Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas.

Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas, dispuestas lado a lado entre dos substratos opuestos (10), al menos uno de los cuales es transparente o semitransparente, y cubiertos, en el lado vuelto hacia el otro substrato, por un revestimiento eléctricamente conductor (11) dividido en una pluralidad de regiones lado a lado aisladas eléctricamente por medio de un número correspondiente de interrupciones (12), estando dicha conexión eléctrica vertical dispuesta entre una región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) de un substrato (10), en contacto eléctrico con una célula fotoelectro- química, y la región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) del substrato opuesto (10), en contacto con una célula foto-electro-química adyacente, caracterizada porque la conexión eléctrica vertical está hecha de tres partes de superposición o solape, es decir dos partes (20', 20''), respectivamente acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos opuestos (10) que delimitan dichas células foto-electro-químicas, hechas de un material conductor en la forma de gránulos agregados conjuntamente e integrados en dicho revestimiento conductor (11), siendo la suma de las alturas de las dos citadas partes (20', 20'') acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10) igual o inferior a la distancia entre los revestimientos conductores (11) de dichos dos substratos (10) y además una parte intermedia (21), que conecta las dos partes (20', 20'') acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (10), hecha de un material conductor constituido por una matriz de polímeros y/o resinas epoxídicas y/o aglutinante orgánico, en el cual están dispersas partículas de material conductor o polímeros conductores.

Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas

La presente invención se refiere a la conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas o DSSC (células solares sensibilizadas al tinte).

Con más detalle, la Invención se refiere a la estructura de dicha conexión eléctrica vertical, integral con los módulos fotovoltalcos de células de DSSC, y a un procedimiento para la realización de la misma.

Las células DSSC son células fotovoltalcas constituidas por una estructura de capas múltiples delimitada por dos substratos. Normalmente, dichos substratos están hechos de materiales transparentes (de preferencia vidrio, pero también de PET o PEN) y están revestidos, en una cara vuelta hacia el interior de la estructura de capas múltiples, por un revestimiento eléctricamente conductor, que es también transparente (generalmente un óxido conductor transparente, de preferencia un óxido de titanio impurificado o dopado con flúor o yodo, respectivamente FTO e ITO).

Entre los dos substratos está dispuesto un foto-electrodo (el ánodo), que se dispone sobre el revestimiento conductor de uno de los dos substratos; un contra-electrodo (el cátodo), dispuesto sobre el revestimiento conductor del otro substrato; y un electrolito interpuesto entre dicho foto-electrodo y el citado contra-electrodo. En particular, el foto-electrodo está usualmente hecho de óxido de titanio poroso, que soporta el material activo, consistente en un tinte capaz de transferir electrones a continuación de la absorción de un fotón. El contra-electrodo está usualmente hecho de platino, mientras que la solución electrolítica está usualmente hecha de yodo (12) y yoduro de potasio (Kl).

Han sido descritas células foto-electro-químicas de este tipo, por ejemplo, en la patente de Estados Unidos número 4.927.721; los materiales utilizados en reste tipo de células han sido descritos, por ejemplo, en la patente de Estados Unidos número 5.35.644.

Por su naturaleza, los revestimientos conductores de las estructuras tienen elevada resistencia. Además, las células individuales de este tipo no son capaces de generar los niveles de voltaje requeridos en la mayor parte de las aplicaciones posibles a las que puede estar dirigida una célula foto-electro-química.

Para superar esto Inconvenientes, es por lo tanto necesario conectar una pluralidad de células foto-electro-químicas en serie unas con otras, con el resultado de la generación de mayores diferencias de voltaje que minimizan la corriente total, es decir, minimizan las pérdidas de potencia debidas a la resistencia de los revestimientos conductores.

En la práctica, sobre el mismo substrato se realiza un módulo foto-electro-químico, es decir, los revestimientos conductores de cada substrato son divididos en una pluralidad de regiones eléctricamente aisladas, usualmente conformadas como una pluralidad de tiras dispuestas lado a lado, estando situada cada reglón del revestimiento conductor de uno de los dos substratos en una posición coincidente y sólo ligeramente desplazada en una dirección transversal a la de la reglón de los revestimientos conductores del otro substrato, siendo realizada una célula foto- electro-química entre cada par de reglones de solapamlento de los dos substratos. Las células foto-electro-químicas lado a lado, obtenidas de este modo, se conectan en serie por medio de una conexión Integrada con el mismo substrato, hecha durante la realización del módulo.

Se pueden hacer conexiones en serie Integradas con el substrato de acuerdo con diferentes esquemas, conocidos como conexión Z, conexión W y conexión externa.

Se hacen conexiones similares a Z de una serie de contactos verticales, dispuestas en el espacio entre dos células lado a lado, en particular en el espacio entre el lado largo de dos células o tiras, es decir en el espacio que no es utilizado para las células debido a la disposición escalonada o mutuamente desplazada de las reglones eléctricamente aisladas de los revestimientos conductores de los dos substratos, y que conectan eléctricamente entre sí las reglones aisladas del revestimiento conductor de los dos substratos, de acuerdo con una configuración que se explicará con más detalle posteriormente en la descripción.

Se obtiene conexiones similares a W sin la necesidad de contactos, pero la configuración del módulo foto-electro- químico resultante tiende a tener desequilibrios internos de corriente, ya que la mitad de las células de acuerdo con esta configuración son Iluminadas desde el lado del contra-electrodo. Además, en el mismo substrato alternan foto- electrodo y contra-electrodo: de ese modo se depositan dióxido de titanio y platino y sufren curado al mismo tiempo. Esto implica la Incapacidad de optimizar Individualmente el proceso de curado de los dos materiales, que tienen normalmente diferentes temperaturas y tiempos óptimos de calentamiento (42°C y 15 minutos para el platino, 5°C y 3 minutos para el dióxido de titanio).

En lo que se refiere a la conexión externa, por el contrario, este tipo de conexión se hace en el borde del módulo, en la proximidad de los lados cortos de las tiras que forman las células foto-electro-químicas. Debe seguirse la trayectoria larga de los electrones con el fin de llegar a los bordes del módulo, donde se efectúa la conexión de células Individuales, limita la longitud de las células (para evitar la adición de pérdidas suplementarias debido a las

resistencias) y compromete de manera importante el factor de llenado del módulo, describiendo el parámetro concreto la relación entre la potencia máxima producida por el dispositivo y el producto del voltaje en circuito abierto multiplicado por la corriente en circuito cerrado, y que disminuyen proporcionalmente con el aumento del valor de la resistencia introducida por las conexiones entre las células y por la resistencia introducida por la trayectoria larga de los electrones.

Con referencia a la figura 1, se muestra esquemáticamente la configuración de la conexión del tipo Z entre dos células de un módulo foto-electro-químico.

En particular, la figura 1 muestra los dos substratos, señalados con el número 1, estando cada uno revestido, en la cara vuelta hacia el otro substrato, por un revestimiento transparente 11 eléctricamente conductor. El revestimiento conductor 11 está dividido en regiones eléctricamente aisladas por las interrupciones 12. Cada célula foto-electro- química está hecha en la zona comprendida entre dos regiones eléctricamente asiladas cara a cara de revestimientos conductores 11 de los dos substratos opuestos 1, estando hecha cada célula de un foto-electrodo 13, dispuesto sobre el revestimiento conductor 11 de uno de los dos substratos 1; un contra-electrodo 14, dispuesto sobre el revestimientos conductor 11 del otro substrato 1; y un electrolito líquido interpuesto entre dicho foto- electrodo 13 y dicho contra-electrodo 14.

Cada célula está delimitada lateralmente por un elemento de encapsulación 16, con la finalidad de mantener el electrolito líquido dentro de la célula.

La conexión de células en serie se obtiene por medio del elemento de conexión 17, que conecta la parte escalonada de la región eléctricamente aislada del revestimiento conductor 11 de uno de los dos substratos 1 con la parte escalonada coincidente de la región eléctricamente aislada del revestimiento conductor 11 del substrato opuesto 1. Debido al hecho de que cada una de las regiones eléctricamente aisladas del revestimiento conductor 11 está en contacto eléctrico con el respectivo electrodo, el elemento de conexión 17 permite, a través del revestimiento conductor 11 en cada uno de los dos substratos 1, conectar los electrodos de dos células foto-electro-químicas lado a lado.

La trayectoria de la conexión por medio del contacto vertical puede estar representada por tres resistencias: una primera resistencia constituida por la resistencia de contacto entre el revestimiento conductor 11 dispuesto sobre el primer substrato 1 y el elemento de conexión 17, una segunda resistencia constituida por la resistencia del material del propio elemento de conexión 17 y una tercera resistencia constituida por la resistencia de contacto entre el elemento de conexión 17 y el revestimiento conductor 11 dispuesto sobre el substrato 1 opuesto al primer substrato.

De acuerdo con la técnica anterior, el elemento de conexión se puede hacer por medio de diferentes tecnologías:

deposición de una pasta conductora sobre el revestimiento conductor de ambos substratos y curado de la misma pasta antes de acoplar los substratos para formar el módulo foto-electro-químico (encapsulación);

deposición de una pasta conductora sobre... [Seguir leyendo]

1. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas, dispuestas lado a lado entre dos substratos opuestos (1), al menos uno de los cuales es transparente o semitransparente, y cubiertos, en el lado vuelto hacia el otro substrato, por un revestimiento eléctricamente conductor (11) dividido en una pluralidad de regiones lado a lado aisladas eléctricamente por medio de un número correspondiente de interrupciones (12), estando dicha conexión eléctrica vertical dispuesta entre una región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) de un substrato (1), en contacto eléctrico con una célula foto- electro-química, y la región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) del substrato opuesto (1), en contacto con una célula foto-electro-química adyacente,

caracterizada porque la conexión eléctrica vertical está hecha de tres partes de superposición o solape, es decir dos partes (2, 2"), respectivamente acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos opuestos (1) que delimitan dichas células foto-electro-químicas, hechas de un material conductor en la forma de gránulos agregados conjuntamente e integrados en dicho revestimiento conductor (11), siendo la suma de las alturas de las dos citadas partes (2, 2") acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (1) igual o inferior a la distancia entre los revestimientos conductores (11) de dichos dos substratos (1) y además una parte intermedia (21), que conecta las dos partes (2, 2") acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (1), hecha de un material conductor constituido por una matriz de polímeros y/o resinas epoxídicas y/o aglutinante orgánico, en el cual están dispersas partículas de material conductor o polímeros conductores.

2. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque dichas dos partes (2, 2") acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (1) tienen porosidad (expresada como volumen de espacios vacíos sobre el volumen total) inferior a ,5.

3. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la reivindicación 1 o la 2, caracterizada porque dichas dos partes (2, 2") acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (1) comprende gránulos agregados entre sí con uniones de tipo químico.

4. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dichas dos partes (2, 2") acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (1) y dicho revestimiento conductor (11) están agregados con uniones de tipo mecánico, uniones de tipo químico o una combinación de estos dos tipos de uniones.

5. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con cualquiera de las

reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dichas dos partes (2, 2") acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (1) comprenden una cantidad de residuos de disolventes orgánicos y aglutinantes inferior a 1% en peso.

6. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la reivindicación 5,

caracterizada porque dichas dos partes (2, 2") acopladas con el revestimiento conductor (11) de cada uno de los dos substratos (1) comprende una cantidad de residuos de disolventes orgánicos y aglutinantes

inferior a ,1% en peso.

7. Conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con cualquiera de las

reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicha parte intermedia (21) comprende una cantidad de residuos de disolventes orgánicos y aglutinantes mayor que 5% en peso.

8. Método de fabricar una conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas, dispuestas lado a lado entre dos substratos opuestos (1), al menos uno de los cuales es transparente o semitransparente, y cubiertos, en el lado vuelto hacia el otro substrato, por un revestimiento eléctricamente conductor (11) dividido en una pluralidad de regiones lado a lado aisladas eléctricamente por medio de un número correspondiente de interrupciones (12), que comprende los siguientes pasos:

deposición, sobre cada substrato, previamente limpiado y calentado, pero no todavía acoplado con el correspondiente substrato opuesto para formar un módulo foto-electro-químico, entre una región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) de un substrato (1), en contacto eléctrico con una célula foto-electro-química, y la región eléctricamente aislada del revestimiento eléctricamente conductor (11) del substrato opuesto (1), en contacto con una célula foto-electro-química adyacente, de tiras hechas de una parta de material conductor, que puede ser sinterizada a una elevada temperatura superior a 3°C e inferior a 55°C;

calentamiento de los substratos a una temperatura entre 3 y 55°C, obteniendo así la sinterización del material conductor de las tiras previamente depositadas;

deposición, en correspondencia con las tiras de material previamente depositado y sinterizado, de una capa adicional de pasta de material conductor, que puede ser sinterizada a una baja temperatura

inferior a 3°C;

acoplar los substratos opuestos y, al mismo tiempo, acoplar las tiras de material previamente depositado y sinterizado, por medio de la interposición de una capa adicional de una pasta de material conductor, que puede ser sinterizado a una baja temperatura inferior a 3°C, siendo realizado el acoplamiento a una temperatura entre 7°C y 17°C.

9. Método de fabricar una conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque dicho paso de calentar los substratos y sinterizar el material conductor ocurre a una temperatura de 52°C.

1. Método de fabricar una conexión eléctrica vertical de células foto-electro-químicas de acuerdo con la reivindicación 8 o la 9, caracterizado porque el paso de acoplar los substratos opuestos ocurre a una temperatura de unos 1°C.