專利名稱：表面具有光伏電池功能的陶瓷瓷磚的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種其表面具有光伏電池功能的陶瓷瓷磚。
背景技術：
隨著對與尋找傳統能源相關問題的重視，對可替代能源開發的研究正引發人們日 益關注，諸如太陽能。對此，目前一段時間以來已經制備了利用光伏效應并由此將太陽輻射 能轉換成電能的裝置。 由于其技術特性，以上類型的裝置也表現出在私人和公共建筑部門的電能制備方 面具有有趣的應用。
發明內容
本發明的目的是提供一種陶瓷瓷磚，該瓷磚在其暴露的表面上具有光伏電池。這 樣，將會有可能使用該瓷磚來包覆建筑物的外表面、并且同時具有能夠為建筑物本身提供 由太陽能轉換而來的電能或者將所述能量引入供電網絡的有效器件。 形成本發明主題的瓷磚包括至少一個光伏電池，所述瓷磚包括陶瓷基體，所述陶 瓷基體的吸水性等于或小于O. 5wt% ;光伏電池，其直接設置在所述陶瓷基體的第一表面 上；含電氣和/或電子部件的器件，其設置于所述陶瓷基體的第二表面；以及電連接件，其 被設計成穿過陶瓷基體將所述光伏電池與所述含電氣和/或電子部件的器件電連接。
根據優選實施方式，所述光伏電池包括導電材料層、多個活性層以及具有優選為 柵格狀結構的導電材料層，所述導電材料層直接設置在所述陶瓷基體的第一表面上，所述 多個活性層依次包括至少n型層、光敏中間層和p型層。 根據更有選的實施方式，所述光伏電池包括透明導電層，所述透明導電層被設置 在所述活性層和具有優選為柵格狀結構的所述導線材料層(9)之間。
以示例性而非限制性的示例提供下面的實施例以便借助附圖來更好地理解本發 明，其中該圖是本發明的瓷磚的側視剖面圖。
具體實施例方式圖中由附圖標記1整體指示形成本發明主題的瓷磚。 瓷磚1包括陶瓷基體2，該陶瓷基體2的例如定義了吸水性的孔隙率根據ISO 10545-3標準確定為小于或等于0. 5wt%。 陶瓷1包括光伏電池3，其設置于陶瓷基體2的第一表面2a ;含電氣和/或電子 部件的器件4，其設置于與表面2a相對的第二表面2b ;以及導電連接件5，其置于形成在陶 瓷基體2中的孔2c中，導電連接件5穿過該孔2c將光伏電池與器件4電連接。
光伏電池3依次包括導電材料層6，其被設置成與表面2a直接接觸；活性層7復合體；透明導電材料層8 ;優選柵格狀的導電材料層9 ;以及透明保護層10。
特別地，活性層7的復合體包括n型層11、中間光敏層12、和p型層13。
接下來，提供兩個實施例來說明本發明主題形成的瓷磚的制備方法。
實施例1 : 通過對典型地用于陶瓷瓷磚的霧化陶瓷粉進行干壓而實現陶瓷基體2的制備，其 中霧化陶瓷粉的濕度必需在3到6wt^之間。在35MPa到60MPa之間的壓力下進行壓制。 壓制操作可使用模，該模在表面2b上設有用于容置含有電氣和/或電子部件的器件4的凹槽。 通過壓制操作得到的粗制基體(crude base body)被干化，隨后制出一個或多個 孔2c，圖中僅示出其中之一。 對由此處理過的基體實施以最大溫度進行烘焙的步驟，其中最大溫度在IIO(TC和 125(TC之間。這樣，獲得根據IS010545-3標準確定為孔隙率等于或小于0. 5wt^的陶瓷基 體2。 其次，例如，通過絲網印刷技術(serigraphic techniques)在陶瓷基體2的表面 2a上涂覆導電材料層6。導電材料層6可以包括諸如如Ag或Ag-Al混合物之類的金屬層。 為了鞏固所述金屬層并使其獲得必需的電導率特性，根據所使用的材料對半成品進行適當 的熱處理。對于Ag基和Ag-Al基絲網印刷槳，所述技術或者具有快速加熱/冷卻組合，使 半成品經受700°C的溫度5分鐘，否則以5到20°C /分鐘之間的加熱率進行從室溫到700°C 的熱處理。烘焙之后所沉積的導電層6的最終厚度將在5到20iim之間變化。
通過CVD (化學氣相沉積)法、優選等離子增強CVD (PECVD)法在導電層6上依次 沉積厚度約30nm的n型摻雜非晶硅層11，以約21(TC的最大襯底(substrate)溫度沉積； 厚度約580nm的本征非晶硅光敏層12，以約250°C的最大襯底溫度沉積；以及厚度約15nm 的P型摻雜非晶硅層11，以約25(TC的最大襯底溫度沉積。 在第二非晶硅層13頂部沉積銦錫氧化物(IT0)或摻氟的氧化錫(FT0)或其它透 明金屬氧化物透明導電層8。所述沉積可通過在約25(TC的襯底溫度下的濺射法獲得從而 得到最大厚度約75nm的層8。 在透明導電層8的頂部沉積諸如如銀之類的導電材料層9，優選為柵格狀。層9可 通過絲網印刷法、刮刀法、噴墨印刷法、濺射法或熱蒸發法來沉積。此外，層9可通過取決于 所使用的材料的適當的熱處理來被鞏固。 這里，剛性或彈性導電連接件5被插入之前制成的通孔2c。該導電連接件5可通 過特定材料被固定到陶瓷材料上以確保穩固粘結。 剛性連接件包括位于第一端的頭部，該頭部擱置在表面2a上，而該剛性連接件于 頭部處被焊接至導電材料層6，并且該剛性連接件可包括位于面向表面2b的第二端的插 腳，該插腳被錫焊在電氣和/或電子器件4上，或可選地該剛性連接件可包括位于面向表面 2b的第二端的螺桿，螺桿被設計成用螺母固定至電氣和/或電子器件4本身，因此能夠方便 維護。出于簡化的原因僅僅描述了連接件5的該特殊構造而未在圖中示出。
保護性透明層10用作光伏電池3的外層，被設計成確保太陽輻射的高透射性、抗 濕性和耐候性、紫外線穩定性、以及電絕緣性。保護層10可以包括低熔搪瓷、或可選地具有 適當成分諸如如聚碳酸酯或氟化聚合物(例如聚三氟氯乙烯(PCTFE)或聚甲基丙烯酸甲酯和聚氟乙烯的組合)之類的聚合物層。 最后，在表面2b上，含電氣和/或電子部件的器件4通過被放置在形成于陶瓷基體2中的凹槽中而固定至導電連接件5。含電氣和/或電子部件的器件4是公知的，在此不再贅述。 含電氣和/或電子部件的器件4可具有電無源元件的特性，其作用是使瓷磚彼此串聯或并聯連接以便將有效電壓和電流增大至可被具有足夠功率的靜態變換器(staticconverters)充分處理的值，其中靜態變換器負責將所產生的能量引入供電網絡；否則，含電氣和/或電子部件的器件4可利用M0SFET技術提供MPPT(最大功率點跟蹤)功能，即，將用于提供最大的有效功率的電狀態定義為日照狀態的函數、并且在中間總線上傳送所述電狀態、和/或直接使用和/或用來存儲在電池中，其中中間總線具有適于隨后將所述電狀態引入供電網絡的特性。
實施例2 : 在該第二實施例中所制備的陶瓷瓷磚在活性層7復合體的成分及它們的制備方面不同于實施例1中所制備的瓷磚。 具體地，在IIO(TC到125(TC之間的最大溫度下進行烘焙并且包括導電層6的基體隨后被加熱至450°C 。使用以鈦為前驅的水醇溶液(例如，四異丙醇鈦溶液或四異丙醇乙酉先丙酮鈦(titanium(IV) isopropoxyacetylacetonate)溶液，如Electrochim. Acta,1995，40，5，643-652， Kavan， L. ， Gratzel， M. 的"Highly efficient semiconductingTi02photoelectrodes prepared by aerosol pyrolysis，，中所述)通過滅身寸法在該基體上沉積厚度為70到150nm之間的致密Ti e 2層，優選厚度為100nm。由此得到的該半成品進一步被加熱至50(TC持續約1小時。 活性層12包括Ti02和CuInS2粉混合物，被沉積在致密Ti02鈦層11的頂部。活性層12可由單層粉混合物(例如包括50wt%的Ti02粉和50wt%的CuInS2粉)構成，否則包括多層，例如三層，其中Ti02-CuInS2總量比分別為70-30/50-50/30-70。活性層優選通過絲網印刷(silk-screen printing)沉積，但還可使用諸如如刮刀法、噴墨印刷法、硅樹脂輥印刷法(printingwith silicone rollers)或濺射法之類的方法。活性層12可通過取
決于所使用的材料特性的適當熱處理來被鞏固。[OO32]層(多層)的總厚度優選為1至U 5 m之間。 用前面所提到的方法在活性層12的頂部沉積純的CuInS2層13，其厚度在0. 08到0. 12iim之間，優選0. liim。 在此，瓷磚的制備按如實施例1所述的沉積透明導電層8而繼續進行。 以下對本領域技術人員來說將是顯而易見的，活性層7的復合體的具體成分可以
與上述的不同。特別地，P型層13可由通式為(IB) (IIIA) (VIA)2的任何化合物制成，其中
IB指元素Cu、Ag、Au ;IIIA指元素Al、Ga、 In、 Ti ;以及VIA指元素S、Se、Te。 本發明用陶瓷基體制備有效的瓷磚，能夠大大有助于節能，例如將建筑物與熱點
(thermal standpoint)隔離并且同時將太陽能轉換為電能。 此外，制備步驟以這種方式構思能夠實現與陶瓷業所用技術結合，以便優化方法整體的經濟。
權利要求
一種包括至少一個光伏電池的瓷磚(1)，其特征在于，所述瓷磚包括陶瓷基體(2)，所述陶瓷基體的吸水性等于或小于0.5wt％；光伏電池(3)，其直接設置在所述陶瓷基體(2)的第一表面(2a)上；含電氣和/或電子部件的器件(4)，其設置于所述陶瓷基體(2)的第二表面(2b)；以及電連接件(5)，其被設計成穿過陶瓷基體將所述光伏電池(3)與所述含電氣和/或電子部件的器件(4)電連接。
2. 根據權利要求l所述的瓷磚，其特征在于，所述光伏電池包括導電材料層(6)、多個 活性層(7)以及具有優選為柵格狀結構的導電材料層(9)，所述導電材料層(6)直接設置在 所述陶瓷基體(2)的第一表面(2a)上，所述多個活性層(7)依次包括n型層(11)、光敏層(12) 和p型層(13)。
3. 根據權利要求2所述的瓷磚，其特征在于，所述光伏電池(3)包括透明導電層(8)， 所述透明導電層被設置在所述活性層(7)和所述導線材料層(9)之間。
4. 根據權利要求3所述的瓷磚，其特征在于，所述光伏電池(3)被保護層(10)包覆、隔 離和密封，所述保護層(10)包括以下材料之一 搪瓷、聚碳酸酯、氟化聚合物、聚三氟氯乙 烯(PCTFE)、以及聚甲基丙烯酸甲酯和聚氟乙烯的組合。
5. 根據權利要求3或4所述的瓷磚，其特征在于，所述導電材料層(6)包括Ag或 Ag-Al，所述n型層(11)包括n型摻雜非晶硅，所述光敏層(12)包括本征硅，所述p型層(13) 包括p型非晶硅，所述透明導電層(8)包括ITO或FTO，以及所述導電材料層(9)包括 Ag。
6. 根據權利要求3或4所述的瓷磚，其特征在于，所述導電材料層(6)包括選自IT0、 ZnO、Ag、Ag-Al和Mo中的材料，所述n型層(11)包括致密Ti02，所述光敏層(12)包括Ti02 與通式為(IIIB) (IVA) (VIA)2的化合物的混合物，所述p型層(13)包括通式為(IB) (IIIA) (VIA)2的化合物，所述透明導電層(8)包括IT0，以及所述導電材料層(9)包括Ag ;其中，IB是元素Cu、 Ag、 Au中之一 ；IIIA是元素Al、Ga、 In、Ti中之一 ；以及VIA是元素S、 Se、 Te中之一。
7. 根據權利要求6所述的瓷磚，其特征在于，所述通式為(IB)(IIIA) (VIAh的化合物 為CuInS2。
8. —種用于制備如上述任意一項權利要求所述的瓷磚的方法，其特征在于，所述陶瓷 基體(2)依次通過壓制操作、干燥操作、以及烘焙操作而制得，其中，在所述壓制操作中在 35到60MPa之間的壓力下對濕度在3wt %到6wt %之間的霧化陶瓷粉實施壓制操作，進行所 述烘焙操作的最大溫度在IIO(TC到125(TC之間。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述陶瓷基體(2)的表 面(2a)上形成光伏電池(3)的步驟；所述形成光伏電池(3)的步驟包括多個沉積操作，其 中先前形成的材料被沉積用于各功能層(6、8、9、11、12、13)的制備。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述沉積操作中的每一操作通過選自以 下方法之中的方法獲得，所述方法選自絲網印刷、硅樹脂輥印刷、刮刀法、噴墨印刷、或濺 射。
11. 根據權利要求8到10中任一項所述的方法，其特征在于，所述非晶硅活性層(11、 12、 13)的沉積操作利用CVD(化學氣相沉積)法獲得。
12.根據權利要求ll所述的方法，其特征在于，所述非晶硅活性層(11、12、13)的沉積 操作通過等離子增強CVD或射頻CVD法獲得。
全文摘要
在此公開一種瓷磚(1)，其包括陶瓷基體(2)，所述陶瓷基體的吸水性等于或小于0.5wt％；光伏電池(3)，其直接設置在所述陶瓷基體(2)的第一表面(2a)上；含電氣和/或電子部件的器件(4)，其設置于所述陶瓷基體(2)的第二表面(2b)；以及電連接件(5)，其被設計成穿過陶瓷基體(2)將所述光伏電池(3)與所述含電氣和/或電子部件的器件(4)電連接。
文檔編號H01L31/048GK101755343SQ200780053092
公開日2010年6月23日 申請日期2007年3月30日 優先權日2007年3月30日
發明者喬瓦尼·里多爾菲, 伊萬·斯塔門科維奇, 埃馬努埃萊·琴圖廖尼, 桑德拉·法齊奧, 瑪利亞·格拉齊亞·布薩納, 芭芭拉·馬贊蒂, 達尼埃萊·延奇內拉, 阿圖羅·薩洛莫尼 申請人:大學聯合體管理中心陶瓷工業研究與實驗陶瓷中心