Célula solar sensibilizada por colorante.

Célula solar sensibilizada por colorante que comprende un par de electrodos que sirven de ánodo y cátodo,

respectivamente, entre los que se dispone una solución electrolítica, comprendiendo dicho ánodo un elemento de soporte en el que se dispone una capa de óxido metálico que comprende polvos de dióxido de titanio y nanozeolita, caracterizada porque el diámetro medio de los polvos de dióxido de titanio está comprendido entre 3 y 30 nm y al menos un diez por ciento con respecto a la cantidad total de los polvos de nanozeolita tienen el diámetro medio comprendido entre 230 y 320 nm.

Célula solar sensibilizada por colorante

La presente invención se refiere a una célula solar, especialmente a una célula solar de tipo DSC. En el sector de los dispositivos para convertir energía solar en energía eléctrica son conocidos diferentes tipos de células solares.

Entre los mismos, las células solares tipo DSC, que también son conocidas con el acrónimo DSSC (célula solar sensibilizada por colorante), son una clase de dispositivo relativamente nueva. Están basados en un sistema fotoelectroquímico formado por un par de electrodos, uno de los cuales es sensible a la radiación luminosa y entre los que está dispuesto un electrolito.

Las células solares DSC han atraído y atraen un gran interés de los fabricantes de este tipo de dispositivos debido a sus principales características. De hecho, están fabricadas de materiales baratos, son resistentes mecánicamente y no requieren aparatos complejos para su fabricación, permitiendo, de esta manera, prever ventajas interesantes en términos de costes en la fabricación a una escala industrial cuando se comparan con los dispositivos ya conocidos en el sector, es decir, las células solares de estado sólido.

Una célula solar DSC tiene una estructura de sándwich: un par de electrodos están separados por una solución electrolítica y por una capa de óxido metálico (normalmente dióxido de titanio) recubierto con una capa de un material fotosensibilizante.

El material fotosensibilizante es un colorante capaz de transferir electrones a la capa de dióxido de titanio en la sorción de fotones.

Las partículas que forman la capa de óxido metálico tienen tamaño nanométrico, debido a que facilita la adhesión de la capa del colorante fotosensibilizante. A efectos de mejorar adicionalmente la adhesión del colorante fotosensibilizante, la capa de óxido metálico se trata térmicamente, estando dotada, de esta manera, de una estructura microporosa tridimensional que aumenta enormemente su superficie. Esto permite aplicar una mayor cantidad de colorante en un volumen dado y, por tanto, alcanzar una mayor eficiencia en la absorción de la luz y en la conversión de la energía.

La solución electrolítica, en general a base de yodo y yoduro de potasio, forma un sistema de oxidación-reducción que sirve para dotar al colorante de electrones que se pierden cuando sus moléculas son irradiadas con rayos UV (ultravioleta). El ciclo oxidación-reducción puede ser repetido indefinidamente.

Cuando una célula solar DSC está en funcionamiento, la radiación de luz penetra a través del electrodo superior, que comprende habitualmente una capa de vidrio o de un material transparente similar, chocando, de esta manera, con las moléculas del colorante depositado en la superficie del óxido metálico. Los fotones que chocan el colorante con un nivel de energía suficientemente elevado para ser absorbidos, generan un estado excitado de la molécula del colorante, en el que se puede inyectar un electrón directamente en la banda conductiva del óxido metálico y se desplaza desde el mismo hacia el ánodo de la célula debido al gradiente de difusión química. Mientras tanto, la molécula de colorante recupera el electrón perdido mediante la reacción oxidación-reducción que tiene lugar en el electrolito. Esta reacción de los electrones con la molécula de colorante oxidada tiene lugar más rápidamente que la inyección de electrones en la capa de óxido metálico. De esta manera, el electrolito recupera sus electrones perdidos por difusión hacia la parte inferior de la célula, donde el contra-electrodo, fabricado generalmente de platino, vuelve a introducir los electrones una vez han fluido a través del circuito externo. De esta manera, es posible evitar la reacción de recombinación entre el colorante oxidado y el electrón, que reduciría enormemente la eficiencia de la célula solar.

Por tanto, el óxido metálico actúa como un elemento receptor de electrones, el colorante orgánico como una bomba electroquímica, mientras la solución electrolítica actúa como donante de electrones.

Entre los componentes de una célula solar DSC, la capa de óxido metálico es considerada el corazón del sistema por los expertos en la técnica.

El dióxido de titanio no es el único óxido metálico que se puede utilizar para la fabricación de las células solares de tipo DSC. El documento US 28115831 A1 da a conocer, por ejemplo, diversos óxidos metálico alternativos al dióxido de titanio, entre los cuales, por ejemplo, el óxido de aluminio y las nanozeolitas que pueden servir como elementos receptores de electrones.

El uso de nanozeolitas como posibles candidatos de óxido metálico se da a conocer asimismo en el documento JP 2525165 A, que también advierte que se puede obtener una conversión fotoeléctrica eficiente controlando tanto

la difusión de luz como su transmisión a través de la capa de óxido metálico. En particular, la estructura del óxido metálico debe ser, preferentemente porosa, y estar formada por micropartículas que tienen una estructura irregular.

La importancia de las propiedades estructurales y la morfología de los elementos de una célula solar a efectos de mejorar la conversión de energía se describen asimismo en el documento JP 2841746 A. Se da a conocer un sustrato para una célula solar fabricado con una resina cristalina de termoplástico que contiene partículas inertes. Estos polvos tienen una rugosidad superficial comprendida en el intervalo entre 3 y 5 pm.

El documento JP 2821655 da a conocer células solares de tipo DSC en las que las partículas del dióxido de titanio están dispersas en un medio aglutinante que comprende zeolitas intercambiadas y otros elementos, formando, de esta manera, una capa de material compuesto de óxido metálico que tiene mejores propiedades en términos de compensación de electrones.

El documento JP 26124267 A da a conocer el uso de partículas de dióxido de titanio en la fabricación de las células solares de tipo DSC. Se debe observar que a efectos de obtener una buena transparencia de la capa de óxido metálico es necesario que el tamaño de la partícula sea aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz visible. El documento da a conocer asimismo la utilización de agentes de adsorción tales como carbones activos y zeolitas a efectos de eliminar los malos olores generados por las impurezas presentes en el sistema.

A efectos de mejorar los rendimientos de una célula solar tipo DSC, es deseable aumentar la eficiencia en la absorción de la luz. En relación a este aspecto es conocido que las partículas de titanio que tienen un elevado índice de refracción aumentan la sorción de luz en una célula DSC, debido a que difunden la luz de manera efectiva. La luz, al ser reflejada repetidamente en las paredes de las partículas, alcanza las capas más profundas de la célula, aumentando, de esta manera, las posibilidades de sorción. No obstante, dado que el área superficial de las partículas disminuye proporcionalmente a medida que su diámetro medio aumenta, es necesario encontrar un equilibrio adecuado entre la necesidad de la difusión de la luz, que requiere diámetros mayores, y la necesidad de maximizar el área superficial, que requiere un tamaño nanométrico.

El artículo Células solares sensibilizadas por colorante con eficiencia de conversión del 11% de Y. Chiba y otros publicado en la revisión del I. Appl. Phys. (Revista de física aplicada) número 45, L638-64 -26, da a conocer un estudio reciente en el que se descubrió que es posible mejorar significativamente la eficiencia en la conversión de la luz a corriente de una célula solar de tipo DSC en el intervalo de espectro entre 4 y 85 nm insertando partículas de titanio que tienen un diámetro aproximadamente de 4 nm en capas de dióxido de titanio fabricadas con partículas que tienen un tamaño medio del orden de 25 nm cuando se utiliza un colorante negro como material fotosensibilizante.

Kang y otros, en el documento publicado en el boletín de la Korean Chem. Soc. (Sociedad de química de Corea) 23 (22), páginas 14-142, da a conocer una célula solar sensibilizada por colorante que tiene un electrodo poroso de TÍO2 y una zeolita (TS-2), en la que las partículas de zeolita tienen un diámetro aproximadamente de 5 nm.

Además, a efectos de mejorar los rendimientos de una célula solar de tipo DSC, es deseable limitar el fenómeno de desorción del colorante de la superficie de dióxido de titanio. La desorción provoca una reducción de la superficie activa para la separación de la carga y la reducción de la corriente de cortocircuito. Entre las diferentes causas de esta degradación durante las pruebas de envejecimiento en atmósfera húmeda,... [Seguir leyendo]

1. Célula solar sensibilizada por colorante que comprende un par de electrodos que sirven de ánodo y cátodo, respectivamente, entre los que se dispone una solución electrolítica, comprendiendo dicho ánodo un elemento de 5 soporte en el que se dispone una capa de óxido metálico que comprende polvos de dióxido de titanio y nanozeolita, caracterizada porque el diámetro medio de los polvos de dióxido de titanio está comprendido entre 3 y 3 nm y al menos un diez por ciento con respecto a la cantidad total de los polvos de nanozeolita tienen el diámetro medio comprendido entre 23 y 32 nm.

2. Célula solar, según la reivindicación 1, en la que el diámetro medio de los polvos de dióxido de titanio está

comprendido entre 1 y 25 nm.

3. Célula solar, según la reivindicación 1, en la que al menos un cincuenta por ciento con respecto a la cantidad total de los polvos de nanozeolita tienen el diámetro medio comprendido entre 23 y 32 nm.

4. Célula solar, según la reivindicación 1, en la que el diámetro medio de la totalidad de los polvos de nanozeolita está comprendido entre 23 y 32 nm.

5. Célula solar, según la reivindicación 1, en la que el porcentaje en peso de los polvos de nanozeolita está 2 comprendido entre el 2 y 3% del peso total de la capa de óxido metálico.

6. Célula solar, según la reivindicación 5, en la que el porcentaje en peso de los polvos de nanozeolita está comprendido entre el 4 y 1% del peso total de la capa de óxido metálico.

7. Célula solar, según la reivindicación 6, en la que el porcentaje en peso de los polvos de nanozeolita está

comprendido entre el 4 y 6% del peso total de la capa de óxido metálico.

8. Célula solar, según la reivindicación 1, en la que la nanozeolita está superficialmente funcionalizada.