Dispositivo termoeléctrico orgánico, sistema termoeléctrico, método para la fabricación del dispositivo, revestimiento para cerramiento, cerramiento y sistema híbrido solar termoeléctrico.
Dispositivo termoeléctrico orgánico, sistema termoeléctrico, método para la fabricación del dispositivo,
revestimiento para cerramiento, cerramiento y sistema híbrido solar termoeléctrico.
El dispositivo comprende:
- un sustrato (S),
- unos elementos de polímero semiconductor orgánico (E) conductor de un solo tipo de portadores, planares y alargados, y dispuestos coplanarmente sobre el sustrato (S), quedando sus extremos localizados sobre dos respectivos extremos opuestos del sustrato (S), y constituyendo, respectivamente, una parte fría (F) y una parte caliente (C), o estando unidos o dispuestos adyacentes a las mismas;
- unos elementos de conexión (T) que interconectan en serie a los elementos de polímeros semiconductores orgánicos (E); y
- un primer (U1) y un segundo (U2) electrodos.
El sistema termoeléctrico incluye dos o más dispositivos termoeléctricos (D).
El método es apto para la fabricación del dispositivo.
El revestimiento y el sistema híbrido comprenden uno o más dispositivos termoeléctricos (D), y el cerramiento al revestimiento.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201430641.
Solicitante: UNIVERSITAT DE VALENCIA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: MORAIS DE LIMA,Mauricio, CULEBRAS RUBIO,Mario, GÓMEZ CLARI,Clara María, CANTARERO SÁEZ,Andrés.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L31/053 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). › Medios de almacenamiento de energía asociados directamente o integrados con la célula fotovoltaica, p. ej. un condensador integrado con una célula fotovoltaica (medios de almacenamiento de energía asociados con el módulo fotovoltaico H02S 40/38).
- H01L35/24 H01L […] › H01L 35/00 Dispositivos termoeléctricos que tienen una unión de materiales diferentes, es decir, que presentan el efecto Seebeck o el efecto Peltier, con o sin otros efectos termoeléctricos o termomagnéticos; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o al tratamiento de estos dispositivos de sus partes constitutivas; Detalles (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00). › utilizando composiciones orgánicas.
- H01L35/28 H01L 35/00 […] › funcionando exclusivamente por efecto Peltier o efecto Seebeck.
Fragmento de la descripción:
Dispositivo termoeléctrico orgánico, sistema termoeléctrico, método para la fabricación del dispositivo, revestimiento para cerramiento, cerramiento y sistema 5 híbrido solar termoeléctrico Sector de la técnica La presente invención concierne, en general, en un primer aspecto, a un dispositivo termoeléctrico orgánico, formado por unos elementos de polímero semiconductor orgánico conductor de un solo tipo de portadores dispuestos sobre un sustrato, y más en particular a un dispositivo de configuración planar con sus caras fría y caliente dispuestas, respectivamente, en los extremos opuestos de los elementos de polímero semiconductor, los cuales son alargados.
Un segundo aspecto de la invención concierne a un sistema termoeléctrico que incluye dos o más dispositivos como los del primer aspecto.
En un tercer aspecto, la presente invención concierne a un método para la fabricación del dispositivo.
Un cuarto aspecto de la invención concierne a un revestimiento para cerramiento que comprende el dispositivo del primer aspecto.
Un quinto aspecto de la presente invención concierne a un cerramiento que incluye el 25 revestimiento del cuarto aspecto.
Un sexto aspecto de la presente invención concierne a un sistema híbrido solar termoeléctrico, que comprende un panel solar y, asociado al mismo, el dispositivo del primer aspecto.
La presente invención es particularmente aplicable a la producción de energía en aplicaciones a gran escala, implementándose en grandes superficies, como por ejemplo ventanas y muros de edificios o en paneles solares.
Estado de la técnica anterior Actualmente existen dispositivos comerciales basados en Bi3Te2 llamados módulos Peltier utilizados en sistemas de refrigeración. La utilización de estos dispositivos para aplicaciones en grandes superficies resulta completamente inviable.
También existen ciertos prototipos orgánicos que utilizan semiconductores orgánicos tipo n y p, dispuestos alternadamente. Tal es el caso del dispositivo propuesto en la solicitud de patente US20130042899, el cual incluye dos sustratos que constituyen, respectivamente, las caras fría y caliente del dispositivo, y que incluye pares de miembros semiconductores de dopajes distintos atrapados entre ambos sustratos, y que se aplican por ejemplo mediante una impresora de inyección sobre las caras enfrentadas de ambos sustratos. La distancia existente entre las caras fría y caliente de tal dispositivo es muy pequeña.
Muchos de estos dispositivos presentan serios inconvenientes, como su escasa eficiencia y poca viabilidad en su escalado a grandes superficies.
En la solicitud US20110094556 se describe un dispositivo termoeléctrico con una configuración planar en sus elementos termoeléctricos constituido por pistas termoeléctricas cortas dispuestas sobre un sustrato rígido, alternando elementos de material de tipo n con elementos de material de tipo p, los cuales no son materiales orgánicos. El sustrato se encuentra atrapado, junto con otra serie de elementos y capas de materiales aislantes, entre una capa superior y una inferior que constituyen las caras fría y caliente del dispositivo, o viceversa. La aplicación del dispositivo propuesto en US20110094556 en grandes superficies es inviable (debido al elevado coste que supondría) , su configuración planar con pistas termoeléctricas tan cortas impide que el dispositivo se pueda utilizar con diferencias de temperaturas grandes ya que sería muy difícil de mantener una diferencia de temperatura grande. Este tipo de dispositivos necesita disipar el calor de la cara fría, al ser la distancia entre las caras fría y caliente muy pequeña.
En la solicitud Internacional WO2012101312A1 se describe un dispositivo termoeléctrico a escala micrométrica (microgenerador) , el cual no es apto para aplicaciones sobre grandes superficies. El dispositivo propuesto en dicha solicitud solamente puede estar constituido por nanohilos de Silicio como elementos termoeléctricos, siendo necesario, en particular, el uso de nanohilos de silicio de tipo n y de tipo p, no contemplándose el uso de materiales orgánicos.
Aunque el dispositivo descrito en WO2012101312A1 tenga una configuración planar de sus elementos termoeléctricos, la diferencia de temperatura ha de ser desde el centro del dispositivo hacia los extremos, lo cual, teniendo en cuenta el tamaño reducido del dispositivo (de unos 5x5 mm2) , hace que sea difícil alcanzar una diferencia de temperatura muy grande.
El dispositivo propuesto en WO2012101312A1 no es flexible y, obviamente, es inviable para aplicaciones a gran escala.
Por otra parte, en la solicitud Internacional WO2013065856A1 se describe un dispositivo de conversión termoeléctrica que sí que utiliza un solo tipo de semiconductor orgánico, tipo p en este caso, utilizando polímeros semiconductores, tales como PEDOT, PANI, Polipirrol, etc., con la posibilidad de incorporar un sustrato flexible, y que reúne las características del preámbulo de la reivindicación 1 de la presente invención.
En el dispositivo propuesto en WO2013065856A1, los elementos de polímero semiconductor presentan una conformación vertical, tal y como puede apreciarse en su Figura 1, estando tales elementos dispuestos sobre el sustrato según una dirección sustancialmente perpendicular, con uno de sus extremos fijado al sustrato y sus extremos opuestos fijados a una capa aislante, adoptando por tanto una estructura tipo sándwich que atrapa, entre el sustrato y la capa aislante, a los elementos de polímero semiconductor, donde el sustrato y la capa aislante constituyen, respectivamente, las caras fría y caliente del dispositivo, o viceversa. Como se aprecia en su Figura 2, la diferencia de temperatura a convertir en voltaje ha de producirse entre dichas caras fría y caliente, las cuales se encuentran separadas entre sí por una corta distancia, lo que hace que siempre sea necesario disipar el calor en la cara fría para poder mantener una diferencia de temperatura aceptable. Tal disipación de calor de la cara fría es aún más necesaria si se tiene en cuenta que los elementos de polímero semiconductor utilizados son de un solo tipo de dopaje, lo que significa que las uniones eléctricas entre los mismos se hacen desde la cara fría a la cara caliente, y como el metal utilizado en tales uniones eléctricas es mucho mejor conductor del calor que el semiconductor termoeléctrico, y tiene una longitud muy pequeña, tal metal rápidamente calienta la parte fría, debido a una mejor transmisión de calor entre la parte fría y caliente, con lo que se pierde mucha eficiencia.
Los materiales termoeléctricos en el dispositivo propuesto en WO2013065856A1 se preparan mediante métodos mecánicos de recubrimiento, y el proceso de fabricación
contiene numerosas etapas que lo hacen complicado, con lo que se traduce en un considerable aumento del coste de procesado del dispositivo.
Explicación de la invención Resulta necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, aportando un dispositivo termoeléctrico que, entre otros, mejore la eficiencia de los conocidos, permita mantener suficientemente alejadas las partes fría y caliente como para no tener la necesidad de disipar el calor de la parte fría, y sea apto para aplicaciones a gran escala.
Con tal fin, la presente invención concierne a un dispositivo termoeléctrico orgánico, que comprende:
- un sustrato,
- unos elementos de polímero semiconductor orgánico conductor de un solo tipo de portadores, tipo n o, preferentemente, tipo p, y que están dispuestos sobre dicho sustrato;
- unos elementos de conexión, conductores de electricidad, que interconectan en serie a dichos elementos de polímeros semiconductores orgánicos; y
- un primer y un segundo electrodos conectados, respectivamente, con dos de dichos elementos de polímeros semiconductores orgánicos; donde unos primeros y unos segundos extremos de los elementos de polímero semiconductor orgánico constituyen, respectivamente, una parte fría y una parte caliente del dispositivo, o están unidos o dispuestos adyacentes a las mismas.
A diferencia de las propuestas conocidas, en particular a diferencia del dispositivo propuesto WO2013065856A1, en el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención los elementos de polímero semiconductor orgánico tienen una conformación planar, son alargados en una dirección y están dispuestos coplanarmente sobre el sustrato, según una disposición en la que los primeros y segundos extremos de los elementos de polímero semiconductor orgánico se encuentran localizados sobre dos respectivos extremos opuestos del sustrato.
En el dispositivo...
Reivindicaciones:
1. Dispositivo termoeléctrico orgánico, que comprende:
-un sustrato (S) ,
- unos elementos de polímero semiconductor orgánico (E) conductor de un solo tipo de portadores y que están dispuestos sobre dicho sustrato (S) ;
-unos elementos de conexión (T) , conductores de electricidad, que interconectan en serie a dichos elementos de polímeros semiconductores orgánicos (E) ; y
- un primer (U1) y un segundo (U2) electrodos conectados, respectivamente, con dos de dichos elementos de polímeros semiconductores orgánicos (E) ; donde unos primeros y unos segundos extremos de los elementos de polímero semiconductor orgánico (E) constituyen, respectivamente, una parte fría (F) y una parte caliente (C) del dispositivo, o están unidos o dispuestos adyacentes a las mismas;
estando el dispositivo caracterizado porque dichos elementos de polímero semiconductor orgánico (E) tienen una conformación planar, son alargados en una dirección y están dispuestos coplanarmente sobre dicho sustrato (S) , según una disposición en la que dichos primeros y segundos extremos de los elementos de polímero semiconductor orgánico (E) se encuentran localizados sobre dos respectivos extremos opuestos del sustrato (S) .
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho sustrato (S) es flexible.
3. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos elementos de polímero semiconductor orgánico alargados (E) tienen formas rectangulares.
4. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado 30 porque las direcciones en las que los elementos de polímero semiconductor orgánico (E) son alargados son paralelas entre sí.
5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque dichos elementos de polímero semiconductor orgánico alargados (E) están equiespaciados entre sí, en una dirección transversal.
6. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque dichos elementos de polímero semiconductor orgánico alargados (E) están separados entre sí, transversalmente, unas distancias variables.
.
7. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos dos elementos de polímero semiconductor orgánico (E) con los que dichos primer (U1) y segundo (U2) electrodos están respectivamente conectados son los dos elementos extremos de la serie que constituye dicha conexión en serie de elementos de polímeros semiconductores orgánicos (E) .
8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque los primer (U1) y segundo (U2) electrodos se encuentran conectados con los extremos libres de dichos elementos extremos de la serie.
1.
9. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la anchura de dichos elementos de polímero semiconductor orgánico (E) está dentro de un rango que va desde uno o varios nanómetros hasta uno o varios centímetros.
2.
10. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos primer (U1) y segundo (U2) electrodos están constituidos por al menos unas respectivas porciones de dos de dichos elementos de conexión (T) .
11. Sistema termoeléctrico que comprende al menos dos dispositivos (D) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores conectados eléctricamente en serie o en paralelo y con sus sustratos montados físicamente uno encima del otro.
12. Método para la fabricación de un dispositivo termoeléctrico orgánico y, que 30 comprende fabricar el dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 mediante la realización de las siguientes etapas:
a) depositar sobre dicho sustrato (S) una capa de metal o compuesto conductor eléctrico (GL) que no sea electroquímicamente activo, siguiendo un patrón predeterminado,
b) sintetizar dicho polímero semiconductor orgánico (PS) conductor de un solo tipo de portadores, por electropolimeración, sobre dicho metal o compuesto conductor
eléctrico (GL) constituyendo dichos elementos de polímero semiconductor orgánico (E) , siguiendo dicho patrón predeterminado, y tras ello eliminar la capa de metal o compuesto conductor eléctrico (GL) ; y
c) proporcionar dichos elementos de conexión (T) de manera que interconecten 5 en serie a los elementos de polímeros semiconductores orgánicos (E) , mediante un elemento o compuesto buen conductor de electricidad.
13. Método según la reivindicación 12, caracterizado porque comprende realizar, tras dicha etapa c) , una etapa de optimización del dopado del polímero semiconductor de los elementos de polímero semiconductor orgánico conductor, mediante reducción u oxidación del semiconductor utilizando métodos químicos o electroquímicos.
14. Método según la reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque comprende, tras dicha etapa c) o tras dicha etapa de optimización del dopado, la realización de una etapa d) de eliminación de material sobrante de polímero semiconductor orgánico (PS) , quedando únicamente dispuestos sobre el sustrato (S) los elementos de polímero semiconductor orgánico alargados (E) y los elementos de conexión (T) .
15. Método según la reivindicación 12, 13 ó 14, caracterizado porque dicha deposición 20 de dicha etapa a) se lleva a cabo por evaporación térmica.
16. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque dicho sustrato (S) es flexible.
17. Método según la reivindicación 16, caracterizado porque dicho sustrato (S) flexible está hecho de al menos uno de los siguientes materiales: PoliEtilenTereftalato (PET) , poliuretano, polipropileno y polietileno, o de una combinación de los mismos.
18. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque 30 dicho sustrato (S) es rígido.
19. Método según la reivindicación 18, caracterizado porque dicho sustrato rígido (S) está hecho de al menos unos de los siguientes materiales: vidrio, cuarzo y resinas poliméricas termoestables, o de una combinación de los mismos.
20. Revestimiento para cerramiento que comprende al menos un dispositivo termoeléctrico (D) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
21. Revestimiento según la reivindicación 20, caracterizado porque comprende al 5 menos dos dispositivos termoeléctricos (D) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 conectados eléctricamente en serie o en paralelo.
22. Cerramiento que incluye el revestimiento de la reivindicación 20 ó 21.
23. Sistema híbrido solar termoeléctrico, que comprende un panel solar y, asociado al mismo, al menos un dispositivo termoeléctrico (D) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
24. Sistema híbrido según la reivindicación 23, caracterizado porque comprende al 15 menos dos dispositivos termoeléctricos (D) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 conectados eléctricamente en serie o en paralelo.
DIBUJOS
Fig. 3
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