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Title:
ORGANIC THERMOELECTRIC DEVICE, THERMOELECTRIC SYSTEM, METHOD FOR PRODUCING THE DEVICE, COATING FOR ENCLOSURE, ENCLOSURE AND HYBRID SOLAR THERMOELECTRIC SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/166120
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device comprising: a substrate (S); long and flat elements (E) consisting of organic semiconductor polymer that conducts a single type of carrier, and arranged on the substrate (S) in a coplanar manner, the ends thereof being arranged on two respective opposite ends of the substrate (S), and respectively forming a cold part (F) and a hot part (C), or being connected or arranged adjacently to same; connection elements (T) which interconnect in series to the elements (E) made of organic semiconductor polymers; and a first (U1) and a second (U2) electrode. The thermoelectric system includes two or more thermoelectric devices (D). The method is suitable for producing the device. The coating and the hybrid system are provided with at least one thermoelectric device (D), and the enclosure is provided with the coating.

Inventors:
CULEBRAS RUBIO MARIO (ES)
GÓMEZ CLARI CLARA MARÍA (ES)
CANTARERO SÁEZ ANDRÉS (ES)
MORAIS DE LIMA MAURICIO (ES)
Application Number:
PCT/ES2015/000059
Publication Date:
November 05, 2015
Filing Date:
April 30, 2015
Export Citation:
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Assignee:
UNI DE VALÈNCIA (ES)
International Classes:
H01L35/24; H01L35/28; H01L31/053
Domestic Patent References:
WO2009029393A22009-03-05
WO2010048066A22010-04-29
WO2014034258A12014-03-06
Foreign References:
EP2682994A12014-01-08
US20070290287A12007-12-20
US20110048489A12011-03-03
US20050146060A12005-07-07
Attorney, Agent or Firm:
TORNER LASALLE, Elisabet (ES)
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Claims:
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 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.

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.

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).

1. - 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 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 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 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 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 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 menos dos dispositivos termoeléctricos (D) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 conectados eléctricamente en serie o en paralelo.

Description:
Dispositivo termoeléctrico orgánico, sistema termoeléctrico, método para la fabricación del dispositivo, revestimiento para cerramiento, cerramiento v sistema 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 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 B¡3Te2 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 mm 2 ), 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, PAÑI, 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 propuesto por el primer aspecto de la presente invención, en general, las partes fría y caliente están constituidas por las porciones del propio sustrato donde se encuentran dispuestos los extremos de los elementos alargados o pistas de polímero semiconductor orgánico.

Para un ejemplo de realización preferido, el sustrato es flexible, y para otro ejemplo de realización, menos preferido, éste es rígido.

Preferentemente, los mencionados dos elementos de polímero semiconductor orgánico con los que el primer y el segundo electrodos están respectivamente conectados son los dos elementos extremos de la serie que constituye dicha conexión en serie de elementos de polímeros semiconductores orgánicos, aunque, obviamente, si se conectan el primer y el segundo electrodos en otros elementos de la serie que no sean los dos elementos extremos el dispositivo también funciona, aunque obteniéndose una menor diferencia de voltaje que la existente entre los dos elementos externos, por lo que esta última conexión menos eficiente también es contemplada como un ejemplo de realización menos preferido del dispositivo propuesto por la presente invención.

Con aún una mayor preferencia, el primer y el segundo electrodos se encuentran conectados con los extremos libres de dichos elementos extremos de la serie, ya que es donde se producirá una mayor diferencia de voltaje.

Los mencionados primer y segundo electrodos están constituidos, según un ejemplo de realización, por al menos unas respectivas porciones de dos de los elementos de conexión. Según otro ejemplo de realización, el primer y el segundo electrodos son unos elementos de conexión adicionales a dichos elementos de conexión.

De acuerdo con un ejemplo de realización, los elementos de polímero semiconductor orgánico alargados tienen formas rectangulares.

Según un ejemplo de realización, las direcciones en las que los elementos de polímero semiconductor orgánico son alargados son paralelas entre sí.

De acuerdo con un ejemplo de realización, los elementos de polímero semiconductor orgánico alargados están equiespaciados entre sí, en una dirección transversal.

Según otros ejemplos de realización, dichos elementos de polímero semiconductor orgánico alargados están separados entre sí, transversaimente, unas distancias variables.

En general, la anchura de los elementos de polímero semiconductor orgánico está dentro de un rango que va desde uno o varios nanómetros hasta uno o varios centímetros, y por lo que se refiere a los valores de longitud y ancho de tales elementos de polímero, y la relación entre ambas, éstos pueden ser cualquiera considerados apropiados para la aplicación deseada, aunque teniendo en cuenta que la aplicación preferida es la relativa a superficies a gran escala, unas distancias longitudinales de unos o varios metros es preferida.

Debido a que la distancia entre la parte fría y la parte caliente es, en general, considerable (por ejemplo del orden de varios metros), las conexiones eléctricas, es decir los anteriormente mencionados elementos de conexión, que interconectan en serie a los elementos de polímeros semiconductores orgánicos, desde la parte caliente a la fría, son suficientemente largas para disipar el calor por sí mismas durante el camino, no transmitiéndose por tanto el calor a la parte fría. De igual modo, los elementos de polímero también son muy largos, por lo que tampoco transmiten el calor de la parte caliente a la parte fría. Por tanto, no es necesario el uso de un disipador de calor en la parte fría.

Ventajosamente el dispositivo incluye también una capa protectora y de sellado por encima de al menos los elementos dispuestos sobre el sustrato, para protección y aislamiento frente a condiciones ambientales adversas.

Un segundo aspecto de la invención concierne a un sistema termoeléctrico que incluye dos o más dispositivos como los del primer aspecto, conectados eléctricamente en serie o en paralelo y con sus sustratos montados físicamente uno encima del otro, de manera que se consiga generar un mayor voltaje de salida que con un solo dispositivo. En un tercer aspecto, la presente invención concierne a un método para la fabricación del dispositivo del primer aspecto mediante la realización de las siguientes etapas:

a) depositar sobre el sustrato una capa de metal o compuesto conductor eléctrico (tal como Oro, Acero, ITO o Grafito) que no sea electroquímicamente activo, siguiendo un patrón predeterminado,

b) sintetizar dicho polímero semiconductor orgánico conductor de un solo tipo de portadores, por electropolimeración, sobre dicho metal o compuesto conductor eléctrico constituyendo dichos elementos de polímero semiconductor orgánico, siguiendo dicho patrón predeterminado, y tras ello eliminar la capa de metal o compuesto conductor eléctrico; y

c) proporcionar dichos elementos de conexión de manera que interconecten en serie a los elementos de polímeros semiconductores orgánicos, mediante un elemento o compuesto buen conductor de electricidad, como es el caso de cualquier metal conductor eléctrico, tal como Cobre, plata, oro, indio, aluminio etc.

Debido a que tales elementos de interconexión conectan los extremos de los elementos de polímeros semiconductores orgánicos dispuestos en la parte fría con los dispuestos en la parte caliente, interesa que el calor de la parte caliente no se propague hasta la parte fría, por lo que, con tal fin, es deseable hacer que tales elementos de conexión, conformados en general en forma de pistas, sean lo más largos posible para que el calor se disipe durante el camino de una parte hacia la otra, de tal modo que no se transmita el calor de la parte caliente a la parte fría y, por tanto, siempre se genere una diferencia de temperatura entre las partes fría y caliente.

Opcionalmente, el método 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, es decir mediante tratamiento con una agente oxidante o reductor, o mediante métodos electroquímicos, es decir mediante el uso de una celda electroquímica.

Según un ejemplo de realización, el método comprende, tras la etapa c) o tras la etapa de optimización del dopado, si es el caso, la realización de una etapa d) de eliminación de material sobrante de semiconductor de polímero semiconductor orgánico, quedando únicamente dispuestos sobre el sustrato los elementos de polímero semiconductor orgánico alargados y los elementos de conexión.

Por lo que se refiere a la aplicación de la anteriormente mencionada capa protectora y de sellado, ésta se lleva a cabo utilizando cualquier disolución polimérica adecuada, como por ejemplo el PMMA (Polimetilmetacrilato), pudiendo aplicarse por ejemplo mediante espray, tal como mediante un spray sellador de aislamiento.

Por lo que se refiere a la deposición de la etapa a), ésta se lleva a cabo por evaporación térmica o por cualquier otro método que deposite un metal sobre un sustrato.

Según un ejemplo de realización preferido, el sustrato es flexible, hecho por ejemplo de al menos uno de los siguientes materiales: PoliEtilenTereftalato (PET), poliuretano, polipropileno y polietileno, o de una combinación de los mismos.

Para otro ejemplo de realización, el sustrato es rígido, hecho por ejemplo de al menos unos de los siguientes materiales: vidrio, cuarzo y resinas poliméricas termoestables, o de una combinación de los mismos.

Aunque podría utilizarse este método para fabricar un dispositivo que combinase, de manera alternada, elementos de polímero semiconductor orgánico de tipo n con otros de tipo p, el método de síntesis de las pistas semiconductoras, es decir de los elementos de polímero semiconductor orgánico, y proceso de fabricado del dispositivo resultaría muy complejo, ya que para que se puedan alternar los polímeros de tipo n con los de tipo p habría que sintetizar primero los de un tipo y luego los del otro tipo. Esto a la hora de proceso de fabricado resultaría muy costoso en comparación con utilizar semiconductores de un mismo tipo ya que todas las pistas se sintetizan a la vez.

Tal y como se ha indicado anteriormente, preferentemente los polímeros utilizados son de tipo p, ya que hoy en día los polímeros de tipo n son muy inestables y de muy baja eficiencia con lo que no resultan prácticos a la hora implementarlos en dispositivos. Obviamente, si la estabilidad y eficiencia de los de tipo n aumenta considerablemente en el futuro, su elección será tan preferida como la de los de tipo p.

Un cuarto aspecto de la invención concierne a un revestimiento para cerramiento que comprende el dispositivo del primer aspecto.

Para un ejemplo de realización, el revestimiento comprende dos o más dispositivos termoeléctricos conectados eléctricamente en serie o en paralelo.

En función del ejemplo de realización, dicho revestimiento es: una lámina a superponer a una o más fachadas de un edificio (por ejemplo disponiendo la parte caliente en una fachada donde incida el sol y la parte fría en una fachada a la sombra), una placa, un panel, etc.

Un quinto aspecto de la presente invención concierne a un cerramiento que incluye el revestimiento del cuarto aspecto. En función del ejemplo de realización, dicho cerramiento es una pared, un panel, una ventana, una puerta, una cortina, etc.

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, disponiendo la parte caliente en una zona en contacto con el panel y la parte fría en una posición alejada de las zonas del panel donde inciden los rayos solares, complementándose así, con la energía obtenida mediante el dispositivo termoeléctrico, la producción de energía obtenida mediante el panel solar.

Para un ejemplo de realización, el sistema híbrido comprende dos o más dispositivos termoeléctricos conectados eléctricamente en serie o en paralelo.

La presente invención es particularmente aplicable a la producción de energía en aplicaciones termoeléctricas a gran escala, ya que el dispositivo termoeléctrico propuesto, debido a su bajo coste de producción, es ideal para la producción de energía en grandes superficies.

Breve descripción de los dibujos

Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:

la Figura 1 es una representación esquemática, a nivel funcional, del dispositivo propuesto por el primer aspecto de la presente invención;

la Figura 2 ilustra al método de fabricación propuesto por el tercer aspecto de la invención, según un ejemplo de realización, representando los resultados de cada una de las etapas del método hasta conseguir el producto final, es decir el dispositivo del primer aspecto de la presente invención, según se aprecia en la vista (d);

la Figura 3 es una gráfica que muestra las medidas experimentales obtenidas, relacionando voltaje generado en función de diferencia de temperatura entre parte caliente y parte fría de un prototipo construido del dispositivo propuesto por el primer aspecto;

la Figura 4 ¡lustra, en perspectiva y de manera esquemática, al cerramiento propuesto por el quinto aspecto de la presente invención, para un ejemplo de realización; y

la Figura 5 ilustra, también en perspectiva y de manera esquemática, al sistema híbrido solar termoeléctrico propuesto por el sexto aspecto de la presente invención, según un ejemplo de realización. Descripción detallada de unos ejemplos de realización

El funcionamiento del dispositivo D propuesto por el primer aspecto de la presente invención se basa en uniones termoeléctricas de un semiconductor orgánico de tipo p o n (como por ejemplo PEDOT, PAÑI, polipirrol, policarbazol, etc.) de los extremos frió F y caliente C de una serie de pistas E de polímero de un espesor de mieras o nanómetros, tal y como muestra la Figura 1 , conectadas eléctricamente en serie por mediación de los elementos de conexión T, de modo que la corriente generada por la diferencia de temperatura fluye a través de los extremos frió F y caliente C del dispositivo, generándose un voltaje V entre los electrodos U1 y U2. En principio cualquier polímero o material con propiedades termoeléctricas que se pueda sintetizar mediante métodos electroquímicos es susceptible de ser utilizado en el dispositivo.

Tal y como se ha escrito en un apartado anterior, un tercer aspecto de la invención concierne a un método de fabricación del dispositivo D. Éste método de fabricación consta de cuatro etapas, según un ejemplo de realización, tal y como muestra la Figura 2, que representa los diferentes productos intermedios (vistas (a), (b) y (c)) y final (vista (d)), obtenidos tras la aplicación de cada una de las respectivas etapas del método.

La primera etapa, o etapa a), es la de creación sobre un sustrato S del dibujo que se quiera recubrir del polímero conductor. Este dibujo o patrón determinado se ha de hacer de un metal o compuesto conductor que no sea electroquímicamente activo, como por ejemplo acero u oro. En la fabricación de un prototipo experimental se ha utilizado como sustrato PET al que se le han depositado mediante evaporación metálica una capa de oro GL constituida por 16 pistas de oro de un espesor de 2 mm separadas 2 mm entre sí, aunque en la Figura 2(a) se han ¡lustrado únicamente, a modo de representación esquemática, 6 pistas de oro.

En la segunda etapa, o etapa b), se sintetiza el polímero semiconductor orgánico PS conductor de un solo tipo de portadores, por electropolimeración, sobre el metal o compuesto conductor eléctrico GL, siguiendo dicho patrón predeterminado, y tras ello se eliminar la capa de metal o compuesto conductor eléctrico GL, es decir, en este caso, la capa de oro.

Para llevar a cabo dicha electropolimeración del polímero semiconductor PS, el sustrato S se utiliza como electrodo de trabajo en la segunda etapa. Para la fabricación del prototipo experimental se ha utilizado una celda de tres electrodos: un electrodo de trabajo, constituido por el sustrato con el dibujo de oro, un electrodo auxiliar de malla de platino, un electrodo de referencia de Ag/AgCI y un potenciostato. La disolución electroquímica estaba compuesta por el monómero del polímero conductor, en este caso etilendioxitiofeno (EDOT) y 1-Butil-3-metilim¡dazol hexafluorofosfato en acetonitrilo. La electropolimerización se lleva a cabo a -3 mA de tal forma que el dibujo de oro es recubierto por el polímero que se está sintetizando, en el caso del prototipo experimental, PEDOT:PF6. Tal y como se ha comentado anteriormente, posteriormente se elimina la capa de oro, en este caso con agua regia, de tal forma que sobre el sustrato S de PET solo queda el polímero conductor PS como muestra la Figura 2 (b).

La tercera etapa, o etapa c) (ver Figura 2(c)), consiste en la realización de los contactos entre las pistas de polímero semiconductor (uniones parte fría y caliente), es decir en proporcionar los elementos de conexión T de manera que ¡nterconecten en serie a los elementos de polímeros semiconductores orgánicos E, mediante un elemento o compuesto buen conductor de electricidad. Para este caso se puede utilizar cualquier compuesto que conduzca la electricidad como un metal, aunque conviene que esté configurado para que no sea muy buen conductor térmico (constituyéndolos en la forma de pistas largas), en el caso del prototipo experimental se ha utilizado oro aunque puede ser perfectamente aluminio.

Como etapa opcional, el método comprende realizar, tras la etapa c), una etapa de optimización del dopado del polímero semiconductor PS de los elementos de polímero semiconductor orgánico conductor, mediante reducción u oxidación del semiconductor utilizando métodos químicos o electroquímicos.

La última etapa, o etapa d), consiste en la eliminación del 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, tal y como se aprecia en la Figura 2(d), quedando así el dispositivo D formado.

Las partes fría y caliente (indicadas respectivamente como F y C en la Figura 1 ), están constituidas, para el ejemplo de realización de la Figura 2, por las porciones del propio sustrato S donde se encuentran dispuestos los extremos de los elementos o pistas de polímero semiconductor orgánico alargados E.

Puede verse en la Figura 2(d), cómo los primer U1 y segundo U2 electrodos se encuentran dispuestos sobre los extremos libres de los elementos E ubicados en los extremos de la serie de elementos E.

Aunque en la representación esquemática de la Figura 2(d), se ha ilustrado al dispositivo comprendiendo únicamente seis pistas de polímero E, en el diseño real del prototipo experimental construido, éste consta de 16 pistas E de PEDOT unidas mediante pistas de oro T.

Dependiendo del proceso de fabricación se pueden adoptar múltiples geometrías y tamaños, además, la anchura y el número de pistas de polímero E puede cambiarse.

Mediante técnicas litográficas se puede conseguir realizar un sustrato S con pistas conductoras de una anchura de mieras o incluso nanómetros, lo que conlleva a un incremento del número de pistas de polímero por unidad de superficie. Este aumento del número de pistas por unidad de superficie aumentará la tensión producida por unidad de diferencia de temperatura (voltaje Seebeck). También se pueden montar varios dispositivos en serie, uno encima de otro, de modo que se multiplicará la potencia generada.

Se ha caracterizado la tensión que genera el dispositivo en función de la temperatura, tal y como se muestra en la Figura 3. Las medidas experimentales se han hecho, sobre el prototipo construido, antes y después de someter al polímero semiconductor a un tratamiento de optimización de los parámetros termoeléctricos mediante reducción química con hidracina, según un estudio que los presentes inventores han realizado, partiendo de un polímero semiconductor con un coeficiente de Seebeck de 413 μν/Κ hasta obtener un polímero semiconductor optimizado con un coeficiente de Seebeck de 91 μν/Κ. Los resultados son esperanzadores ya que, como se aprecia en la Figura 3, se han conseguido (para el caso del polímero optimizado) cerca de 25 mV con una diferencia de temperatura de 60 °C con solo una capa de dispositivo y solo 16 pistas de polímero conductor.

Se pueden llegar a alcanzar valores de voltios disminuyendo la anchura de las pistas de polímero, para que quepan más por unidad de superficie y superponiendo varias capas de dispositivos, es decir mediante el sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención. El revestimiento propuesto por el cuarto aspecto de la invención comprende, según un ejemplo de realización, al dispositivo D según se ilustra en la Figura 2(d) o, ventajosamente, con un mayor número de elementos de pistas E de polímero y con unas dimensiones adecuadas al soporte sobre el que se pretenda disponer.

En la Figura 4 se ilustra al cerramiento propuesto por el quinto aspecto de la invención, para un ejemplo de realización para el que éste comprende una pared J sobre la que se encuentra adosado el revestimiento del cuarto aspecto constituido por el dispositivo D. Para mayor claridad, no se han ¡lustrado los diferentes elementos que forman el dispositivo D aunque, obviamente, estos son como los ilustrados en la Figura 2(d), en mayor o menor número y con mayores o menores dimensiones.

Finalmente, en la Figura 5 se ilustra al sistema híbrido solar termoeléctrico propuesto por el sexto aspecto de la presente invención, para el que éste comprende un panel solar K (en general un panel fotovoltaico) sobre el que inciden unos rayos solares R, y, asociado al mismo, el dispositivo termoeléctrico D, para complementar la producción de energía del panel solar K, estando la cara caliente C del dispositivo D dispuesta en contacto con el panel solar K, y la cara fría F en una zona de sombra, en este caso tras el panel K, de manera que entre ambas caras C, F existe una diferencia de temperatura ΔΤ suficiente para que el dispositivo termoeléctrico D genere un voltaje apreciable.

Para otro ejemplo de realización (no ¡lustrado), el sistema híbrido comprende dos o más dispositivos termoeléctricos D conectados eléctricamente en serie o en paralelo.

Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.