<Desc/Clms Page number 1>
Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Stromes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Stromes und ein Verfahren zum Steuer der Bahnleitfähigkeit und der Richtung der Stromleitung in einer solchen Vorrichtung.
Der Erfindung liegt in erster Linie die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Steuern der Richtung des Stromflusses durch die Vorrichtung und der Bahnleitfähigkeit der Vorrichtung zugrunde, wobei die Vorrichtung aus einem organischen Stoff besteht, der zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, von denen mindestens eine elektrolytischer Natur ist.
Weiterhin bezweckt die Erfindung die Schaffung einer neuen Stromleitungsvorrichtung, bestehend aus einem organischen Stoff, vorzugsweise in Form eines dünnen Elementes mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die in Abstand voneinander stehen. Dieser Stoff ist zwischen zwei Elektroden angeordnet, von denen mindestens eine ein Elektrolyt ist.
Die elektrolytische Elektrode steht mit der ersten Oberfläche des organischen Stoffes in Berührung und wird als Elektronenakzeptor betrieben, während die andere Elektrode mit der andern Oberfläche des organischen Stoffes in Berührung steht und als Elektronenspender betrieben wird, wobei die Leitfähigkeit der Vorrichtung eine Funktion der Menge der Flüssigkeit bzw. des Elektrolyts ist, die in Berührung mit dem Kristall steht, und ausserdem sowohl die Leitfähigkeit als auch die Richtung des Stromflusses durch Einwirkung einer äusseren Energie auf die Vorrichtung gesteuert werden können.
Ein weiterer Erfindungszweck ist die Schaffung einer neuen Stromleitungsvorrichtung der oben beschriebenen Art und eines Verfahrens zum Steuern derselben, wobei die Richtung des Stromflusses durch die Vorrichtung und die Leitfähigkeit derselben von der Stromzufuhr zu dem organischen Stoff von einer der Elektroden her abhängt und die Leitfähigkeit auf der Energiebilanz an den auf Abstand voneinander stehenden, in unmittelbarer Berührung mit den Elektroden befindlichen Oberflächen des organischen Stoffes beruht.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen aus einem organischen Stoff, z. B. einem Anthracenkristall bestehenden Körper, der Löcher als Ladungsträger besitzt und mit zwei Elektroden in Berührung steht, von denen die eine eine elektrolytische Elektrode ist, deren Elektrolyt mit dem organischen Stoff Komplexe bilden kann, wobei der Stromfluss durch den Körper im Bedarfsfall dadurch geregelt wird, dass demjenigen Teil des organischen Stoffes elektromagnetische Energie, z. B. Lichtenergie, zugeführt wird, der mit der jeweils als Elektrodenakzeptor wirkenden Elektrode in Berührung steht, während die andere Elektrode als Elektronen-Spenderelektrode wirkt.
Vorzugsweise ist die Anordnung so getroffen, dass die elektromagnetische Energie in der Vorrichtung so gerichtet ist, dass sie zuerst in die Elektronen-Akzeptorelektrode eindringt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Kristallzelle gemäss der Erfindung ; Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm der in Fig. 1 dargestellten Zelle ; die Fig. 3a-12b und 13 zeigen schematisch verschiedene Kombinationen im Aufbau der erfindungsgemäss arbeitenden Zellen und dienen der Erläuterung einiger ihrer charakteristischen Eigenschaften.
<Desc/Clms Page number 2>
Fig. 1 zeigt eine Stromleitungszelle 20 im Sinne der Erfindung. Die Zelle 20 enthält einen organischen Stoff 21, der zwischen den beiden elektrolytischen Elektroden 22 und 23 angeordnet ist. Der Stoff 21 besitzt die beiden in Abstand voneinander stehenden Oberflächen 24 und 25, von denen dieOberfläche 24 in unmittelbarer Berührung mit der Elektrode 22 und die Oberfläche 25 in unmittelbarer Berührung mit der Elektrode 23 steht. Bei einigen der dargestellten Ausführungsformen bestehen die Elektroden 22 und 23 aus einer Lösung von Natriumchlorid (NaCl) oder Natriumjodid (NaJ) in Wasser. Durch die Stromleitungsdrähte 26 und 27 sind die Elektroden 22 bzw. 23 an eine äussere Gleichstromquelle 28 angeschlossen.
Die dargestellte Anordnung, die die Zelle 20 bildet, wird durch den Aussenmantel 29 flüssigkeitsdicht zusammengehalten, der aus einem Isolierstoff von geeigneter Form besteht und an den Aussenseiten der entsprechenden Elektrodenkammern mit Quarzfenstern 30 ausgestattet ist. Die Quarzfenster 30 werden verwendet, weil Quarz den Durchgang von ultraviolettem Licht in die Zelle 20 nicht hindert. Ausserdem ermöglichen diese Fenster die Beobachtung der Zelle, um den Flüssigkeitsspiegel des Elektrolyten in den Elektrodenkammern festzustellen.
In der schematischen Darstellung der Zelle 20 in Fig. 2 sind die Anschlussklemmen 32 und 33 der Zelle an die Stromquelle 28 angeschlossen. Die Stromquelle 28 kann an die Zelle 20 in zwei verschiedenen Polungsrichtungen angeschlossen werden. Wenn die Anschlussklemme 32 in bezug auf die Klemme 33 positiv ist, fliesst der Strom durch die Zelle 20 von links nach rechts, und diese Stromrichtung wird nachstehend als ri+" bezeichnet. Wenn die Klemme 33 in bezug auf die Klemme 32 positiv ist, fliesst der Strom durch die Zelle 20 von rechts nach links, und diese Stromrichtung wird nachstehend mit"i-"bezeichnet.
In den folgenden Beispielen wird über Messungen des Stromflusses durch die Zelle 20 bei verschiedenen Kombinationen und Anordnungen der Elektrolyten für die Elektroden 22 und 23 berichtet, bei denen als Stromquelle 28 eine Batterie von 50 V verwendet wurde und zwischen den Elektroden 22 und 23 ein Anthacenkristall 21 angeordnet war. In einigen Beispielen wurde elektromagnetische Wellenenergie, wie ultraviolettes Licht, in die Zelle 20 eingestrahlt.
Bei den in den Fig. 3a und 3b dargestellten Beispielen bestehen beide Zellenelektroden 22 und 23 aus Lösungen von Natriumjodid in Wasser. In Fig. 3a ist der Anschluss an die Batterie 28 so gepolt, dass die Klemme 32 in bezug auf die Klemme 33 positiv ist. In Fig. 3a liegt die Stromstärke"i+"in der Grössenordnung von 31111 A. Da die Natriumjodidlösung ein guter Leiter ist, ist der Spannungsabfall in den Elektroden 22 und 23 zu vernachlässigen, so dass die Spannung an dem Anthracenkristall 21 in den Fig. 3a und 3b im wesentlichen 50 V beträgt. Dementsprechend liegt der Widerstand des Kristalls 21 ohne Einstrahlung von Licht in die Zelle 20 in der Grössenordnung von 16, 7. 1012 Ohm.
In Fig. 3b ist die Batterie 28 umgekehrt gepolt, so dass ein Stromfluss"i-"durch die Zelle 20 stattfindet. Die Stromstärke"i-"ist hier praktisch die gleiche wie die Stromstärke"i+", nämlich 3. 10-12 A.
In den in den Fig. 4a und 4b dargestellten Beispielen besteht die Elektrode 22 aus einer Lösung von Natriumjodid in Wasser und die Elektrode 23 aus einer Lösung von Natriumchlorid in Wasser. Der Stromfluss "i+" durch die Zelle 20 liegt in Fig. 4a in der Grössenordnung von 4, 4. 10-12 A. Wird die Zelle umgepolt, so ergibt sich die in Fig. 4b dargestellte Anordnung, bei der der Stromfluss"i-" durch die Zelle 6, 0. 10-12 A, d. h. das Doppelte des Stromflusses gemäss Fig. 3b beträgt. Da sowohl die Natriumjodidlösung als auch die Natriumchloridlösung gute Leiter sind, beträgt der Spannungsabfall an
EMI2.1
Flüssigkeit (Elektrolyt), die in Berührung mit dem Kristall steht und von der der Strom in den Kirstall 21 fliesst, die Leitfähigkeit des Kristalls beeinflusst.
Die Abhängigkeit der Leitfähigkeit des Kristalls von derjenigen Elektrode, aus der der Strom in den Kristall eintritt, ergibt sich weiterhin aus dem Beispiel der Fig. 5b.
In den Fig. 5a und 5b ist die Elektrode 22 eine Natriumjodidlösung, während die Elektrode 23
EMI2.2
In den obigen Beispielen gemäss den Fig. 3a und 3b, 4a und 4b, 5a und 5b unterscheiden sich die in den Figurenpaaren mit a und b bezeichneten Anordnungen nur durch die Umkehr der Batteriepolung voneinander. In den Anordnungen a ist die Zellenklemme 32 der positive Pol, in den Anordnungen b
<Desc/Clms Page number 3>
ist die Zellenklemme 33 der positive Pol. Die gleiche Anordnung ist in den übrigen Figurenpaaren 6a und 6b bis 12 und 12b getroffen.
Die Stromleitungszelle 20 gemäss den Fig. 3a und 3b wird auch in den Beispielen gemäss den Fig. 6a und 6b, 7a und 7b, 8a und 8b verwendet. In den Fig. 6a und 6b wird elektromagnetische Wellenenergie, u. zw. ultraviolettes Licht von einer Wellenlänge von 3650Ä (1Ä = 10-8 cm) von einer nicht dargestellten äusseren Quelle her in die Zelle 20 durch das Quarzfenster 30 in solcher Richtung eingestrahlt, dass das Licht durch die Elektrode 22 (die als verhältnismässig lichtdurchlässiger Kontakt wirkt) auf die Oberfläche 24 fällt, wo es von dem Anthracenkristall 21 absorbiert wird.
Die Lichtenergie wird an den Kristall 21 an seiner Oberfläche 24 abgegeben mit der Wirkung, dass die Stromstärke "i+" in Fig. 6a die Grössenordnung von 42000. 10-12 A besitzt und mithin 14 000mal grösser ist als die ohne Be-
EMI3.1
in Fig. 6b, die 200mal grösser ist als die ohne Belichtung beobachtete Stromstärke"i-"in Fig. 3b. Ein Teil des durch den Anthracenkristall 21 absorbierten ultravioletten Lichtes wird in fluoreszierendes Licht umgewandelt, so dass der Kristall dieses Licht aussendet.
Die Beispiele gemäss den Fig. 7 a und 7b entsprechen den Beispielen gemäss den Fig. 6a und 6b mit dem Unterschied, dass das ultraviolette Licht nun in die Zelle 20 durch die Elektrode 23 hindurch (die als lichtdurchlässiger Kontakt wirkt) auf die Oberfläche 25 gestrahlt wird, wo es von dem Kristall absorbiert wird. Die Ergebnisse sind ähnlich denjenigen der Fig. 6a und 6b ; in diesem Fall beträgt die Stromstärke "i+" 870. 10-12 A und die Stromstärke "i-" 25200. 10-12 A. Der Unterschied in den Stromstärken zwischen den Beispielen der Fig. 6a und 6b einerseits und denjenigen der Fig. 7a und 7b anderseits deutet auf eine gewisse Kristallasymmetrie hinsichtlich der Absorption des ultravioletten Lichtes hin.
In den Beispielen gemäss den Fig. 8a und 8b wird die Zelle 20 mit ultraviolettem Licht, diesmal jedoch von einer Wellenlänge von 4360 Â, beleuchtet. Das Licht wird durch die lichtdurchlässige Elektrode 22 auf die Oberfläche 24 gestrahlt. Der Anthracenkristall 21 ist verhältnismässig durchlässig für ultraviolettes Licht einer Wellenlänge von 4360 Ä, und infolgedessen wird sehr wenig Lichtenergie von dem Kristall 21 absorbiert. Daher nehmen die Stromstärken"i+"und"i-"nicht so bedeutend zu wie in den Beispielen gemäss den Fig. 6 und 7. In den Fig. 8a und 8b beträgt die Stromstärke"i+" 19. 10-12 A und die Stromstärke"i-"18. 10' A. Diese Werte sind etwa sechsmal so gross wie die ohne Belichtung beobachteten Stromstärken gemäss den Fig. 3a und 3b.
In den in den Fig. 9a und 9b und in den Fig. 10a und lOb dargestellten Beispielen wird wieder die gleiche Zelle verwendet wie in den Beispielen gemäss den Fig. 4a und 4b. In den Fig. 9a und 9b wird der Kristall 21 mit ultraviolettem Licht einer Wellenlänge von 3 650 A belichtet, welches durch die Elektro-
EMI3.2
h.5000. 10-12 A.
In den Fig. 10a und lOb dargestellten Beispielen wird ultraviolettes Licht von einer Wellenlänge von 3 650 Ä in diejenige Seite der Zelle 20 eingestrahlt, die die Natriumchloridlösung als Elektrode enthält, welche ebenfalls lichtdurchlässig ist. Die Stromstärke "i+" beträgt in Fig. 10a grössenordnungsmässig 1150. 10-12 A. während die Stromstärke "i-" in Fig.10b in der Grössenordnung von 328 000. 10-12 A liegt. Die Werte für die Stromstärken in den Beispielen gemäss den Fig. lOa und lOb zeigen beim Vergleich mit den Beispielen gemäss den Fig. 9a und 9b, dass die Natriumchloridelektrode bei Einstrahlung von ultraviolettem Licht eine nahezu zehnmal bessere Stromleitung durch den Kristall 21 bewirkt als die Natriumjodidelektrode bei Einstrahlung von ultraviolettem Licht.
In den Beispielen gemäss den Fig. 9a und 9b beträgt das Verhältnis zwischen den Stromstärken "i+" und "i-" grössenordnungsmässig 7 : 1 ; in den Beispielen gemäss den Fig. 10a und lOb beträgt das Verhältnis der Stromstärke"i-" zur Stromstärke "i+" nahezu 300 : 1. Wenn eine Zelle 20, wie sie in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist, als Diode verwendet werden soll, so ist die Anordnung gemäss Fig. 10b die vorteilhaftere.
In den Beispielen gemäss den Fig. lla und llb und gemäss den Fig. 12a und 12b wird die in den Fig. 5a und 5b dargestellte Zelle verwendet. In den Fig. lla und llb wird ultraviolettes Licht von einer Wellenlänge von 3 650 Ä durch diejenige Seite der Zelle 20 eingestrahlt, die die Elektrode 22 enthält.
EMI3.3
Diese Stromstärken sind im Vergleich mit den entsprechenden, ohne Belichtung beobachteten Stromstärken der Beispiele gemäss den Fig. 5a und 5b verhältnismässig hoch. Die Stromstärke"i+"ist hoch, weil
<Desc/Clms Page number 4>
das ultraviolette Licht Energie an die Oberfläche 24 abgibt, durch die der Strom aus der ElektronenAkzeptorelektrode in den Kristall 21 eintritt. Die Stromstärke"i-"ist hoch, weil die in unmittelbarer Berührung mit der Elektrode 23 stehende Oberfläche 25 etwas Lichtenergie erhält. Das ultraviolette Licht wird nämlich von dem Kristall nicht vollständig absorbiert, und daher geht etwas Lichtenergie durch den Kristall hindurch und wird an die Oberfläche 25 abgegeben.
Ausserdem enthält die Elektrode 23 die Jodlösung, die, wie in dem Beispiel gemäss Fig. 5b gezeigt wurde, die Leitfähigkeit des Anthracenkristalls erhöht, besonders wenn die Jodlösung das von der Oberfläche 25 ausgehende Licht absorbiert.
In den Beispielen gemäss den Fig. 12a und 12b wird ultraviolettes Licht von einer Wellenlänge von 4 360 Ä auf diejenige Seite der Zelle 20 gerichtet, die die Elektrode 22 enthält. Wie bereits oben erwähnt, wird Licht von dieser Wellenlänge von dem Anthracenkristall nicht absorbiert, und daher ist der WertfürdieStromstärke"i+"von 20.-10-12 Apraktischdergleiche wie in dem Beispiel gemäss Fig. 8a. Wenn jedoch das Licht von der Wellenlänge 4360 Ä nach dem Durchgang durch den Anthracenkristall die Kristalloberfläche 25 verlässt, wird es von dem Jod in der mit der Oberfläche 25 in unmittelbarer Berührung stehenden Elektrode 23 absorbiert. Die Anwesenheit von Jod in Kombination mit der Abgabe von Lichtenergie in der Elektrode 23 führt zu der hohen Stromstärke "i-" von 48000. 10-12 A.
Von allen obigen Beispielen wird in den Beispielen gemäss Fig. 12 das höchste Verhältnis zwischen den Stromstärken "i+" und "i-". nämlich ein Verhältnis von 1 : 2400, erzielt.
Bevor die Bedeutung der Beispiele gemäss den Fig. 3-12 erörtert wird, soll eine kurze Erläuterung der Arten der Stromleitung in einem organischen Kristall gegeben werden. Es gibt mehrere Arten der Stromleitung in organischen Kristallen. Die eine beruht auf dem Eintritt eines Elektrons in den Kristall. Wenn ein Elektron in eine potentiell neutrale Gitterstruktur der Kristallmoleküle eintritt, wird ein Molekül negativ geladen, und das Potential dieses Moleküls wird niedriger in bezug auf die umgebenden Moleküle. Das Elektron wandert von einem niederen Potentialniveau zu einem höheren Potentialniveau, und deshalb wandert ein überschüssiges Elektron vom Molekül mit niedrigerem Potential zu einem benachbarten Molekül.
Das Molekül, welches nunmehr das überschüssige Elektron enthält, ist negativ geladen, und hiedurch wird das überschüssige Elektron wieder zu einem andern Molekül getrieben usw. Wenn nun eine Spannung an den Kristall angelegt wird, ist die allgemeine Richtung der Überschusselektronendrift nach dem positiven Pol der angelegten Spannung hin gerichtet. Wenn nun ständig von der negativen Elektrode, d. h. dem Elektronenspender her Elektronen in den Kristall eingeführt werden, findet ein Stromfluss in dem Kristall zur positiven Elektrode statt. Diese Art des Stromflusses wird als negativer Trägerstrom bezeichnet.
Eine zweite Art der Stromleitung beruht auf dem Entzug eines Elektrons aus dem Kristallgitter und wird als Einführung eines positiven Loches in den Kristall bezeichnet. Wenn ein Kristallmolekül ein Elek - tron verliert, lädt es sich in bezug auf die benachbarten Moleküle positiv und entzieht daher einem benachbarten Molekül ein Elektron. Das Molekül, welches nun ein Elektron zu wenig besitzt, entzieht seinerseits einem andern Molekül ein Elektron usw. Die Orte der positiv geladenen Moleküle, die positiven Löcher, wandern in dem Kristall umher. Wenn aber eine Spannung an den Kristall angelegt wird, wandern die positiven Löcher zum negativen Pol der angelegten Spannung.
Wenn daher positive Löcher ständig von der positiven Elektrode, d. h. von dem Elektronen-Akzeptor, in das Kristallgitter eingeführt werden, entsteht ein Stromfluss von positivem Löcherstrom in dem Kristall zum negativen Pol der Stromquelle hin. Mitunter wird diese Art des Stromflusses als positiver Trägerstrom bezeichnet.
Je nach der Art ihrer besonderen Kristallstruktur zeigen einige Kristalle bei der Stromleitung eine bevorzugte Neigung, nur negativen Trägerstromfluss zuzulassen, während andere Kristalle eine bevorzugte Neigung zeigen. bei der Stromleitung nur positiven Trägerstromfluss zuzulassen, und noch andere Kristalle beide Arten des Trägerstromflusses gleichzeitig gestatten. Bei Anthracen erfolgt die Hauptmenge des Stromflusses bei der photoelektrischen Leitung vorwiegend durch positiven Trägerstromfluss.
Da der positive Löcherstrom die Bahnleitfähigkeit in dem Anthracenkristall 21 darstellt, erklärt die obige Beschreibung der Einführung eines positiven Loches in die mit der positiven Elektrode in Berührung stehende Kristalloberfläche die in den Beispielen gemäss den Fig. 3-12 beobachteten Erscheinungen.
Der Anthracenkristall 21 ist normalerweise elektrisch neutral. Daher muss dem Kristall Energie zugeführt werden, um positiven Lochstrom in ihn einzuführen, d. h. um dem Kristall 21 ein Elektron zu entziehen, so dass er potentielle Energie gewinnt. Wird anderseits ein Elektron zu dem positiv geladenen Kristall an seiner andern Oberfläche, d. h. der mit der negativen Elektrode in Berührung stehenden Oberfläche, hinzugefügt, so wird die gleiche Energiemenge von dem Kristall an die negative Elektrode abgegeben. Nun besitzt diese Energie bekanntlich die Grössenordnung von 5, 5 eV (Elektronenvolt). Mit andern
<Desc/Clms Page number 5>
Worten, ein Energieaufwand von etwa 5, 5 eV ist erforderlich, um ein Elektron von der mit der positiven Elektrode in Berührung stehenden Kristallfläche in Freiheit zu setzen.
Diese Energiemenge kann dem Kristallmolekül durch die folgenden Energiequellen oder Kombinationen derselben zugeführt werden : Wärme, d. h. durch Zufuhr thermischer Energie zu dem Kristall ; durch Zufuhr von elektromagnetischer Wellenenergie, wie ultraviolettem Licht von geeigneter Frequenz, zu dem Kristall ; oder durch Energieabgabe von einer mit der Kristalloberfläche in Berührung stehenden Elektrode an den Kristall.
Natürlich ist die Elektrode als Ganzes ebenfalls elektrisch neutral und erfordert infolgedessen die Zufuhr von Energie, um ihr ein Elektron zu entziehen. Die gleiche Energiemenge wird von der Elektrode abgegeben, wenn ein von dem Anthracenkristall abgegebenes Elektron in die Elektrode eintritt. Dieser Energieaustauschschafft günstige Bedingungen für die Einführung eines positiven Loches in den Kristall 21, die, wie sich aus den obigen Beispielen ergibt, eine Funktion der Art der Elektrode, d. h. des Inhaltes derjenigen Elektrode ist, die in unmittelbarer Berührung mit der Kristalloberfläche steht, in welche das positive Loch eintritt.
Die Energiebilanz für den Prozess der Einführung eines positiven Loches in die Kristalloberfläche lässt sich durch die folgende Gleichung darstellen :
EMI5.1
tron e-an diejenige Elektrode freigibt, die in unmittelbarer Berührung mit der Kristalloberfläche steht, in welche das positive Loch eingeführt wird. We bedeutet die Energie, die erforderlich ist, um der Elektrode ein Elektron zu entziehen, oder umgekehrt, die Energie, die von der Elektrode abgegeben wird, wenn sie ein Elektron aufnimmt. Ex bedeutet diejenige Energie (elektromagnetische Wellenenergie oder thermische Energie), die dem Kristall von aussen her an derjenigen Oberfläche zugeführt wird, in welche der positive Lochstrom eingeführt wird.
Nun beträgt bekanntlich die dem Anthracenkristall durch ultraviolettes Licht von einer Wellenlänge von 3 650 Ä zugeführte Energie Ex 3, 3 eV. Infolgedessen bewirkt die Zufuhr dieser äusseren Energie Ex zu dem Kristall gemäss Gleichung (1), wonach die Summe We + Ex grösser ist als la, einestarke Einführung von positiven Löchern in den Kristall, wodurch die Leitfähigkeit des Kristalls erhöht wird.
Dies erklärt, warum die Stromstärke "i+" in dem Beispiel gemäss Fig. 6a viel grösser ist als die Stromstär- ke "i+" gemäss Fig. 3a. Da der Kristall verhältnismässig durchlässig für Licht von einer Wellenlänge von 4360 ist, ist die dem Kristall zugeführte äussere Energie Ex zu vernachlässigen. Deshalb ist"i+" in Fig. 8a nicht viel grösser als"i+"in Fig. 3a. Für die Beispiele gemäss den Fig. 9a, lOb, lla und 12b gelten die gleichen Gesichtspunkte.
Bei Abgabe eines Elektrons an die Elektronen-Akzeptorelektrode wandert der positive Lochträger in dem Kristall unter dem Einfluss des in dem Kristall bestehenden elektrischen Feldes durch den Kristall zur andern Oberfläche hindurch, d. h. zu der Seite, die in unmittelbarer Berührung mit der negativen Elektrode, der Elektronen-Spenderelektrode, steht. An der letztgenannten Kristalloberfläche wird ein positives Loch an die negative Elektrode abgegeben, mit andern Worten, der Kristall empfängt ein Elektron von derjenigen Elektrode, in die der positive Lochstrom aus dem Kristall hineinströmt.
Damit aber der Kristall ein Elektron von der negativen Elektrode aufnehmen kann, muss an der letztgenannten Kristalloberfläche die folgende Energiebilanzgleichung erfüllt sein :
EMI5.2
ren Energie Ex und der von dem Kristall infolge der Einführung eines Elektrons in denselben abgegebenen Energie Ia grösser sein muss als die zum Entzug eines Elektrons aus der negativen Elektrode benötigte Energie. Wie später gezeigt wird, ist We = 4, 2 eV bei Entzug eines Elektrons aus der OHenthaltenden Elektrode. Da Ia = 5, 5 eV ist, erfolgt die Abgabe eines positiven Loches an die negative Elektrode immer, sofern nur die Elektrode hinreichend ionisiert ist.
Die obigen Versuche zeigen, dass die Einführung von Elektronen oder positiven Löchern an der in unmittelbarer Berührung mit der Elektrode stehenden Kristalloberfläche erfolgt. Daher enthalten die Gleichungen, die diese Vorgänge ausdrücken, die Energiebeziehungen der Elektrode und des Kristalls an ihren gegenseitigen Berührungsflächen. Die der Zelle 20 zugeführte Energie wird mehr oder weniger stark
<Desc/Clms Page number 6>
von den Molekülen der mit der Kristalloberfläche in Berührung stehenden Elektronen-Akzeptorelektrode absorbiert. Daher soll neben andern Eigenschaften dieser Elektrode ihre Dicke so gewählt werden, dass die auf sie gerichtete Energie hinreichend stark eindringt, um die Oberfläche des Kristalls zu erregen.
Vorzugsweise sollen die Elektrode und die Energie in einer derartigen gegenseitigen Beziehung zueinander stehen, dass die gerichtete Energie zu der mit den Grenzflächenmolekülen der Elektrode in Berührung stehenden Kristalloberfläche durchdringt, um die maximale Erregung dieser Moleküle zu gewährleisten.
Unter Bezugnahme auf Gleichung (1) wurde festgestellt, dass Ia = 5, 5 eV ist. Infolge der Wärmeenergie der Umgebung existiert immer eine geringe Menge an äusserer Energie Ex : für die Zwecke der Gleichungen (1) und (2) hängt jedoch der Wert von Ex davon ab, ob elektromagnetische Strahlungsenergie zu dem Kristall durchdringt oder nicht, und wenn das der Fall ist, ob sie absorbiert wird. Für ultraviolettes Licht von einer Wellenlänge von 3 650 Ä wurde festgestellt, dass die zugeführte Energie
EMI6.1
Ex = 3, 3Natriumjodid oder Natriumchlorid in Wasser.
Diese Salzlösungen enthalten zwei positive Ionen, nämlich das Hydroniumion (H30) + und das Natriumion (Na) +. Die negativen Ionen in diesen Salzlösungen, nämlichdasHydroxylionOH-, dasChlorionCl-oderdasJodionJ",spielenbeiderAbgabeeinesElektrons aus dem Anthracenkristall 21 keine Rolle. Nur die positiven Ionen sind imstande, ein Elektron aufzunehmen, und ausserdem wird das Elektron von demjenigen positiven Ion angezogen, welches bei der Aufnahme eines Elektrons den grössten Energiebetrag abgibt. Bei den oben genannten Salzlösungen zieht das Hydroniumion H30+ des Elektron aus dem Anthracenkristall an, u. zw. nach folgender Gleichung :
EMI6.2
wobei W = 4, 7 eV ist.
SchreibtmandieGleichung(l)inderFormE > Ia - We undsetzt man für Ia den Wert 5, 5 eV und für We den Wert 4, 7 eV ein, so sieht man, dass zur Einführung eines positiven Loches in den Kristall Ex grösser sein muss als 0, 8 eV. Mit andem Worten, wenn dem Kristallmolekül eine äussere Energie
Ex > 0, 8 eV zugeführt wird, ist der Kristall imstande, ein Elektron an die positive Elektrode abzugeben.
Diesem Erfordernis ist in den Beispielen gemäss den Fig. 6a, 7b, 9a, lOb und lla reichlich Genüge getan.
Die sehr geringen Stromstärken in einigen dieser Beispiele, z. B. in den Fig. 3a und 3b, 4a und 4b und 5a, sind auf eine geringe Menge an Wärmeenergie zurückzuführen, die dem Kristall infolge der Temperatur der Umgebung zugeführt wird.
In allen Fällen der Ströme"i-"in den Beispielen gemäss den Fig. 5b, llb und 12b enthält die positiveElektrode 23 ungeladene Jodatom und Jodmoleküle sowie Hydroniumionen H30+ und Natriumionen Na+. Die negativen Ionen sind für die Erzeugung dieser Ströme unerheblich. In diesen Beispielen wird der Kristalloberfläche ein Elektron durch ein Jodatom (oder ein Ja - - Ion) entzogen, weil die durch diesen Prozess in Freiheit gesetzte Energie grösser ist als diejenige, die durch die Entladung eines positiven Ionserzeugtwerdenwürde.
DiedurchdieseReaktionfreigesetzteEnergieWebeträgtetwa6,2eVund wird folgendermassen berechnet :
EMI6.3
Da We in den Beispielen gemäss den Fig. 5b, llb und 12b grösser ist als la'findet die Einführung positiver Löcher selbst dann statt, wenn keine äussere Energie Ex zur Einwirkung kommt. Dies erklärt die höhere Stromstärke in Fig. 5b, wo Ex praktisch gleich Null ist. Die höhere Stromstärke"i-"in Fig. llb erklärt sich dadurch, dass ein Teil der Energie des ultraviolettenLichtes durch den Kristall 21 in Form von fluoreszierendem Licht zur Elektrode 23 übertragen wird.
Die verhältnismässig sehr hohe Stromstärke"i-"in Fig. 12b ist darauf zurückzuführen, dass der überwiegende Teil der Lichtenergie von einer Wellenlänge von 4360 von den Jodmolekülen J2 in der Elektrode 23 absorbiert wird, wodurch diese Moleküle in grösserer Menge als bei Raumtemperatur zu Jodatomen J dissoziieren. Aus Gleichung (4) ist ersichtlich, dass durch eine Zunahme von Jodatomen in der positiven Elektrode dem
<Desc/Clms Page number 7>
Anthracenkristall mehr Elektronen entzogen werden, wodurch der Stromfluss durch die Zelle 20 messbar erhöht wird.
Beim Vergleich der Beispiele gemäss den Fig. 9a und lOb bemerkt man, dass die Natriumchloridelektrode einen höheren Nutzeffekt hat als die Natriumjodidlösung. Mit andern Worten, die Natriumchloridelektrode erzeugt mehr Strom als die Natriumjodidelektrode, obwohl das Chlorion Cl und das Jodion j-nicht unmittelbar an dem Prozess der Bildung positiver Löcher beteiligt sind. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, dass das physikalisch grössere Jodion mehr Energie aus dem optisch erregten Anthracen absorbieren kann, so dass diese Energie nicht für die Ionisierung des Anthracenmoleküls zur Verfügung steht und die Erregungsenergie des Anthracens durch das J'-Ion ausgelöscht wird.
Gleichung (2) gibt die Energiebeziehung für die Abgabe eines Elektrons an die Kristalloberfläche durch die in Berührung damit stehende Elektronen-Spenderelektrode wieder. Diejenigen Ionen in der negativen Elektrode, die imstande sind, Elektronen an den Kristall abzugeben, sind das Hydroxylion OHund das Jodion J'oder das Chlorion Cl-. Das abgegebene Elektron stammt von dem Hydroxylion OH-, und die Einführung des Elektrons findet dann statt, wenn Ia + Ex grösser als We ist. Der Prozess des Elektronenentzuges aus dem Hydroxylion wird durch die folgende Gleichung dargestellt :
EMI7.1
wofür We = 4, 2 eV ist.
Wie bereits oben angegeben, hat Ia den Wert 5, 5 eV, und da We kleiner als 5, 5 eV ist, ist die Gleichung (2) immer erfüllt, so dass ein Elektron in den Kristall eingeführt wird oder positiver Strom in die negative Elektrode einströmt, sofern nur ein Hydroxylion anwesend ist.
Aus den Beispielen gemäss den Fig. 3b und 5b ergibt sich, dass die Stromstärke"i-"im letzteren Falle grössenordnungsmässig achzigmal höher ist als die Stromstärke"i-"im ersteren Falle. Dies ist auf das Jodatom J in der Lösung gemäss Fig. 5b an der Kristalloberfläche zurückzuführen, welches sich durchDissoziation des Jodmoleküls J2 gebildet hat.
Wie sich aus Gleichung (4) ergibt, ist die bei Reaktionen dieser Elektrodenart an der Kristalloberfläche freigesetzte Energie We = 6, 2 eV, was mehr ist als das Erfordernis von 5, 5 eV für Ia Das obige Beispiel zeigt, dass der Stromfluss durch den Anthracenkristall in einer Richtung messbar erhöht werden kann, wenn man einen geeigneten Elektronen-Akzeptor verwendet, der so beschaffen ist, dass er bei Aufnahme eines Elektrons mehr als 5, 5 eV abgibt. Bei einem andern Versuch wurde z. B. die in Fig. 13 dargestellte Zelle mit Natriumchlorid (NaCl) als negativer Elektrode, einem Anthracenkristall und einer Lösung von Cersulfat CE (SO,), in Wasser als positiver Elektrode betrieben.
Die Zelle lieferte ohne Belichtung eine um 500 000mal grössere Stromstärke als eine Zelle mit Natriumchloridlösung (NaCl)'alspositiverElektrode. DasCerion Ce++++ liefert bei Aufnahme eines Elektrons ein Ce+++-Ion und eine sehr grosse Energiemenge We. Die Stromstärke der in Fig. 13 dargestellten Zelle wurde auch als Stromstärke"i+"nach Umpolung gemessen und mit der Stromstärke"i-"der in Fig. 13 dargestellten Zelle verglichen. Das Verhältnis der beiden Stromstärken "i+ zu i-"fÜrdieCer- ionenzelle betrug 1 : 105.
Man sieht also, dass der Stromfluss durch die Zelle 20 durch Einwirkung einer geeigneten elektromagnetischen Wellenenergie auf die Zelle gesteuert werden kann, besonders wenn die Zelle mit einer starken Elektronen-Akzeptorelektrode ausgestattet ist. Aus einem Vergleich der Ergebnisse der Fig. 5b, llb und 12b ergibt sich, dass es möglich ist, die Elektronen-Akzeptorbeschaffenheit der Elektrode und mithin die Menge des in den Zellenkristall eingeführten Stromes zu steuern, indem man die elektromagnetische Wellenenergie durch Zufuhr oder Unterbrechung oder aber durch Änderung ihrer Wellenlänge einregelt. Eine Zelle gemäss der Erfindung kann zur Erzeugung chemischer Spannungen verwendet werden.
Die Einführung positiver Löcher in den Kristall 21 kann z. B. mit Hilfe einer so starken äusseren Energie erfolgen, dass die Zelle 20 einen Stromfluss durch einen äusseren Leiter liefert, der mit ihren Klem- men 32 und 33 verbunden ist, auch wenn die Stromquelle 28 nicht an die Zelle angeschlossen ist.
Bei einem solchen Versuch erzeugte die Zelle 20 eine photoelektrische Klemmenspannung von 0, 5 V, und es wurde ohne Anlegung einer äusseren Spannung durch die Stromquelle 28 eine Stromstärke von 20. 10. A beobachtet. Bei diesem Versuch bestand die Zelle aus einem Anthracenkristall, der zwischen einer Natriumchloridlösung als der einen Elektrode und einer (NaJ+J)-Lösung als der andern Elektrode angeordnet war, wobei Licht von einer Wellenlänge von 3 650 A in die NaCl-Elektrode eingestrahlt wurde.
Die hier beschriebene Zelle kann als Gleichrichter verwendet werden, u. zw. besonders als ein Gleichrichter, dessen Kennwerte durch elektromagnetische Energie, wie Licht, gesteuert werden können. Je nach der Richtung deslichteinfalles in die Zelle können die Kathode und der Kollektor des Gleichrichters nach
<Desc/Clms Page number 8>
Wunsch vertauscht werden, und durch Unterbrechung der Lichteinstrahlung kann die Stromleitung des Gleichrichters in beiden Richtungen unterbrochen werden. Ausserdem kann die Zelle gemäss der Erfindung als guter Leiter in beiden Richtungen betrieben werden, indem man Licht in beiden Richtungen in die Zelle einstrahlt. Der Stromfluss in der Zelle kann ferner durch Modulierung des in die Zelle einfallenden Lichtes gesteuert werden.
Gemäss den obigen Beispielen kann die Zelle 20 so betrieben werden, dass sie auch ohne Bestrahlung mit irgendwelchem Licht konstante Gleichrichterkennwerte aufweist, indem man auf einer Seite der Zelle eine geeignete Elektronen-Akzeptorelektrode verwendet. Obwohl in den Beispielen flüssige Elektroden beschrieben sind, kann man auch Elektroden aus zähflüssigen Stoffen, geschmolzenen Salzen oder festen Stoffen verwenden, sofern nur gute unmittelbare Kontakte mit den Kristalloberflächen vorhanden sind und die positive Elektrode als guter Elektronen-Akzeptor wirkt, um die gewünschte Einführung positiver Löcher in den Kristall zu erreichen.
Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll die Dicke des Kristalls 21 zwischen seinen Kontaktflächen 24 und 25 so klein wie praktisch möglich sein, um den Widerstand des Kristalls gegen den Stromdurchgang gering zu halten, da der Widerstand eine Funktion der Dicke ist. In den obigen Beispielen hatte der Anthracenkristall eine Dicke von 10-3 cm zwischen seinen Oberflächen 24 und 25.
In der in Fig. 1 dargestellten Zellenanordnung sind die Elektroden 22 und 23 mit Ausnahme der elek- tischen Leitung durch den Kristall 21 elektrisch isoliert und der Kristall ist für wässerige Lösungen undurchlässig. Obwohl beide oben beschriebenen Elektroden Elektrolyte sind, lässt sich die erfindungsgemässe Wirkung auch dann erreichen, wenn die negative Elektrode, d. h. der Elektronen-Spender, aus Metall, z. B. aus Silber, besteht. Bessere Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn beide Elektroden Elektrolyte sind.
Die Auswahl des für die Stromleitungsvorrichtung verwendeten organischen Stoffes im Sinne der Erfindung ist nicht auf den Anthracenkristall beschränkt. Es können vielmehr viele verschiedene organische Verbindungen mit Erfolg verwendet werden, wie z. B. Naphthalin, Phenanthren, Pyren, Perylen, Pyranthren, Violanthren, Coronen und praktisch alle polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, die molekulare Komplexverbindungen mit Brom oder Jod bilden.
Weitere Beispiele für verwendbare organische Stoffe sind die Verbindungen mit mehreren Ringen im Molekül, die als benzenoide Kohlenwasserstoffe bezeichnet werden, wie Diphenyl, Terphenyl, Quaterphenyl und alle andern Verbindungen, bei denen längs der ganzen Länge des Kohlenwasserstoffmoleküls eine ununterbrochene Kette von konjugierten Doppelbindungen besteht, oder diejenigen Verbindungen, die linear angeordnete Doppelbindungen enthalten, d. h. die sogenannten linearen Polyene, ferner die Carotenoide, wie Carotin und Lycopin.
Auch der Elektrolyt, der zur Einführung der positiven Löcher dient, ist nicht notwendigerweise auf die oben angegebenen Salzlösungen beschränkt. Es wurde z. B. ausgeführt, dass das Cerion Ce++++sich ausgezeichnet für diesen Zweck eignet, und in gleicher Weise ist jede wasserlösliche Verbindung oder jedes wasserlösliche Ion im Sinne der Erfindung geeignet, welches als Oxydationsmittel wirkt. Die Auswahl des jeweiligen organischen Stoffes und des in Verbindung damit zu verwendenden Elektrolyten zum Aufbau der Zelle 20 soll jedoch so getroffen werden, dass die Gleichungen (1) und (2) erfüllt sind.
Mit andern Worten, wenn die gewählte Kombination von Elektroden und organischem Stoff, die die Zelle 20 bildet, der von den Gleichungen (1) und (2) geforderten Energie genügt, findet die Einführung positiver Löcher und mithin eine Stromleitung statt. Natürlich liefern, wie sich aus den obigen Beispielen ergibt, einige Kombinationen bessere Ergebnisse als andere. Der aus den Beispielen abzuleitende Grundgedanke ist der, dass bei dem jeweiligen organischen Stoff ein positives Loch, wenn es erst einmal in den Stoff eingeführt worden ist, sich unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes frei bewegen kann. Es besteht aber ein Unterschied in der Beweglichkeit der positiven Löcher durch den organischen Stoff hindurch, und diese Beweglichkeit hängt von der Natur des Stoffes ab.
Sind jedoch die Energieerfordernisse der Gleichungen (1) und (2) erfüllt, so wird die Einführung positiver Löcher und mithin die Leitfähigkeit stark erhöht.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.