专利名称：表面具有光伏电池功能的陶瓷瓷砖的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种其表面具有光伏电池功能的陶瓷瓷砖。
背景技术：
随着对与寻找传统能源相关问题的重视，对可替代能源开发的研究正引发人们日 益关注，诸如太阳能。对此，目前一段时间以来已经制备了利用光伏效应并由此将太阳辐射 能转换成电能的装置。 由于其技术特性，以上类型的装置也表现出在私人和公共建筑部门的电能制备方 面具有有趣的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷瓷砖，该瓷砖在其暴露的表面上具有光伏电池。这 样，将会有可能使用该瓷砖来包覆建筑物的外表面、并且同时具有能够为建筑物本身提供 由太阳能转换而来的电能或者将所述能量引入供电网络的有效器件。 形成本发明主题的瓷砖包括至少一个光伏电池，所述瓷砖包括陶瓷基体，所述陶 瓷基体的吸水性等于或小于O. 5wt% ;光伏电池，其直接设置在所述陶瓷基体的第一表面 上；含电气和/或电子部件的器件，其设置于所述陶瓷基体的第二表面；以及电连接件，其 被设计成穿过陶瓷基体将所述光伏电池与所述含电气和/或电子部件的器件电连接。
根据优选实施方式，所述光伏电池包括导电材料层、多个活性层以及具有优选为 栅格状结构的导电材料层，所述导电材料层直接设置在所述陶瓷基体的第一表面上，所述 多个活性层依次包括至少n型层、光敏中间层和p型层。 根据更有选的实施方式，所述光伏电池包括透明导电层，所述透明导电层被设置 在所述活性层和具有优选为栅格状结构的所述导线材料层(9)之间。
以示例性而非限制性的示例提供下面的实施例以便借助附图来更好地理解本发 明，其中该图是本发明的瓷砖的侧视剖面图。
具体实施例方式图中由附图标记1整体指示形成本发明主题的瓷砖。 瓷砖1包括陶瓷基体2，该陶瓷基体2的例如定义了吸水性的孔隙率根据ISO 10545-3标准确定为小于或等于0. 5wt%。 陶瓷1包括光伏电池3，其设置于陶瓷基体2的第一表面2a ;含电气和/或电子 部件的器件4，其设置于与表面2a相对的第二表面2b ;以及导电连接件5，其置于形成在陶 瓷基体2中的孔2c中，导电连接件5穿过该孔2c将光伏电池与器件4电连接。
光伏电池3依次包括导电材料层6，其被设置成与表面2a直接接触；活性层7复合体；透明导电材料层8 ;优选栅格状的导电材料层9 ;以及透明保护层10。
特别地，活性层7的复合体包括n型层11、中间光敏层12、和p型层13。
接下来，提供两个实施例来说明本发明主题形成的瓷砖的制备方法。
实施例1 : 通过对典型地用于陶瓷瓷砖的雾化陶瓷粉进行干压而实现陶瓷基体2的制备，其 中雾化陶瓷粉的湿度必需在3到6wt^之间。在35MPa到60MPa之间的压力下进行压制。 压制操作可使用模，该模在表面2b上设有用于容置含有电气和/或电子部件的器件4的凹槽。 通过压制操作得到的粗制基体(crude base body)被干化，随后制出一个或多个 孔2c，图中仅示出其中之一。 对由此处理过的基体实施以最大温度进行烘焙的步骤，其中最大温度在IIO(TC和 125(TC之间。这样，获得根据IS010545-3标准确定为孔隙率等于或小于0. 5wt^的陶瓷基 体2。 其次，例如，通过丝网印刷技术(serigraphic techniques)在陶瓷基体2的表面 2a上涂覆导电材料层6。导电材料层6可以包括诸如如Ag或Ag-Al混合物之类的金属层。 为了巩固所述金属层并使其获得必需的电导率特性，根据所使用的材料对半成品进行适当 的热处理。对于Ag基和Ag-Al基丝网印刷桨，所述技术或者具有快速加热/冷却组合，使 半成品经受700°C的温度5分钟，否则以5到20°C /分钟之间的加热率进行从室温到700°C 的热处理。烘焙之后所沉积的导电层6的最终厚度将在5到20iim之间变化。
通过CVD (化学气相沉积)法、优选等离子增强CVD (PECVD)法在导电层6上依次 沉积厚度约30nm的n型掺杂非晶硅层11，以约21(TC的最大衬底(substrate)温度沉积； 厚度约580nm的本征非晶硅光敏层12，以约250°C的最大衬底温度沉积；以及厚度约15nm 的P型掺杂非晶硅层11，以约25(TC的最大衬底温度沉积。 在第二非晶硅层13顶部沉积铟锡氧化物(IT0)或掺氟的氧化锡(FT0)或其它透 明金属氧化物透明导电层8。所述沉积可通过在约25(TC的衬底温度下的溅射法获得从而 得到最大厚度约75nm的层8。 在透明导电层8的顶部沉积诸如如银之类的导电材料层9，优选为栅格状。层9可 通过丝网印刷法、刮刀法、喷墨印刷法、溅射法或热蒸发法来沉积。此外，层9可通过取决于 所使用的材料的适当的热处理来被巩固。 这里，刚性或弹性导电连接件5被插入之前制成的通孔2c。该导电连接件5可通 过特定材料被固定到陶瓷材料上以确保稳固粘结。 刚性连接件包括位于第一端的头部，该头部搁置在表面2a上，而该刚性连接件于 头部处被焊接至导电材料层6，并且该刚性连接件可包括位于面向表面2b的第二端的插 脚，该插脚被锡焊在电气和/或电子器件4上，或可选地该刚性连接件可包括位于面向表面 2b的第二端的螺杆，螺杆被设计成用螺母固定至电气和/或电子器件4本身，因此能够方便 维护。出于简化的原因仅仅描述了连接件5的该特殊构造而未在图中示出。
保护性透明层10用作光伏电池3的外层，被设计成确保太阳辐射的高透射性、抗 湿性和耐候性、紫外线稳定性、以及电绝缘性。保护层10可以包括低熔搪瓷、或可选地具有 适当成分诸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组合)之类的聚合物层。 最后，在表面2b上，含电气和/或电子部件的器件4通过被放置在形成于陶瓷基体2中的凹槽中而固定至导电连接件5。含电气和/或电子部件的器件4是公知的，在此不再赘述。 含电气和/或电子部件的器件4可具有电无源元件的特性，其作用是使瓷砖彼此串联或并联连接以便将有效电压和电流增大至可被具有足够功率的静态变换器(staticconverters)充分处理的值，其中静态变换器负责将所产生的能量引入供电网络；否则，含电气和/或电子部件的器件4可利用M0SFET技术提供MPPT(最大功率点跟踪)功能，即，将用于提供最大的有效功率的电状态定义为日照状态的函数、并且在中间总线上传送所述电状态、和/或直接使用和/或用来存储在电池中，其中中间总线具有适于随后将所述电状态引入供电网络的特性。
实施例2 : 在该第二实施例中所制备的陶瓷瓷砖在活性层7复合体的成分及它们的制备方面不同于实施例1中所制备的瓷砖。 具体地，在IIO(TC到125(TC之间的最大温度下进行烘焙并且包括导电层6的基体随后被加热至450°C 。使用以钛为前驱的水醇溶液(例如，四异丙醇钛溶液或四异丙醇乙酉先丙酮钛(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)通过滅身寸法在该基体上沉积厚度为70到150nm之间的致密Ti e 2层，优选厚度为100nm。由此得到的该半成品进一步被加热至50(TC持续约1小时。 活性层12包括Ti02和CuInS2粉混合物，被沉积在致密Ti02钛层11的顶部。活性层12可由单层粉混合物(例如包括50wt%的Ti02粉和50wt%的CuInS2粉)构成，否则包括多层，例如三层，其中Ti02-CuInS2总量比分别为70-30/50-50/30-70。活性层优选通过丝网印刷(silk-screen printing)沉积，但还可使用诸如如刮刀法、喷墨印刷法、硅树脂辊印刷法(printingwith silicone rollers)或溅射法之类的方法。活性层12可通过取
决于所使用的材料特性的适当热处理来被巩固。[OO32]层(多层)的总厚度优选为1至U 5 m之间。 用前面所提到的方法在活性层12的顶部沉积纯的CuInS2层13，其厚度在0. 08到0. 12iim之间，优选0. liim。 在此，瓷砖的制备按如实施例1所述的沉积透明导电层8而继续进行。 以下对本领域技术人员来说将是显而易见的，活性层7的复合体的具体成分可以
与上述的不同。特别地，P型层13可由通式为(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。 本发明用陶瓷基体制备有效的瓷砖，能够大大有助于节能，例如将建筑物与热点
(thermal standpoint)隔离并且同时将太阳能转换为电能。 此外，制备步骤以这种方式构思能够实现与陶瓷业所用技术结合，以便优化方法整体的经济。
权利要求
一种包括至少一个光伏电池的瓷砖(1)，其特征在于，所述瓷砖包括陶瓷基体(2)，所述陶瓷基体的吸水性等于或小于0.5wt％；光伏电池(3)，其直接设置在所述陶瓷基体(2)的第一表面(2a)上；含电气和/或电子部件的器件(4)，其设置于所述陶瓷基体(2)的第二表面(2b)；以及电连接件(5)，其被设计成穿过陶瓷基体将所述光伏电池(3)与所述含电气和/或电子部件的器件(4)电连接。
2. 根据权利要求l所述的瓷砖，其特征在于，所述光伏电池包括导电材料层(6)、多个 活性层(7)以及具有优选为栅格状结构的导电材料层(9)，所述导电材料层(6)直接设置在 所述陶瓷基体(2)的第一表面(2a)上，所述多个活性层(7)依次包括n型层(11)、光敏层(12) 和p型层(13)。
3. 根据权利要求2所述的瓷砖，其特征在于，所述光伏电池(3)包括透明导电层(8)， 所述透明导电层被设置在所述活性层(7)和所述导线材料层(9)之间。
4. 根据权利要求3所述的瓷砖，其特征在于，所述光伏电池(3)被保护层(10)包覆、隔 离和密封，所述保护层(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组合。
5. 根据权利要求3或4所述的瓷砖，其特征在于，所述导电材料层(6)包括Ag或 Ag-Al，所述n型层(11)包括n型掺杂非晶硅，所述光敏层(12)包括本征硅，所述p型层(13) 包括p型非晶硅，所述透明导电层(8)包括ITO或FTO，以及所述导电材料层(9)包括 Ag。
6. 根据权利要求3或4所述的瓷砖，其特征在于，所述导电材料层(6)包括选自IT0、 ZnO、Ag、Ag-Al和Mo中的材料，所述n型层(11)包括致密Ti02，所述光敏层(12)包括Ti02 与通式为(IIIB) (IVA) (VIA)2的化合物的混合物，所述p型层(13)包括通式为(IB) (IIIA) (VIA)2的化合物，所述透明导电层(8)包括IT0，以及所述导电材料层(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. 根据权利要求6所述的瓷砖，其特征在于，所述通式为(IB)(IIIA) (VIAh的化合物 为CuInS2。
8. —种用于制备如上述任意一项权利要求所述的瓷砖的方法，其特征在于，所述陶瓷 基体(2)依次通过压制操作、干燥操作、以及烘焙操作而制得，其中，在所述压制操作中在 35到60MPa之间的压力下对湿度在3wt %到6wt %之间的雾化陶瓷粉实施压制操作，进行所 述烘焙操作的最大温度在IIO(TC到125(TC之间。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述陶瓷基体(2)的表 面(2a)上形成光伏电池(3)的步骤；所述形成光伏电池(3)的步骤包括多个沉积操作，其 中先前形成的材料被沉积用于各功能层(6、8、9、11、12、13)的制备。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述沉积操作中的每一操作通过选自以 下方法之中的方法获得，所述方法选自丝网印刷、硅树脂辊印刷、刮刀法、喷墨印刷、或溅 射。
11. 根据权利要求8到10中任一项所述的方法，其特征在于，所述非晶硅活性层(11、 12、 13)的沉积操作利用CVD(化学气相沉积)法获得。
12.根据权利要求ll所述的方法，其特征在于，所述非晶硅活性层(11、12、13)的沉积 操作通过等离子增强CVD或射频CVD法获得。
全文摘要
在此公开一种瓷砖(1)，其包括陶瓷基体(2)，所述陶瓷基体的吸水性等于或小于0.5wt％；光伏电池(3)，其直接设置在所述陶瓷基体(2)的第一表面(2a)上；含电气和/或电子部件的器件(4)，其设置于所述陶瓷基体(2)的第二表面(2b)；以及电连接件(5)，其被设计成穿过陶瓷基体(2)将所述光伏电池(3)与所述含电气和/或电子部件的器件(4)电连接。
文档编号H01L31/048GK101755343SQ200780053092
公开日2010年6月23日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者乔瓦尼·里多尔菲, 伊万·斯塔门科维奇, 埃马努埃莱·琴图廖尼, 桑德拉·法齐奥, 玛利亚·格拉齐亚·布萨纳, 芭芭拉·马赞蒂, 达尼埃莱·延奇内拉, 阿图罗·萨洛莫尼 申请人:大学联合体管理中心陶瓷工业研究与实验陶瓷中心