(11) Número de Publicação:
PT 104996
(51) Classificação Internacional:H01G 9/20 (2006) H01L 31/042 (2006)
(12) FASCÍCULO DE PATENTE DE INVENÇÃO
(22) Data de pedido: 2010.03.09 (30) Prioridade(s):
(43) Data de publicação do pedido: 2011.09.09
(73) Titular(es):
EFACEC - ENGENHARIA, S.A.
RUA ENGENHEIRO FREDERICO ULRICH GUARDEIRAS, APARTADO 3078
4470-605 MAIA PT
(72) Inventor(es):
ADÉLIO MIGUEL MAGALHÃES MENDES PT LUÍSA MANUELA MADUREIRA ANDRADE PT RUI ALBERTO TEIXEIRA CRUZ PT
(74) Mandatário:
ANABELA TEIXEIRA DE CARVALHO
EDIFICIO OCEANUS - AVENIDA DA BOAVISTA 3211- 1° ANDAR SALA 2.1 PORTO
4100-137 PORTO PT
(54) Epígrafe: CÉLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR CORANTE
(57) Resumo: A PRESENTE INVENÇÃO DESCREVE UMA FORMA DE AUMENTAR A EFICIÊNCIA NA CONVERSÃO DE ENERGIA SOLAR EM ENERGIA ELÉCTRICA EM CÉLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR CORANTE.AS CÉLULAS SOLARES DA PRESENTE INVENÇÃO CONTÊM UMA PELÍCULA OBTIDA POR PINTURA DUM REVESTIMENTO REFLECTOR DE LUZ (6) NA SUPERFÍCIE EXTERIOR DO CONTRA-ELÉCTRODO (4). SENDO ESTE REVESTIMENTO UMA TINTA CONVENCIONAL, DE QUALQUER COR.AS CÉLULAS OBJECTO DA PRESENTE INVENÇÃO PODERÃO ESTAR AINDA COMPREENDIDAS POR DUAS LÂMINAS DE VIDRO REVESTIDO POR UMA CAMADA TRANSPARENTE E CONDUTORA ELÉCTRICA (1) E (5), UM FOTOELÉCTRODO (2), UM ELECTRÓLITO (3) E UM CONTRA ELÉCTRODO (4) E POR UMA PELÍCULA REFLECTORA APLICADA NO EXTERIOR DO CONTRA-ELÉCTRODO E OBTIDA POR APLICAÇÃO POR PINTURA DE UM REVESTIMENTO REFLECTOR DE LUZ (6).APÓS A INCLUSÃO DESTA PELÍCULA REFLECTORA(6) NO EXTERIOR DO CONTRA-ELÉCTRODO(4) OBTIVERAM-SE RESULTADOS SURPREENDENTES; A APLICAÇÃO POR PINTURA DE UMA CAMADA TINTA BRANCA COMO PELÍCULA REFLECTORA PERMITIU UM AUMENTO RELATIVO DA EFICIÊNCIA DESTAS CÉLULAS MUITO ELEVADO E DE ATÉ 30%.
RESUMO
“CÉLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR CORANTE”
A presente invenção descreve uma forma de aumentar a eficiência na conversão de energia solar em energia eléctrica em células solares sensibilizadas por corante.
As células solares da presente invenção contêm uma película obtida por pintura dum revestimento reflector de luz (6) na superfície exterior do contra-eléctrodo (4). Sendo este revestimento uma tinta convencional, de qualquer cor.
As células objecto da presente invenção poderão estar ainda compreendidas por duas lâminas de vidro revestido por uma camada transparente e condutora eléctrica (1) e (5), um fotoeléctrodo (2), um electrólito (3) e um contra eléctrodo (4) e por uma película reflectora aplicada no exterior do contra-eléctrodo e obtida por aplicação por pintura de um revestimento reflector de luz (6).
Após a inclusão desta película reflectora(6) no exterior do contra-eléctrodo(4) obtiveram-se resultados surpreendentes; a aplicação por pintura de uma camada tinta branca como
película reflectora permitiu um aumento relativo da
DESCRIÇÃO
“CÉLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR CORANTE”
Domínio técnico
O presente invento descreve uma nova célula solar
sensibilizada por corante na qual é aplicado um
revestimento por pintura, no seu exterior e do lado do
contra-eléctrodo, capaz de reflectir a radiação que
atravessa a célula.
Estas células são células fotoelectroquímicas capazes de converter energia solar em energia eléctrica
Antecedentes da Invenção
Células sensibilizadas por corante, ou do inglês
Dye-sensitized Solar Cells- DSC(s), são células
fotoelectroquímicas capazes de converter energia solar em
energia eléctrica.[1] Em 1980 Skotheim[2] descreveu uma
célula solar de baixo custo a que chamou “dye-sensitized
Schottky barrier solar cell”. Contudo, foi apenas em 1991
com o proeminente trabalho de Brian O’Regan e Michael Grätzel que as DSCs demonstraram o seu potencial de conversão de energia, tendo como vantagens o seu baixo
custo e processo simples de fabrico.[1]Brian O’Regan e
Michael Grätzelutilizaram um filme de nanoparticulas de
TiO2com uma elevada área superficial. Este tipo de
estruturas permitiu um aumento da quantidade de corante adsorvido e, consequentemente, um aumento da absorção de
fotões, atingindo-se uma eficiência de conversão
fotoeléctrica superior a 7 %. O modo de funcionamento deste tipo de células fotoelectroquímicas e o respectivo processo
de fabrico é reportado por Michael Grätzel e pelos seus
co-autores nos documentos US 4,927,721 e US 5,084,365.[3; 4]
Uma DSC típica é constituída por um filme de um óxido semicondutor mesoporoso e nanoestruturado, normalmente o dióxido de titânio, cujas nanopartículas são depositadas num substrato de vidro revestido com uma película condutora
e transparente de SnO2:F (TCO – Transparent Coating Oxide).
Adsorvido na superfície do filme nanocristalino encontra-se uma monocamada de corante, responsável pela absorção da radiação solar – fotoeléctrodo. A fotoexcitação do corante resulta na injecção de um electrão na banda de condução do
dióxido de titânio. Este electrão atravessa o filme de TiO2
e é recolhido pelo TCO, onde é conduzido para o circuito externo da célula. O corante no estado excitado é posteriormente regenerado pelo electrólito que preenche o espaço entre o fotoeléctrodo e o contra-eléctrodo. O
electrólito consiste normalmente no par redox
iodeto/triiodeto num solvente orgânico. O ião triiodeto cede um electrão ao corante, regenerando-o, e dá origem a iões iodeto. Por sua vez, o iodeto é regenerado através da redução do triiodeto no contra-eléctrodode platina através dos electrões que percorrem o circuito externo da célula. Por conseguinte, as DSCs permitem a obtenção de energia eléctrica a partir da luz solar sem qualquer transformação química permanente.
As DSCs são capazes de converter luz solar em corrente eléctrica com uma eficiência máxima, reportada até ao
momento, de pouco mais de 11 %.[5] Deste modo, e apesar das
já mencionadas vantagens deste tipo de células solares, há que considerar os baixos valores de eficiência de conversão de energia solar em energia eléctrica. No sentido de
ultrapassar esta limitação a quantidade de radiação incidente absorvida terá que ser aumentada. Para tal têm sido desenvolvidos diversos esforços para desenvolver
corantes, eléctrodos nanocristalinos, electrólitos e
contra-eléctrodos mais eficientes.[1] Por outro lado, a
absorção de luz tem sido igualmente aumentada por
utilização de estruturas constituídas por partículas de
TiO2 de grande diâmetro (~400 nm), capazes de desencadear a
reflexão de parte da luz incidente que seria perdida devido à transparência do fotoeléctrodo. Também o arranjo em
célula tandem proposto por Kubo et al.[6], baseado no uso de
uma mistura de corantes N719 e “black dye”, permitiu um aumento da resposta espectral, um aumento da fotocorrente e, consequentemente, da eficiência global do sistema.
Uma outra característica a ter em conta neste tipo de células prende-se com a transparência dos eléctrodos duma DSC. Se por um lado este facto pode constituir uma vantagem tendo em vista a utilização das DSCs em janelas exteriores de edifícios, por outro lado faz com que parte da radiação incidente se perca dado que pode atravessar o fotoeléctrodo sem que tenha oportunidade de ser absorvido pelo mesmo.
Assim, Nazeeruddin et al.[7] desenvolveu um contra-eléctrodo
capaz de reflectir parte da luz que atravessa o filme de semicondutor transparente. Este contra-eléctrodo consiste num vidro condutor revestido com TCO onde é depositado por
“sputtering” um filme de platina com uma espessura de 2 µm.
Não obstante, a quantidade de platina necessária a este tipo de deposição é significativamente maior do que no método convencional, aumentando os custos de produção devido ao elevado custo da platina enquanto matéria-prima. Por outro lado, o processo de deposição de platina por decomposição térmica, cujo custo é significativamente mais
baixo, não pode ser usado para este efeito visto produzir um filme transparente. Outros autores tentaram conjugar o aumento da actividade catalítica do contra-eléctrodo com propriedades de reflexão de luz por parte do mesmo. De facto, a preparação de contra-eléctrodos baseados em estruturas de Ni-P e titânio, ambos em associação com platina, demonstraram um aumento da reflexão da luz,
especialmente na região do vermelho.[8] O mesmo conceito foi
aplicado por Ji et al.[9] mas neste caso recorrendo a filmes
de alumínio e de platina. Aumentos significativos da eficiência das DSCs foram conseguidos devido à baixa resistência eléctrica e elevada reflectividade da luz nestes filmes,para além de serem de fácil preparação.
Todavia, estes filmes parecem contribuir para um
envelhecimento acelerado das DSCs. Em 2006, Liu et al.[10]
descreveu o uso dum filme reflector de prata aplicado na parte exterior do contra-eléctrodo. Desta forma, a fracção de luz incidente que atravessa o fotoeléctrodo é reflectida pelo filme de prata. Verificou-se um aumento significativo da absorção de luz e consequentemente da eficiência de
conversão de energia solar em energia eléctrica. [10] Ainda
que o método seja de fácil aplicação é de salientar o elevado custo do filme de prata aplicado e da sua sensibilidade à degradação quando usado no exterior.
Sumário
Um dos objectos da presente invenção é a descrição de uma célula solar sensibilizada por corante caracterizada por conter uma película reflectora de luz (6) no exterior do contra-eléctrodo (4), em que a referida película é obtida por aplicação dum revestimento por pintura.
Nas células solares sensibilizadas por corante conhecidas, a radiação que atravessa a célula perde-se sem que produza energia eléctrica.
Na presente invenção, a radiação reflectida na película reflectora de luz (6) no exterior do contra-eléctrodo (4) é reenviada ao fotoeléctrodo (2), permitindo que uma maior fracção de luz incidente seja absorvido, sendo que surpreendentemente o revestimento por pintura maximiza a luz reflectida.
Após a inclusão desta película reflectora obtiveram-se
resultados surpreendentes, nomeadamente utilizando-se
tintas de elevada reflectância de qualquer cor, sendo que a aplicação de uma camada de tinta branca como filme reflector permite um aumento relativo da eficiência destas células até 30%. Os melhores resultados foram obtidos com a
tinta branca CINAQUA®.
A presente invenção descreve ainda uma célula solar sensibilizada por corante compreendida por:
duas camadas de material impermeável ao
electrólito e protector da célula (1) e (5)
revestidas no seu interior por uma camada
transparente e condutora eléctrica; o material das duas camadas poderá ser de preferência vidro ou PET – poli etileno tereftalato;
um fotoeléctrodo (2), poderá ser de preferência
dióxido de titânio nanoparticulado sensibilizado com um corante;
um electrólito (3), poderá ser de preferência o
um contra-eléctrodo (4), poderá ser de preferência uma camada fina de platina, de preferência entre 5 nm <espessura < 500 nm, ou partículas de carbono nanoestruturado dopado ou não com platina;
em que a referida película reflectora de luz (6)
é aplicada no exterior do contra-eléctrodo (4).
É ainda objecto da presente invenção aplicar nas célula
solares sensibilizadas por corante, anteriormente
descritas, uma película reflectora de luz é um revestimento aplicado por pintura, sendo o referido revestimento de
preferência uma tinta de elevada reflectância, de
preferência com índices de reflectância superior 80%, ainda de mais preferência uma tinta de cor branca, como por
exemplo a CINAQUA®.
Breve descrição das figuras
Para mais fácil compreensão da invenção juntam-se em anexo uma figura representando a realização preferencial do invento que, contudo, não pretendem limitar a presente invenção.
Na Figura 1 é apresentada um esquema duma célula solar sensibilizada por corante. A película reflectora (6) aplicada por pintura no exterior do contra eléctrodo (4) permite um aumento significativo da eficiência destas células.
Em particular a referida figura mostra:
Em que (1) representa a lâmina de vidro revestida com um filme condutor - TCO que serve de suporte do fotoeléctrodo da DSC;
Em que (2) representa o fotoeléctrodo um semicondutor sensibilizado com corante - fotoânodo;
Em que (3) representa o electrólito que preenche o espaço entre o fotoeléctrodo e o contra-eléctrodo;
Em que (4) representa o contra-eléctrodo - Catalisador de platina;
Em que (5) representa a lâmina de vidro revestida com um filme condutor (TCO) que serve de suporte ao contra-eléctrodo da DSC;
Em que (6) representa a película reflectora de luz, aplicada no exterior da lâmina de vidro que suporta o contra-eléctrodo.
Descrição Detalhada da invenção
A presente invenção propõe uma célula solar sensibilizada por corante (DSC) com uma elevada absorção da radiação incidente e, consequentemente, de elevada eficiência sem um aumento significativo do custo de fabrico. Para tal descreve a utilização de uma película reflectora de luz (6), de preferência de baixo custo, aplicada por pintura na parte exterior do contra-eléctrodo (4). Tendo em conta que parte da radiação incidente no fotoeléctrodo (2) passa através deste sendo perdida sem que seja absorvida, a camada reflectora origina o seu retorno ao fotoânodo dando a este uma segunda oportunidade para absorver a referida radiação. A presente patente descreve a utilização de uma tinta, de preferência branca para exterior, como camada reflectora aplicada no exterior do contra-eléctrodo; a camada reflectora de tinta tem ainda uma função protectora,
devendo ter uma elevada reflectância. Contudo, um filme de tinta de uma cor diferente do branco pode ser usado, permitindo obter um efeito estético, embora os ganhos na reflexão de luz sejam neste caso menores. A aplicação do filme reflector no exterior do contra-eléctrodo (4) tem a vantagem de contribuir para a minimização a degradação do suporte do contra-eléctrodo (4).
A presente invenção descreve uma célula solar sensibilizada por corante a qual apresenta um aumento da eficiência na conversão de energia solar em energia eléctrica.
As células solares da presente invenção contêm uma película obtida por pintura dum revestimento reflector de luz (6) na superfície exterior do contra-eléctrodo (4), sendo este revestimento uma tinta convencional, de qualquer cor.
As células objecto da presente invenção poderão estar ainda compreendidas por duas lâminas de vidro revestido por uma camada transparente e condutora eléctrica (1) e (5), um fotoeléctrodo (2), um electrólito (3) e um contra eléctrodo (4) e por uma película não reflectora no exterior do contra-eléctrodo (4) obtida pela pintura de um revestimento reflector de luz (6).
Actualmente, uma parte significativa da energia solar incidente perde-se sem que tenha oportunidade de ser convertida em energia eléctrica. A presente invenção descreve uma forma simples de minimizar estas perdas pela adição de uma película reflectora no contra-eléctrodo (6). Após a inclusão desta película reflectora (6) obtiveram-se resultados surpreendentes; a aplicação por pintura de uma camada tinta branca como película reflectora (6) permite um
aumento relativo da eficiência destas células muito elevado e de até 30%.
Assim sendo, o uso do filme de tinta aqui desvendado
encontra aplicação nas situações em que a
semi-transparência das células sensibilizadas por corante não é necessária, tais como, fachadas e telhados, entre outros. Nas fachadas, o uso do filme reflector com diferentes cores permite obter um efeito estético simultâneo com um ganho de eficiência a um custo muito baixo. Verificou-se que o uso de uma tinta reflectora branca permite um aumento de eficiência relativa das DSCs de até 30 %.
Para uma mais fácil compreensão da invenção descreve-se de seguida um exemplo de uma realização preferencial do invento, a qual, contudo, não pretende, limitar o objecto da presente invenção.
Exemplo 1
Este exemplo ilustra a aplicação da tinta Vinil Matt® da
empresa CIN, SA como película reflectora. A tinta foi aplicada sobre a superfície exterior do contra-eléctrodo em duas demãos, seguindo as indicações do produtor da tinta. A célula sensibilizada por corante é constituída por duas lâminas de vidro revestidas numa das faces com uma película transparente e condutora eléctrica. Numa das lâminas de vidro, e sobre a película condutora, foi aplicado uma
camada de 7 µm de partículas de TiO2com 20 nm de diâmetro
sobre a qual foi aplicada uma segunda camada com 5 µm de
partículas de TiO2 com 400 nm de diâmetro. Após
sinterização foi adsorvido na superfície do semicondutor o corante N719. O fotoeléctrodo foi selado ao
contra-eléctrodo através de um anel transparente de Surlyn (da
DuPont) com 25 µm de espessura. O contra-eléctrodo(6) foi
preparado com base na segunda lâmina de vidro na qual, e sobre a película condutora, foi depositado um filme de solução de platina. Após a aplicação da solução de platina, o contra-eléctrodo continuou transparente dado que o filme de platina aplicado foi muito fino. O espaço entre os dois eléctrodos foi preenchido por um electrólito(3) constituído por iodo(0.1 M) e N-metilbenzimidazol (0.5 M) numa mistura
de BMII;PMI-TFSI; γ-BL (2;3;1) vol/vol.
A DSC individual, sem camada reflectora, apresentou uma
fotocorrente de 13,7 mA·cm-2 e uma eficiência de 6,3 %,
passando a apresentar uma fotocorrente de 16,9 mA·cm-2 e
uma eficiência de 7,8 % após aplicação da camada reflectora de tinta. Estes valores foram lidos para uma potência
radiante de 1000 W m-2 e massa de ar AM 1,5.
Bibliografia
[1] B. O'Regan, and M. Grätzel, A Low-Cost, High-Efficiency
Solar-Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal TiO2
Films. Nature 353 (1991) 737-740.
[2] T. Skotheim, Dye-sensitized Solar Cells, US4,190,950, 1980.
[3] M. Grätzel, and P. Liska, Photo-Electrochemical Cell, US 4,927,721, 1990.
[4] M. Grätzel, and P. Liska, Photo-Electrochemical cell and process of making same, US 5,084,365, 1992.
[5] M. Grätzel, Molecular photovoltaics that mimic
photosynthesis. Pure and Applied Chemistry 73 (2001) 459-467.
[6] W. Kubo, A. Sakamoto, T. Kitamura, Y. Wada, and S. Yanagida, Dye-sensitized solar cells: improvement of spectral response by tandem structure. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 164 (2004) 33-39.
[7] M. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphry-Baker, E. Mueller, P. Liska, N. Vlachopoulos, and M. Grätzel, Conversion of light to electricity by
cis-X2bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)ruthenium(II)
charge-transfer sensitizers (X = Cl-, Br-, I-, CN-, and SCN-) on nanocrystalline titanium dioxide electrodes. J. Am. Chem. Soc. 115 (1993) 6382-6390.
[8] G. Wang, and Y. Lin, Novel counter electrodes based on NiP-plated glass and Ti plate substrate for dye-sensitized solar cells. Journal of Materials Science 42 (2007) 5281-5285.
[9] W. Ji, N. Cai, Y. Zhao, X. Zhang, J. Sun, C. Wei, C. Yuan, Y. Li, Y. Su, and S. Xiong, A new type counter electrode for dye-sensitized solar cells. Science in China Series E: Technological Sciences 52 (2009) 1923-1927.
[10] Y. Liu, H. Shen, X. Huang, and Y. Deng, A new improved
structure of dye-sensitized solar cells with
reflection film. Chinese Science Bulletin 51 (2006) 369-373.
REIVINDICAÇÕES
1. Célula solar sensibilizada por corante caracterizada por conter uma película reflectora de luz (6) no exterior do contra-eléctrodo (4) em que a referida película é obtida pela pintura de um revestimento.
2.Célula solar sensibilizada por corante de acordo a
reivindicação 1 caracterizada por compreender:
duas camadas de material impermeável ao
electrólito(3) e protector da célula (1) e (5), revestido no seu interior por uma camada transparente e condutora eléctrica,
um fotoeléctrodo (2),
um electrólito (3),
um contra-eléctrodo (4),
em que a referida película reflectora de luz
(6) se encontra no exterior do contra-eléctrodo (4).
3. Célula solar sensibilizada por corante de acordo com a reivindicação 2 caracterizada por o referido material das duas camadas (1) e (5) ser vidro ou PET.
4.Célula solar sensibilizada por corante de acordo com a
reivindicação 2 caracterizada por o fotoeléctrodo (2) ser dióxido de titânio nanoparticulado sensibilizado com um corante.
5.Célula solar sensibilizada por corante de acordo com a
reivindicação 2 caracterizada por o electrólito (3) ser o par ião iodeto/triiodeto.
6.Célula solar sensibilizada por corante de acordo com a reivindicação 2 caracterizada por o contra-eléctrodo (4) ser uma camada fina de platina, de preferência com espessura entre 5 nm a 500 nm, ou partículas de carbono nanoestruturado e dopado ou não com platina.
7. Célula solar sensibilizada por corante de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizada por o referido revestimento ser uma tinta de elevada reflectância, de preferência com valores superiores a 80 %.
8.Célula solar sensibilizada por corante de acordo com a
reivindicação anterior caracterizada por a referida tinta ser de cor branca.
1/1 Figura 1 1
Anabela
Teixeira de
Carvalho
Digitally signed by Anabela Teixeira de Carvalho DN: CN = Anabela Teixeira de Carvalho, C = PT, O = MULTICERT-CA, OU = CERTIPOR - RA Date: 2010.03.09 11:06:22 Z
