КЕРАМИЧЕСКАЯ ПЛИТКА С ПОВЕРХНОСТЬЮ, ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Российский патент 2011 года по МПК H01L31/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение касается керамической плитки с поверхностью, функционализированной фотоэлектрическими элементами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

При выделении проблем, связанных с поиском традиционных источников энергии, растущее внимание направляется на изучение применения альтернативных источников энергии, таких как, например, солнечная энергия. В этом отношении недавно были получены устройства, которые используют фотоэлектрический эффект и, таким образом, преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию.

Устройства вышеуказанного типа, вследствие их технических характеристик, также кажутся способными привнести интересные применения в получение электрической энергии в секторах частных и общественных зданий.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является обеспечить керамические плитки, которые содержат фотоэлектрические элементы, на их открытых поверхностях. Таким образом, будет возможно использовать данные плитки для покрытия внешних поверхностей зданий и в то же время иметь доступные устройства, способные снабжать сами здания электрической энергий, получаемой от превращения солнечной энергии, или вводить упомянутую энергию в питающую электрическую сеть.

Формой объекта настоящего изобретения является керамическая плитка, содержащая, по меньшей мере, один фотоэлектрический элемент, причем упомянутая плитка отличается тем, что она содержит: тело керамической основы, имеющее поглощение воды, равное или меньшее чем 0,5 мас.%; фотоэлектрический элемент, приложенный непосредственно к первой поверхности упомянутого тела керамической основы; устройство, содержащее электрическую и/или электронную часть, приложенное ко второй поверхности упомянутого тела керамической основы; и электрический соединитель, сконструированный так, чтобы электрически соединять упомянутый фотоэлектрический элемент с упомянутым устройством, содержащим электрическую и/или электронную часть, через упомянутое тело керамической основы.

Согласно предпочтительному варианту осуществления фотоэлектрический элемент содержит слой электропроводящего материала, установленный непосредственно на упомянутой первой поверхности упомянутого тела керамической основы, множество активных слоев и слой электропроводящего материала с предпочтительно решеткоподобной структурой; причем упомянутое множество активных слоев содержит, по меньшей мере, последовательно слой n-типа, фотоактивный промежуточный слой и слой p-типа.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления упомянутый фотоэлектрический элемент содержит прозрачный проводящий слой, установленный между упомянутыми активными слоями и упомянутым слоем электропроводящего материала с предпочтительно решеткоподобной структурой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

Последующие примеры приводятся в качестве поясняющего и неограничивающего примера, чтобы способствовать лучшему пониманию данного изобретения с помощью фигуры присоединенного чертежа, который представляет собой вид сбоку в разрезе детали плитки согласно настоящему изобретению.

ЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Плитка, образующая объект настоящего изобретения, обозначена в целом как 1 на данной фигуре.

Плитка 1 содержит тело 2 керамической основы, имеющее такую пористость, чтобы задавать поглощение воды, меньшее или равное 0,5 мас.%, определенное согласно стандарту ISO 10545-3.

Плитка 1 содержит: фотоэлектрический элемент 3, приложенный к первой поверхности 2а тела 2 керамической основы; устройство 4, содержащее электрическую и/или электронную часть и приложенное ко второй поверхности 2b, противоположной поверхности 2а; и электрический соединитель 5, который находится внутри отверстия 2с, проделанного в теле 2 керамической основы, и через которое он электрически соединяет фотоэлектрический элемент 3 с устройством 4.

Фотоэлектрический элемент 3 содержит последовательно: слой проводящего материала 6, установленный в прямом контакте с поверхностью 2а; комплекс активных слоев 7; слой прозрачного проводящего материала 8; предпочтительно решеткоподобный слой проводящего материала 9; и прозрачный защитный слой 10.

В частности, комплекс активных слоев 7 содержит слой n-типа 11, промежуточный фотоактивный слой 12 и слой p-типа 13.

Далее приведены два примера способа получения плитки, образующей объект настоящего изобретения.

ПРИМЕР 1

Изготовление тела 2 керамической основы выполняют путем сухого прессования измельченного керамического порошка, обычно применяемого для керамических плиток, влажность которого должна находиться между 3 и 6 мас.%. Прессование выполняют при давлении от 35 МПа до 60 МПа. Операция прессования может использовать шаблон, который предусматривает, на поверхности 2b, выемку для установки устройства 4, которое содержит электрическую и/или электронную часть.

Сырое тело основы, полученное с помощью операции прессования, сушат и затем делают одно или несколько отверстий 2с, только одно из которых указано на фигуре.

Полученное таким образом тело основы подвергают этапу обжига при максимальной температуре от 1100°С до 1250°С. Таким путем получают тело 2 основы с пористостью, равной или меньшей чем 0,5 мас.%, определенной согласно стандарту ISO 10545-3.

Затем на поверхность 2а тела 2 керамической основы наносят электропроводящий металлический слой 6, например, с помощью трафаретных технологий. Электропроводящий слой 6 может состоять из слоя металла, такого как, например, Ag или Ag-Al смесь. Чтобы уплотнить упомянутый металлический слой и заставить его приобрести необходимые свойства электрической проводимости, полузаконченный продукт подвергают соответствующей термической обработке, которая будет зависеть от использованного материала. Для трафаретных паст на основе Ag и Ag-Al упомянутые технологии предусматривают либо комбинацию быстрого нагрева/охлаждения, подвергающей полузаконченный продукт температуре 700°С в течение 5 минут, либо термическую обработку от комнатной температуры до 700°С при скорости нагрева от 5 до 20°С/мин. Конечная толщина осажденного проводящего слоя 6 после обжига будет составлять от 5 до 20 мкм.

На проводящий слой 6 последовательно осаждают с помощью технологии ХОГ (химическое осаждение из газовой фазы), предпочтительно технологии плазменного ХОГ (ПХОГ): слой 11 n-легированного аморфного кремния толщиной приблизительно 30 нм, осаждаемый при максимальной температуре подложки приблизительно 210°С; фотоактивный слой 12 из натурального аморфного кремния, имеющий толщину приблизительно 580 нм, осаждаемый при максимальной температуре подложки приблизительно 250°С; и слой 13 p-легированного аморфного кремния, имеющий толщину приблизительно 15 нм, осаждаемый при максимальной температуре подложки приблизительно 250°С.

Поверх второго слоя 13 из аморфного кремния осаждают прозрачный электропроводящий слой 8 из оксида индия-олова (ИОО) или легированного фтором оксида олова (ФОО), или другого прозрачного оксида металла. Это осаждение можно выполнять с помощью технологии распыления при температуре подложки приблизительно 250°С, получая слой 8 с максимальной толщиной приблизительно 75 нм.

Поверх прозрачного электропроводящего слоя 8 осаждают слой электропроводящего материала 9, такого как, например, серебро, предпочтительно решеткоподобный. Слой 9 можно осаждать с помощью трафаретной технологии, ракельной технологии, с помощью струйной печати, распыления или с помощью термического испарения. Кроме того, слой 9 можно уплотнять с помощью соответствующей термической обработки, которая будет зависеть от используемого материала.

В этот момент проводящий соединитель 5 жесткого или эластичного типа вводят внутрь через ранее сделанные отверстия 2с. Проводящий соединитель 5 можно прикреплять к керамическому материалу с помощью специальных материалов, чтобы гарантировать крепкую адгезию.

Соединитель жесткого типа содержит у первого конца головку, которая покоится на поверхности 2а, где ее припаивают к слою проводящего материала 6, и может содержать у второго конца, обращенного к поверхности 2b, штифт, припаянный оловом на электрическом и/или электронном устройстве 4, или, альтернативно, нарезной стержень, сконструированный так, чтобы крепиться к самому электрическому и/или электронному устройству 4 гайками, делая возможным удобное обслуживание. Конкретные конфигурации соединителя 5 только описываются и не показаны на фигуре с целью простоты.

В качестве покрытия фотоэлектрического элемента 3 используют защитный прозрачный слой 10, разработанный так, чтобы гарантировать высокое пропускание солнечного излучения, устойчивость к влажности и атмосферным агентам, устойчивость к УФ лучам и электрическую изоляцию. Защитный слой 10 может быть образован из низкоплавкой стекловидной эмали или, альтернативно, полимерного слоя соответствующей композиции, такого как, например, поликарбонат или фторированные полимеры (например, полихлортрифторэтилен (ПХТФЭ) или комбинация полиметилметакрилата и поливинилфторида).

В конце, на поверхности 2b прикрепляют устройство 4, содержащее электрическую и/или электронную часть, к соединителю 5 путем расположения внутри выемки, сделанной в теле 2 керамической основы. Устройство 4, содержащее электрическую и/или электронную часть, известно и не описывается здесь подробно.

Устройство 4, содержащее электрическую и/или электронную часть, может брать на себя функцию электрически пассивного компонента, имеющего целью соединение плиток последовательно или параллельно относительно друг друга, чтобы повышать доступное напряжение и ток до величин, которые могут адекватно обрабатываться статическими преобразователями адекватной мощности, которые отвечают за введение получаемой энергии в электрическую питающую сеть. Иным образом, устройство 4, содержащее электрическую и/или электронную часть, может обеспечивать, используя технологию MOSFET, функцию МРРТ (слежение за максимальной точкой мощности), т.е. задавать электрические условия для подачи доступной максимальной мощности как функцию условий освещения, и передавать ее на промежуточную шину с характеристиками, подходящими для ее последующего введения в электрическую питающую сеть, и/или прямое использование, и/или использование, для сохранения в батареях.

ПРИМЕР 2

Керамическая плитка, полученная в этом втором примере, отличается от плитки, полученной согласно примеру 1, в отношении композиции комплекса активных слоев 7 и их получения.

Более конкретно, тело основы, приходящее с этапа обжига при максимальной температуре от 1100°С до 1250°С и содержащее проводящий слой 6, затем нагревают до температуры 450°С. На нем осаждают слой 11 толщиной от 70 до 150 нм, предпочтительно 100 нм, компактного TiO₂ с помощью распыления водно-спиртового раствора титанового предшественника (например, раствора изопропоксида титана (IV) или изопропоксиацетилацетоната титана (IV), как описано в Kavan, L., Grätzel, M., "Highly efficient semiconducting TiO₂ photoelectrodes prepared by aerosol pyrolysis", Electrochim. Acta, 1995, 40, 5, 643-652). Полузаконченный продукт, полученный таким образом, дополнительно нагревают до 500°С в течение приблизительно одного часа.

Активный слой 12, который состоит из смеси порошков TiO₂ и CuInS₂, осаждают поверх слоя 11 из компактного TiO₂. Активный слой 12 может быть сделан либо из одного слоя смеси порошков (образованный, например, на 50 мас.% из порошка TiO₂ и на 50 мас.% из порошка CuInS₂), либо образован из ряда слоев; например, три слоя с массовыми отношениями: 70-30/50-50/30-70 соответственно TiO₂ и CuInS₂. Активный слой осаждают предпочтительно путем трафаретной печати, но можно также использовать такие технологии, как, например, ракельная технология, струйная печать, печать с кремниевыми валиками или распыление. Активный слой 12 можно уплотнять с помощью соответствующей термической обработки, которая будет зависеть от характеристик используемого материала.

Полная толщина данного слоя (или ряда слоев) предпочтительно составляет от 1 до 5 мкм.

Поверх активного слоя 12 указанными выше способами осаждают слой чистого CuInS₂ 13 толщиной от 0,08 до 0,12 мкм, предпочтительно, 0,1 мкм.

В этот момент приготовление плитки происходит с осаждением прозрачного проводящего слоя 8, как описано в примере 1.

Как будет очевидно специалисту в данной области техники, конкретная композиция комплекса активных слоев 7 может отличаться от описанной выше. В частности, слой p-типа 13 может быть сделан из любого соединения, имеющего общую эмпирическую формулу (IB) (IIIA) (VIA) 2, где IB обозначает элементы Cu, Ag, Au; IIIA обозначает элементы Al, Ga, In, Tl; и VIA обозначает элементы S, Se, Те.

Настоящее изобретение делает доступной плитку с керамической основой, способную заметно участвовать в сохранении энергии, например, изолируя здание с тепловой точки зрения и одновременно преобразуя солнечную энергию в электрическую энергию.

Кроме того, этапы получения предусмотрены таким образом, что позволяют их объединение с технологиями, применяемыми в керамическом секторе, чтобы оптимизировать экономику процесса в целом.

Изобретение относится к солнечной энергетике. Способ получения плитки, содержащей фотоэлектрический элемент, согласно изобретению включает последовательные этапы: получают тело (2) керамической основы, имеющее одно или несколько сквозных отверстий (2с), и поглощение воды, равное или меньшее чем 0,5 мас.%, причем упомянутый этап содержит: операцию прессования, в которой измельченный керамический порошок с влажностью от 3 мас.% до 6 мас.% подвергают операции прессования под давлением от 35 до 60 МПа, операцию сушки и операцию обжига при максимальной температуре от 1100 до 1250°С; и непосредственно осаждают на поверхность (2а) упомянутого тела (2) керамической основы: электропроводящий слой (6), изготовленный из Ag или Ag-Al; множество активных слоев (7); и слой электропроводящего материала (9) с решетко-подобной структурой; причем упомянутое множество активных слоев (7) последовательно содержит слой n-типа (11), фотоактивный слой (12) и слой p-типа (13); помещают в упомянутое отверстие (2с) проводящий соединитель (5) таким образом, что упомянутый проводящий соединитель (5) находится в электрическом контакте с упомянутым электропроводящим слоем (6); и прикладывают электрическое или электронное устройство (4) на поверхность (2b) упомянутого тела (2) керамической основы, противоположную к упомянутой поверхности (2а); причем упомянутое электрическое или электронное устройство (4) находится в электрическом контакте с упомянутым проводящим соединителем (5). Также предложена плитка, содержащая фотоэлектрический элемент, изготовленный описанным выше способом. Изобретение обеспечивает улучшение теплоизоляции зданий при одновременной возможности использования энергии солнечного света, для снабжения зданий электрической энергией. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения плитки, содержащей фотоэлектрический элемент, отличающийся тем, что он содержит последовательные этапы, где:
получают тело (2) керамической основы, имеющее одно или несколько сквозных отверстий (2с) и поглощение воды, равное или меньшее чем 0,5 мас.%, причем упомянутый этап содержит:
операцию прессования, в которой измельченный керамический порошок с влажностью от 3 до 6 мас.% подвергают операции прессования под давлением от 35 до 60 МПа,
операцию сушки и
операцию обжига при максимальной температуре от 1100 до 1250°С; и непосредственно осаждают на поверхность (2а) упомянутого тела (2) керамической основы:
электропроводящий слой (6), изготовленный из Ag или Ag-Al;
множество активных слоев (7) и
слой электропроводящего материала (9) с решеткоподобной структурой;
причем упомянутое множество активных слоев (7) последовательно содержит слой n-типа (11), фотоактивный слой (12) и слой p-типа (13);
помещают в упомянутое отверстие (2с) проводящий соединитель (5) таким образом, что упомянутый проводящий соединитель (5) находится в электрическом контакте с упомянутым электропроводящим слоем (6); и прикладывают электрическое или электронное устройство (4) на поверхность (2b) упомянутого тела (2) керамической основы, противоположную упомянутой поверхности (2а); причем упомянутое электрическое или электронное устройство (4) находится в электрическом контакте с упомянутым проводящим соединителем (5).

2. Способ получения плитки, содержащей фотоэлектрический элемент, по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап осаждения предусматривает осаждение прозрачного проводящего слоя (8), помещенного между упомянутыми активными слоями (7) и упомянутым слоем электропроводящего материала (9).

3. Способ получения плитки, содержащей фотоэлектрический элемент, по п.2, отличающийся тем, что упомянутый этап осаждения предусматривает осаждение на упомянутый слой электропроводящего материала (9) защитного слоя (10), изготовленного из одного из материалов, содержащихся в группе, состоящей из: стекловидной эмали, поликарбоната, фторированных полимеров, полихлортрифторэтилена (ПХТФЭ) и комбинации полиметилметакрилата и поливинилфторида.

4. Способ получения плитки, содержащей фотоэлектрический элемент, по п.3, отличающийся тем, что слой n-типа (11) образуют из n-легированного аморфного кремния, фотоактивный слой (12) образуют из натурального кремния, слой p-типа (13) образуют из p-легированного аморфного кремния, прозрачный проводящий слой (8) образуют из оксида индия-олова или легированного фтором оксида олова и слой электропроводящего материала (9) образуют из Ag.

5. Способ получения плитки, содержащей фотоэлектрический элемент, по п.3, отличающийся тем, что слой n-типа (11) образую из компактного TiO₂, фотоактивный слой (12) образуют из смеси TiO₂ с соединением общей эмпирической формулы (IB)(IIIA)(VIA)₂, слой p-типа (13) образуют из соединения общей эмпирической формулы (IB)(IIIA)(VIA)₂, прозрачный проводящий слой (8) образуют из ИОО и слой электропроводящего материала (9) образуют из Ag;
IB представляет собой один из элементов, содержащихся в группе, состоящей из Cu, Ag, Au;
IIIA представляет собой один из элементов, содержащихся в группе, состоящей из Al, Ga, In, Tl; и
VIA представляет собой один из элементов, содержащихся в группе, состоящей из S, Se, Те.

6. Способ получения плитки, содержащей фотоэлектрический элемент, по п.5, отличающийся тем, что соединение с общей эмпирической формулой (IB)(IIIA)(VIA)₂ представляет собой CuInS₂.

7. Способ получения плитки, содержащей фотоэлектрический элемент, по п.4, отличающийся тем, что упомянутое осаждение активных слоев (11, 12, 13) аморфного кремния выполняют, используя технологию ХОГ (химическое осаждение из газовой фазы).

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что упомянутое осаждение активных слоев (11, 12, 13) аморфного кремния выполняют, используя технологии плазменного ХОГ или радиочастотного ХОГ.

9. Плитка, содержащая фотоэлектрический элемент, отличающаяся тем, что ее изготавливают с помощью способа по любому из предыдущих пунктов.