Formulación de tintas con base de nanopartículas cerámicas.

Formulación de tintas con base de nanopartículas cerámicas.

La presente invención hace referencia a formulaciones que comprenden nanopartículas de nitruro de aluminio,

al menos un dispersante y al menos un disolvente acuoso, al procedimiento de obtención de dichas formulaciones así como a su uso para la obtención de una capa barrera nivelante.

Formulación de tintas con base de nanopartículas cerámicas

Campo de la invención La presente invención pertenece al campo de la formulación de nanopartículas cerámicas en solución para la fabricación de capas barreras nivelantes sobre un sustrato.

Antecedentes de la invención En el diseño de células solares fotovoltaicas se pueden utilizar sustratos metálicos.

En la fabricación de células solares fotovoltaicas es necesario que el material que se use como sustrato tenga baja rugosidad y planitud, y de forma más crítica cuando el sustrato empleado es de carácter metálico. De otro modo, es probable el contacto eléctrico entre el electrodo posterior, el electrodo anterior, y el sustrato metálico; si esto se produce, se formaría un cortocircuito local (pinhole) , que influye de manera negativa en el rendimiento de la célula solar.

Si la rugosidad del sustrato es excesiva, puede darse el caso de que la rugosidad impida que la deposición de las capas recubra de forma uniforme y conformal la topología del sustrato, en particular cuando las capas que se depositan para formar la estructura del semiconductor son capas delgadas (del orden de centenas de nanómetros) . En este caso, habría zonas de la célula donde el contacto entre las intercaras de las capas depositadas no sea el adecuado, repercutiendo de forma negativa en el rendimiento de la célula solar.

Otra ventaja de usar sustratos con baja rugosidad, es que se minimizan los efectos de migración de impurezas no deseadas desde el sustrato hacia las capas activas ulteriores de la célula solar fotovoltaica. De igual modo, la presencia de estas impurezas favorece la recombinación de portadores que repercute de forma negativa en el rendimiento de la célula solar.

En el caso de sustratos metálicos no hay valores aceptados en la literatura como criterios universales; existen artículos relacionados que reportan una rugosidad promedio entre 20 y 60nm (Ra) [F. Kessler y D. Rudmann, “Technological aspects of flexible CIGS solar cells and modules”, Solar Energy 77, 685 (2004) ; K. Otteet al, “Flexible Cu (Ga, In) Se2thin-film solar cells for space application”, Thin Solid Films511-512, 613 (2006) ;N.G.

Dhereet al¸”Lightweight CIGS2thin-film solar cells on stainless steel foil”¸17th EUPVSEC (2001) ; y R. Wuerzet al, “CIGS thin-film solar cells on steel substrates”, Thin Solid Films 517, 2415 (2009) ]. Proveedores comerciales de este material usan valores similares.

Los sustratos metálicos que se pueden usar (titanio, aceros en sus diferentes aleaciones, aluminio, etc…)

contienen elementos inherentes que les confieren sus propiedades de dureza, conductibilidad, ductilidad, brillo, etc. pero que en algunos casos son perjudiciales para el funcionamiento de las células solares, ya que durante los procesos térmicos necesarios para formar las células, por ejemplo de Si, CIGSe (Cobre Indio Galio Selenio) , CIS (Cobre Indio Selenio) , entre otras, impurezas metálicas se difunden desde el sustrato hasta la unión pn del semiconductor, favoreciendo la recombinación de portadores y acusando un descenso drástico de la eficiencia 45 fotoeléctrica. Es el caso por ejemplo del hierro, el níquel o el cromo. Pero prescindir de estos materiales no es evidente: por ejemplo, el níquel dota al acero de flexibilidad, o el cromo lo dota de resistencia frente a la humedad.

Es así necesario incluir en el diseño de la célula solar, una capa que impida la difusión de estas impurezas 50 metálicas cuando la estructura de capas se somete a procesos térmicos. Para conseguir esto, se debe elegir un material adecuado que no reaccione ni con el sustrato ni con la célula, que tenga un coeficiente de expansión térmica similar al del semiconductor, una estructura de red que permita el crecimiento de las capas ulteriores de la célula, y que tenga una microestructura que no permita la difusión de elementos metálicos a su través.

Por tanto, en el diseño de células solares fotovoltaicas de tecnología CIGS sobre sustratos flexibles, la solución óptima pasa por el uso de sustratos metálicos de baja rugosidad y la inserción en la estructura de la célula de una capa nivelante es requisito imprescindible para evitar la formación de cortocircuitos e impedir la difusión de impurezas metálicas desde el sustrato hacia la célula.

El documento US 2004/0144419 A1 hace referencia al uso de una capa de barrera entre el sustrato y el electrodo para evitar la difusión de especies del sustrato al electrodo. Dichas capas están basadas en un material cerámico, tales como nitruro de silicio, oxinitruro de silicio, nitruro de aluminio, oxinitruro de aluminio, óxido de silicio y oxinitruro de silicio. Sin embargo, en dichos sistemas es imprescindible que el sustrato disponga de una rugosidad pequeña (o buena planitud) para evitar cortocircuitos y asegurar un correcto funcionamiento de la 65 célula.

Tradicionalmente, las capas barreras se depositan por medios físicos tales como evaporación, e-beam (haz de electrones) o pulverización catódica. Sin embargo, la capa que se deposita es siempre conformal, esto es, reproduce la morfología del sustrato, por lo que no es posible compensar los defectos superficiales. Utilizando estos métodos no es habitual depositar capas de espesores mayores, pues de otro modo el tiempo que se necesita de proceso hace que el mismo no sea competitivo en coste, además de que la probabilidad de deslaminación de la capa es alta por el estrés acumulado.

El espesor de la capa absorbente involucrada en el diseño de células solares de tecnología CIGS es aproximadamente de 1 a 1, 5 μm. Es importante así, que el sustrato sobre el que se fabrican disponga de una rugosidad pequeña, o lo que es lo mismo, de buena planitud. De otro modo, los picos del sustrato podrían favorecer cortocircuitos entre el contacto trasero y frontal de la célula, bien por continuidad eléctrica entre ambas capas o bien por efecto túnel al ser el material semiconductor entre ellas de poco espesor.

Definir estas especificaciones a los proveedores de material para sustrato metálico, conlleva las desventajas de reducir significativamente los proveedores disponibles, un alto coste de la materia prima y por lo tanto un alto coste del producto final, así como disponer de herramientas de verificación o plan de calidad a la recepción de la materia prima.

Por lo tanto, es deseable reducir los costes asociados a la producción de células solares y las desventajas mencionadas previamente.

En este sentido, la denominada técnica del doctor blade permite reducir los costes asociados al proceso de producción ya que no es necesario que el sustrato sobre el que se deposita la capa disponga de una rugosidad muy pequeña, puesto que dicha técnica permite depositar capas de mayores espesores. Por lo tanto, permite trabajar con sustratos metálicos de peor calidad, a menor coste de materia prima, y disponer de un abanico más amplio de suministradores. Mediante esta tecnología, es posible además evitar el uso de disolventes orgánicos y que las formulaciones a depositar comprendan agua como disolvente o agente dispersante.

Aunque existen otras tecnologías de deposición para formulaciones acuosas, éstas también conllevan algunos problemas. Así, la técnica denominada spin coating (o recubrimiento por rotación) permite la utilización de dichas formulaciones y un espesor de capa delgado pero no es una técnica industrializable. Por su parte, la serigrafía permite la utilización de formulaciones acuosas y es industrializable, pero no se obtienen espesores de capa bajos necesarios para la obtención de una capa nivelante.

Además, los métodos de deposición utilizados en el estado de la técnica comprenden el uso de disolventes orgánicos, cuyo uso conlleva problemas medioambientales.

Una alternativa para la formación de una capa barrera nivelante sobre sustratos sólidos es el empleo de formulaciones basadas en dispersiones de nanopartículas. Los factores que determinan las propiedades de las dispersiones de nanopartículas son el tamaño y forma de las partículas, las propiedades superficiales de la dispersión, las interacciones entre partículas, las interacciones entre partículas y moléculas del medio de dispersión y las interacciones entre partículas y moléculas del medio con otras posibles moléculas presentes procedentes de aditivos (dispersantes o defloculantes, estabilizadores, humectantes) . Las dispersiones de nanopartículas deben ser homogéneas y presentar estabilidad con el tiempo y una fácil redispersión, aparte de un tamaño de partícula pequeño y una elevada mojabilidad ya que el objetivo de su utilización... [Seguir leyendo]

1. Formulación que comprende nanopartículas de nitruro de aluminio, al menos un dispersante y al menos un disolvente acuoso.

2. Formulación según la reivindicación 1, en donde la razón en peso del (de los) dispersante (s) con respecto al peso de nanopartículas de nitruro de aluminio está comprendido entre 0, 001 y 5 y la razón en peso del (de los) disolvente (s) con respecto al peso de nanopartículas de nitruro de aluminio está comprendido entre 25 y

50.

3. Formulación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el dispersante se selecciona del grupo que consiste en sales de ácidos poliacrílicos y sales de polímeros sulfatados.

4. Formulación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el disolvente acuoso se selecciona del grupo que consiste en agua y mezclas de agua y disolvente orgánico, en donde el disolvente orgánico se selecciona de alcoholes, cetonas y ésteres.

5. Formulación según la reivindicación 4, en donde el disolvente acuoso consiste en agua.

6. Formulación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además al menos un agente humectante.

7. Formulación según la reivindicación 6, en donde los agentes humectantes se seleccionan del grupo que consiste en alquiléteres de polietilenglicol, polímeros de oxietileno, siloxanos y polioles.

8. Formulación según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en donde la razón en peso del (de los) agente (s) humectante (s) con respecto al peso de nanopartículas de nitruro de aluminio está comprendido entre 0, 2 y 2, 5.

9. Formulación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además al menos un polímero.

10. Formulación según la reivindicación 9, en donde el polímero se selecciona del grupo que consiste en polivinilpirrolidona, ácido poliacrílico, alcohol polivinílico, resina de polioles, y mezcla de los mismos.

11. Formulación según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 10, en donde la razón en peso del (de los) polímero (s) con respecto al peso de nanopartículas de nitruro de aluminio está comprendido entre 1 y 15.

12. Formulación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además nanopartículas que se seleccionan del grupo que consiste en nitruro de silicio, óxido de aluminio y mezclas de las mismas.

13. Formulación según la reivindicación 12, en donde la razón en peso de las nanopartículas seleccionadas del grupo que consiste en nitruro de silicio, óxido de aluminio y mezclas de las mismas con respecto al peso de nanopartículas de nitruro de aluminio está comprendido entre 0, 5 y 2.

14. Formulación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el tamaño máximo de las nanopartículas de nitruro de aluminio y las nanopartículas definidas en las reivindicaciones 12 y 13 está comprendido entre 1 nm y 900 nm.

15. Formulación según la reivindicación 14, en donde el tamaño máximo de las nanopartículas de nitruro de aluminio y las nanopartículas definidas en las reivindicaciones 11 y 12 está comprendido entre 10 nm y 500 nm.

16. Procedimiento de obtención de una formulación según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende:

(a) proveer el (los) disolvente (s) ;

(b) mezclar el (los) dispersante (s) con el (los) disolventes de la etapa (a) ; y

(c) mezclar las nanopartículas de nitruro de aluminio con la mezcla de la etapa (b) .

17. Procedimiento según la reivindicación 16, que comprende además la adición de al menos un agente humectante a la mezcla de la etapa (b) .

18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 17, que comprende además la adición de polímero (s) al (a los) disolvente (s) de la etapa (a) y/o a la mezcla de la etapa (b) .

19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, que comprende además la adición de nanopartículas que se seleccionan del grupo que consiste en nitruro de silicio, óxido de aluminio y mezclas de las mismas a la mezcla de la etapa (b) y/o a la mezcla de la etapa (c) .

20. Uso de una formulación según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 para la obtención de una capa barrera nivelante sobre un sustrato.

Velocidad de cizalla, 1/s FIG. 1

0, 1 1 10 100

Velocidad de cizalla, 1/s FIG. 2