión fotoeléctrica y una disolución 117 electrolítica entre los sustratos de vidrio.

Además, un módulo de células solares sensibilizadas por colorante que tiene una conexión en serie de tipo W propuesto por P. M. Sommeling et al., se describe en “Development Technology of Dye-Sensitized Solar Cells”, editado por HAYASE Shuji y FUJISHIMA Akira, Gijutsu Kyoiku, págs. 205-217, junio de 2003 (documento no de patente 1) . En este módulo de células solares sensibilizadas por colorante tal como se muestra en la figura 11, una capa semiconductora porosa que es una capa 214 de conversión fotoeléctrica y platino que es una capa 215 de catalizador se forman de manera alterna sobre dos sustratos 210 y 211 de vidrio que portan películas 212 y 216 conductoras transparentes (electrodos) conformadas en forma de peine mediante la creación de patrones y se adhieren entre sí en un estado en el que las capas semiconductoras porosas y el platino sobre los respectivos sustratos de vidrio están dispuestos enfrentados y de tal manera que una capa 213 aislante de resina, o similar, se interpone entre los sustratos para formar cada célula solar sensibilizada por colorante y se intercala una disolución 217 electrolítica entre los sustratos.

Sin embargo, los módulos de células solares sensibilizadas por colorante descritos en el documento de patente 2 y el documento no de patente 1 tienen una configuración en la que la estructura básica de cada célula solar sensibilizada por colorante se forma inyectando la disolución electrolítica entre los sustratos de vidrio que portan una película conductora transparente opuestos, y por tanto los problemas del coste de producción y el peso aún siguen sin solucionarse.

Por consiguiente, con el fin de solucionar los problemas del coste de producción y el peso, se ha propuesto un módulo de células solares sensibilizadas por colorante que tiene un sustrato de vidrio que porta una película conductora transparente y una pluralidad de células solares sensibilizadas por colorante (a veces denominadas “células fotovoltaicas”) conectadas en serie y dispuestas sobre el sustrato de vidrio (por ejemplo, véase la publicación internacional WO 97/16838: documento de patente 3) . En el módulo de células solares sensibilizadas por colorante tal como se muestra en la figura 12, cada célula solar sensibilizada por colorante tiene una estructura formada superponiendo sucesivamente una capa 314 semiconductora porosa (capa porosa de óxido de titanio) que es una capa de conversión fotoeléctrica, una capa 318 aislante porosa (capa aislante porosa intermedia) y un contraelectrodo 315 sobre un sustrato 310 transparente (sustrato de vidrio) que porta una película 312 conductora transparente (electrodo) conformada en forma de peine mediante la creación de patrones y las células solares sensibilizadas por colorante están dispuestas de tal manera que la película 312 conductora transparente de una célula solar sensibilizada por colorante y el contraelectrodo 315 de una célula solar sensibilizada por colorante adyacente se ponen en contacto entre sí, y por tanto ambas... [Seguir leyendo]

1. Célula solar sensibilizada por colorante formada superponiendo una capa conductora; una capa de conversión fotoeléctrica en la que un colorante está adsorbido en una capa semiconductora porosa y en la que la capa de conversión fotoeléctrica está rellena de un material de transporte de portador; y un contraelectrodo que incluye una capa de catalizador y una capa conductora de contraelectrodo sobre un soporte hecho de un material transmisor de luz,

en la que la capa de conversión fotoeléctrica se pone en contacto directo con la capa de catalizador del contraelectrodo; la capa semiconductora porosa que forma la capa de conversión fotoeléctrica tiene dos o más capas con propiedades de dispersión de luz diferentes; y las dos o más capas semiconductoras porosas se superponen en un orden de desde una capa con una propiedad de dispersión de luz inferior hasta una capa con una propiedad de dispersión de luz superior a partir de un lado frontal receptor de luz de la célula solar sensibilizada por colorante, y en la que la capa semiconductora porosa con la mayor propiedad de dispersión de luz y que está en contacto con el contraelectrodo está formada por partículas semiconductoras con un diámetro de partícula promedio de 50 nm o más y otras capas semiconductoras porosas están formadas por partículas semiconductoras con un diámetro de partícula promedio de 5 nm o más e inferior a 50 nm.

2. Célula solar sensibilizada por colorante según la reivindicación 1, en la que las dos o más capas semiconductoras porosas se superponen en un orden de desde una capa con un diámetro de partícula promedio relativamente menor hasta una capa con un diámetro de partícula promedio relativamente mayor a partir del lado frontal receptor de luz de la célula solar.

3. Célula solar sensibilizada por colorante según la reivindicación 1, en la que el grosor de la capa semiconductora porosa con la mayor propiedad de dispersión de luz y que está en contacto con el contraelectrodo es de 0, 1 a 40 μm y el grosor total de otras capas semiconductoras porosas es de 0, 1 a 50 μm.

4. Célula solar sensibilizada por colorante según la reivindicación 1, en la que la capa semiconductora porosa incluye de 3 a 5 capas.

5. Célula solar sensibilizada por colorante según la reivindicación 1, en la que la capa semiconductora porosa está formada por partículas de óxido de titanio.

6. Módulo de células solares sensibilizadas por colorante que incluye al menos dos células solares sensibilizadas por colorante conectadas en serie, en el que las células solares sensibilizadas por colorante incluyen una célula solar sensibilizada por colorante según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 anteriores.

7. Módulo de células solares sensibilizadas por colorante según la reivindicación 6, en el que la capa de catalizador

o la capa conductora de contraelectrodo de la célula solar sensibilizada por colorante está conectada eléctricamente con la capa conductora de la célula solar sensibilizada por colorante adyacente.

8. Módulo de células solares sensibilizadas por colorante según la reivindicación 6, en el que la capa conductora de la célula solar sensibilizada por colorante y la capa de catalizador o la capa conductora de contraelectrodo de la célula solar sensibilizada por colorante adyacente son, cada una, una capa individual conectada eléctricamente.