DE10032285A1 - Light energy converting and/or storing device used in solar cells has two surface-divided electrodes with functional materials in contact with the electrodes using a conducting textile fiber arrangement - Google Patents

Light energy converting and/or storing device used in solar cells has two surface-divided electrodes with functional materials in contact with the electrodes using a conducting textile fiber arrangement

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Abstract

Light energy converting and/or storing device has two surface-divided electrodes with functional materials between them. The contact to the electrodes is formed as a conducting textile fiber arrangement. Preferred Features: An upper electrode and/or a contact and a lower electrode and/or a contact are formed as a fleece, foil, thread arrangement or knitted fabric. A central electrode and/or contact is inserted between the electrodes. The textile fiber arrangement contains immobilized functional materials such as electrolytes, semiconductors, dyes, conducting particles, optically active particles, bacteriorhodopsia, biopolymers, fillers, magnetic particles, chromatophores, luminophores or gas bubbles. The textile fiber arrangement is made of carbon, platinum, gold or other metals, photoconductors, mixed compounds or oxides.

Description

Die Erfindung betrifft Kontaktierungen von Bauelementen zur Wandlung und/oder Speiche­ rung von Energie.The invention relates to contacting components for conversion and / or spoke energy.

Bekannt sind eine Vielzahl von Vorschlägen für die Wandlung von Lichtenergie in elektrische oder elektrochemische Energie, wie Solarzellen auf der Basis von Silizium oder Mischver­ bindungen oder Titandioxid oder Bakteriorhodopsin, beispielsweise polykristalline Silizium­ zellen, GaAs-Solarzellen, nanokristalline Solarzellen (TiO2), Solarfolien auf Basis bakterio­ rhodopsindurchsetzer Polymere [Patent DE 198 26 814].A variety of proposals are known for converting light energy into electrical or electrochemical energy, such as solar cells based on silicon or mixed compounds or titanium dioxide or bacteriorhodopsin, for example polycrystalline silicon cells, GaAs solar cells, nanocrystalline solar cells (TiO 2 ), solar foils Basis of bacterio rhodopsin penetrating polymers [Patent DE 198 26 814].

Auch die Speicherung von Energie in Akkumulatoren und Kondensatoren bedient sich elek­ trischer oder elektrochemischer Methoden [z. B. M. Gätzel: Molecular Photovoltaic Systems Mimick Photosynthesis. GIT Labor-Fachzeitschrift 6/97, S. 632-637].The storage of energy in accumulators and capacitors uses electrical or electrochemical methods [e.g. BM Gätzel: Molecular Photovoltaic Systems Mimick Photosynthesis. GIT Laboratory Journal 6/97, p 632-637].

Der prinzipielle Aufbau ist durchweg charakterisiert durch zwei gegenüberliegende Elek­ troden, zwischen denen die Speicher- oder Wandlungsmaterialien angeordnet sind.The basic structure is consistently characterized by two opposite elec troden, between which the storage or conversion materials are arranged.

Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wurde vorgeschlagen, die Elektroden mittels nanokristal­ liner Modifikationen porös auszubilden [z. B. Patent DE 42 07 659] oder die Oberfläche gewellt auszuführen [z. B. Mechanisch strukturierte Si-Solarzellen. Statusreport Photovoltaik, BMBF-BEO 1996]. Damit wird das für die elektrischen oder elektrochemischen Vorgänge zur Verfügung stehende Volumen künstlich vervielfacht.In order to increase the efficiency, it was proposed to make the electrodes porous by means of nanocrystalline modifications [z. B. Patent DE 42 07 659] or the surface undulating [z. B. Mechanically structured Si solar cells. Status report photovoltaics, BMBF-BEO 1996 ]. The volume available for the electrical or electrochemical processes is thus artificially multiplied.

Die Kontaktierung dieser Elektroden erfolgt durch leitende, auf die Elektroden zumeist aufgedrückte oder aufgedampfte Metallschichten. Bei Solaranwendung muß diese Metall­ schicht außerdem noch lichtdurchlässig sein. Andere Zusatzforderungen sind chemische Beständigkeit, gute Leitfähigkeit oder eine Abdichtung des Systems und manchmal auch das Herstellen einer Sperrschicht wie beim sogenannten Schottky-Kontakt.The contacting of these electrodes is carried out by conductive, mostly on the electrodes pressed or evaporated metal layers. In solar applications, this must be metal layer should also be translucent. Other additional requirements are chemical Stability, good conductivity or a seal of the system and sometimes that Creation of a barrier layer as in the so-called Schottky contact.

Ziel der Erfindung ist die technisch einfache und großtechnisch vorteilhafte Herstellung der Kontaktierung von Lichtenergie wandelnden oder speichernden Anordnungen, so daß Energieverluste minimiert werden.The aim of the invention is the technically simple and industrially advantageous production of the Contacting of light energy converting or storing arrangements, so that Energy losses can be minimized.

Aufgabe der Erfindung ist, technische Lösungen für die Kontaktierung zu finden, die den zwischen und mit den Elektroden betriebenen Aufwand für das Funktionieren und den Wirkungsgrad nicht wieder beseitigen. So wird der durch die Porösität der Elektroden gewonnene Vorteil nach Patent DE 42 07 659 durch eine in einer Ebene ausgedehnte Kontaktierung mit den Schichten 2A und 2B auf ein mehrdimensionales Titanoxidgemisch von kleinen Nanopartikeln wieder zunichte gemacht. Das gilt in gleicher Weise für sogenannte nanokristalline Li-Ion-Batterien, wo die nanokristalline LixTiO2-Schicht durch eine ebene SnO2-Schicht kontaktiert wird [M. Grätzel: Nanocrystalline Electronic Junctions. EPFL Lausanne].The object of the invention is to find technical solutions for contacting, which do not eliminate the effort for the functioning and the efficiency that is operated between and with the electrodes. The advantage obtained by the porosity of the electrodes according to patent DE 42 07 659 is nullified by contacting layers 2 A and 2 B on a multidimensional titanium oxide mixture of small nanoparticles, which is extended in one plane. This applies in the same way to so-called nanocrystalline Li-ion batteries, where the nanocrystalline Li x TiO 2 layer is contacted by a flat SnO 2 layer [M. Grätzel: Nanocrystalline Electronic Junctions. EPFL Lausanne].

Gefunden wurde, daß geeignete textile Flächen bzw. auf textilen Strukturen basierende Konstruktionen eine hinreichende Oberflächen- bzw. Volumenkonstruktion ergeben und daß diese gestatten, sowohl als Kontakt als auch als Elektrode oder bei zweckmäßiger Ausge­ staltung auch als Kontakt plus Elektrode eingesetzt zu werden. Was geeignet, hinreichend und zweckmäßig gemäß der erfindungsgemäßen Lehre heißt, soll an den folgenden Ausführungsbeispielen erläutert werden. It was found that suitable textile surfaces or based on textile structures Constructions result in a sufficient surface or volume construction and that allow this, both as a contact and as an electrode or when expedient can also be used as a contact plus electrode. What suitable, sufficient and expediently according to the teaching of the invention is intended to the following Exemplary embodiments are explained.  

Fig. 1 zeigt einen ebenen Kontakt (1), der von Nanopartikeln (2) mit einem Durchmesser von 150 nm belegt und damit kontaktiert ist. Werden diese Nanopartikel mit Kohlenstoff belegt zur Kontaktierung um leitende Textilfasern (3), z. B. aus Kohlenstoff- oder Glasfasern, angebracht, so finden sie einen um deren Umfang vergrößerten Kontaktierungsbereich vor und verringern somit den Kontaktwiderstand auf einen Bruchteil gegenüber des ebenen Kontaktes (1). Erhält die Textilfaser (3) noch Querschnitts- oder Längskerbungen, wie das in der Textilindustrie durchaus üblich ist, oder Mikroporen und Mikrorisse, so wird dieser Effekt noch verstärkt. Der Einbau solcher Faserquerschnittsveränderungen als bewußte Schwach­ stellen kann zusätzlich für das Ausbrennen von Kurzschlüssen eingesetzt werden. Die Textilfaser (3) kann als Vlies ausgebildet sein, das mit dem genannten Kohlenstoff aufgebaut ist. Dieses kann von elektrischen Strom durchflossen werden, um den Kontakt zu erwärmen und damit in kalten Jahreszeiten die Arbeitstemperatur der Solarzelle zu erhöhen. Das steigert den Wirkungsgrad. Dieser Strom kann auch von der Solarzelle selbst geliefert werden. Entscheidend ist die laterale elektrische Durchströmung des leitenden Kontakts und/oder der Elektrode. Für den Einsatz in Solarzellen kann es aber auch notwendig sein, neben dem geringen Kontaktwiderstand eine optische Durchlässigkeit zu fordern. Das ist durch eine sogenannte ITO-Beschichtung (SnO2-Grundbestandteil) oder teilweise Platin­ beschichtung zu erreichen. Fig. 1 shows a flat contact ( 1 ), which is occupied by nanoparticles ( 2 ) with a diameter of 150 nm and contacted. If these nanoparticles are coated with carbon for contacting around conductive textile fibers ( 3 ), e.g. B. made of carbon or glass fibers, you will find a contact area enlarged by their circumference and thus reduce the contact resistance to a fraction compared to the flat contact ( 1 ). If the textile fiber ( 3 ) still contains cross-sectional or longitudinal notches, as is quite common in the textile industry, or micropores and microcracks, this effect is intensified. The installation of such fiber cross-section changes as deliberate weak points can also be used for the burning out of short circuits. The textile fiber ( 3 ) can be designed as a fleece, which is built up with the carbon mentioned. Electrical current can flow through this to heat the contact and thus increase the working temperature of the solar cell in cold seasons. That increases efficiency. This electricity can also be supplied by the solar cell itself. The lateral electrical flow through the conductive contact and / or the electrode is decisive. For use in solar cells, however, it may also be necessary to require optical transmission in addition to the low contact resistance. This can be achieved by a so-called ITO coating (SnO 2 basic component) or partial platinum coating.

Es wurde auch gefunden, daß leitende Polymere, z. B. Polypyrrol (Ppy), oder durch UV- Strahlung leitend machbare Polymere wie Poly-bisalhylthio-acetylen (PATAC) eingesetzt werden können. Dadurch kann sogar die Herstellung mit z. B. schlecht leitendem PATAC erfolgen. Im Laufe der Nutzungszeit kann dann der im Sonnenlicht vorhandene UV-Strah­ lungsanteil die Leitfähigkeit des Kontakts erhöhen und durch diesen Effekt der Alterung etwas entgegenwirken. Anders gesagt ist das eine Initialisierung bzw. Formierung, um eine Nutzung vor Ort zu ermöglichen und in Gang zu setzen. Ausgewählt werden können für diese erfindungsgemäße Lösung auch Fotoleiter, die reversibel nur bei Licht leitend werden und damit die Solarzelle für ihre Funktion aktivieren.It has also been found that conductive polymers, e.g. B. polypyrrole (Ppy), or by UV Radiation-conductive polymers such as poly-bis-ethylthio-acetylene (PATAC) are used can be. This allows even the production with z. B. poorly conductive PATAC respectively. In the course of the period of use, the UV radiation present in sunlight can then proportion increase the conductivity of the contact and through this effect of aging counteract something. In other words, this is an initialization or formation, around a Enable and start using on site. Can be selected for this solution according to the invention also photoconductors which are reversible only conductive in light and thus activate the solar cell for its function.

Mit dem Vlies lassen sich nun verschiedene Solarzellenvarianten aufbauen, die in den Fig. 2 dargestellt sind.With the fleece, different solar cell variants can now be built up, which are shown in FIG. 2.

Fig. 2a zeigt ein oberes Vlies (4) mit Kohlenstofffasern, dazwischen Halbleiter plus Elektrolyt und Farbstoff (5) und ein unteres Vlies (6) mit ITO-Beschichtung, PATAC-Beschichtung, Platinfäden oder auch Kohlefäden, wenn dazwischen genügend Platz für den Lichtdurchtritt bleibt. Werden sowohl für Vlies (4) als auch für Vlies (6) gleiche Materialien eingesetzt, so ist ein Konzentrationsunterschied von 4 zu 5 und von 6 zu 5 der Anordnung 5 einzuhalten. Fig. 2a shows an upper fleece ( 4 ) with carbon fibers, in between semiconductor plus electrolyte and dye ( 5 ) and a lower fleece ( 6 ) with ITO coating, PATAC coating, platinum threads or carbon threads, if there is enough space in between for the light to pass through remains. If the same materials are used for both fleece ( 4 ) and fleece ( 6 ), a concentration difference of 4 to 5 and 6 to 5 of the arrangement 5 must be observed.

Fig. 2b zeigt, daß in der Mitte Vlies (4) mit Kohlenstoffasern sowie oben und unten Vlies (6) angeordnet ist. Damit wird Licht von beiden Seiten genutzt, auf der einen Seite z. B. als Direktstrahlung und auf der anderen als Streulicht. Das Vlies (6) kann auch durch leitende Flüssigkeiten ersetzt werden. Fig. 2b shows that in the middle fleece ( 4 ) with carbon fibers and at the top and bottom fleece ( 6 ) is arranged. So light is used from both sides, on the one hand z. B. as direct radiation and on the other as scattered light. The fleece ( 6 ) can also be replaced by conductive liquids.

Fig. 2c zeigt die Ausgestaltung der Schicht (5) mit Halbleiter, Elektrolyt und Farbstoff als Folie oder Textil (5 *), das zwischen die Vliese (4) und (6) eingebettet ist, wobei alle drei Schichten (4, (5), (6) aufeinander gepreßt werden. Fig. 2c shows the configuration of the layer (5) with semiconductor, the electrolyte and the dye as a slide or a textile (5 *) which is embedded between the webs (4) and (6), wherein all three layers (4, (5) , ( 6 ) are pressed together.

Fig. 2d zeigt die Ausgestaltung der Fasern (3) des Vlieses (4) und/oder (6) mit aufgeflockten beispielsweise Kohlenstoffpartikeln (7). Fig. 2d shows the configuration of the fibers ( 3 ) of the fleece ( 4 ) and / or ( 6 ) with flocked, for example carbon particles ( 7 ).

Fig. 2e zeigt die Licht leitenden, z. B. UV-Licht leitenden Fortsätze (8). Fig. 2e shows the light-conducting, for. B. UV light conductive extensions ( 8 ).

Fig. 2f zeigt die Fasern (3), auf die Kontaktierungsschichten (9), Elektroden (10) und TiO2- Schichten (11) aufgebracht sind und die außerdem eine Festelektrolytschicht (12) und den Einbau von Farbmolekülen (13) gleich mit aufweisen. Anstelle der Vliese lassen sich darüber hinaus auch alle anderen, ähnlich wirkenden Textilien, Gewirke, Fäden usw. und auch beschichtete Folien einsetzen. Fig. 2f shows the fibers (3), the contacting layers (9), electrode (10) and TiO 2 - deposited layers (11) and further comprise a solid electrolyte layer (12) and the incorporation of dye molecules (13) is equal to , Instead of the nonwovens, all other textiles, knitted fabrics, threads, etc. with a similar effect and also coated foils can also be used.

Die Fäden (3) sind auf ihrer Länge, wie in Fig. 3 gezeigt, intermittierend mit dem für Energie­ wandlung und/oder Energiespeicherung benötigten Schichten und Stellen, die von diesen Schichten frei sind, aufbaubar. Dabei können einzelne Schichten, z. B. die TiO2-Schicht (11), auf der ganzen Länge durchgezogen sein, um als zusätzlichen Bonus die Sterilität in den Zwischenbereichen (14) bei der Nutzung durch Träger zu gewährleisten.The threads ( 3 ) along their length, as shown in Fig. 3, intermittently with the layers required for energy conversion and / or energy storage and locations that are free of these layers, buildable. Individual layers, e.g. B. the TiO 2 layer ( 11 ), pulled through the entire length to ensure sterility as an additional bonus in the intermediate areas ( 14 ) when used by carriers.

Claims (15)

1. Lichtenergiewandelnde und/oder Energie speichernde Anordnungen mit mindestens zwei oberflächen- oder querschnittsverteilten Elektroden und dazwischenliegenden Funktions­ materialien dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt zu den Elektroden und/oder die Elektroden als leitend gemachte, textile Faseranordnung ausgeführt ist.1. Light energy converting and / or energy-storing arrangements with at least two surface or cross-sectionally distributed electrodes and intermediate functional materials characterized in that the contact to the electrodes and / or the electrodes is designed as a conductive, textile fiber arrangement. 2. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine obere Elektrode und/oder Kontaktierung und eine untere Elektrode und/oder Kontaktierung als Vlies oder Folie oder Fadenanordnung oder Gewirke ausgeführt sind.2. Light energy converting and energy storing arrangements according to claim 1 characterized in that an upper electrode and / or contact and a lower electrode and / or contact as fleece or foil or thread arrangement or Knitted fabrics are executed. 3. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere Elektrode und/oder Kontaktierung dazwischen eingefügt ist.3. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that a middle electrode and / or contact is inserted between them. 4. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode und/oder Kontaktierung durch eine leitende Flüssigkeit ersetzt ist.4. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims chen characterized in that an electrode and / or contacting by a conductive liquid is replaced. 5. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die textile Faseranordnung je nach funktioneller Notwendigkeit über das Volumen leitend und/oder mit leitenden Schichten ausgeführt ist.5. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that the textile fiber arrangement depending on the functional Need to be conductive over the volume and / or with conductive layers. 6. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die textile Faseranordnung zusätzlich zur leitenden Ausführung den Durchtritt oder die Vorbeiführung optischer Strahlung gestattet.6. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that the textile fiber arrangement in addition to the conductive Execution allows the passage or bypassing optical radiation. 7. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die textile Faseranordnung oberflächenvergrößernde und/oder leitende und/oder lichtleitende Partikel, Querschnittsveränderungen, Fortsätze oder Schichtenfolgen aufweist.7. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that the textile fiber arrangement surface enlarging and / or conductive and / or light-conducting particles, changes in cross-section, extensions or has layer sequences. 8. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die textile Faseranordnung auf ihrer Länge inter­ mittierend gemäß Fig. 3 strukturiert ist.8. Light energy converting and energy storing arrangements according to prior claims, characterized in that the textile fiber arrangement is structured intermittently along its length according to FIG. 3. 9. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die textile Faseranordnung immobilisierte Funktions­ materialien wie Elektrolyte, Halbleiter, Farbstoffe, Leitpartikel, optisch wirkende Partikel, Bakteriorhodopsien, Biopolymere, Füllstoffe, Magnetpartikel, Chromatophore, Lumino­ phore, Gasblasen u. a. enthält und diese optional in Form eines Textils oder einer Folie (5 *) zwischen den Elektroden angeordnet ist.9. Light energy converting and energy-storing arrangements according to prior claims, characterized in that the textile fiber arrangement contains immobilized functional materials such as electrolytes, semiconductors, dyes, conductive particles, optically active particles, bacteriorhodopsia, biopolymers, fillers, magnetic particles, chromatophores, lumino phore, gas bubbles and others and this is optionally arranged in the form of a textile or a film ( 5 * ) between the electrodes. 10. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die textile Faseranordnung selbst und/oder Beschich­ tungen derselben aus Kohlenstoff, Platin, Gold u. a. Metallen, leitenden Polymeren und/oder leitend zu machenden Polymeren wie PATAC, Fotoleitern, Mischverbindungen und Oxyden besteht. 10. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that the textile fiber arrangement itself and / or coating the same made of carbon, platinum, gold and the like. a. Metals, conductive polymers and / or polymers to be rendered conductive, such as PATAC, photoconductors, mixed compounds and oxides exist.   11. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die obere Elektrode und/oder Kontaktierung als Kohlenstoffvlies mit Glasträgerfäden und die untere Elektrode und/oder Kontaktierung als Glas- oder Keramikträgervlies mit ITO- oder ähnlich wirkender Beschichtung ausgeführt sind.11. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that the upper electrode and / or contact as Carbon fleece with glass carrier threads and the lower electrode and / or contacting as Glass or ceramic carrier fleece with ITO or a similar effect are. 12. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Elektrode und/oder Kontaktierung als Kohlenstoffvlies mit Glasträgerfäden und die obere Elektrode und/oder Kontaktierung als lichtdurchlässiges und leitendes Glasträgervlies ausgeführt sind.12. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that the middle electrode and / or contact as Carbon fleece with glass carrier threads and the upper electrode and / or contacting as translucent and conductive glass carrier fleece are executed. 13. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffvlies und/oder das andere leitende Vlies oder ein beliebig gestalteter Kontakt und/oder eine Elektrode von lateralen elek­ trischen Strömen durchflossen ist.13. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that the carbon fleece and / or the other conductive Fleece or any contact and / or an electrode of lateral elec flows through tric currents. 14. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die textilen Faseranordnungen sowohl künstlicher als auch natürlicher Herkunft oder optional Drahtgewirke sind.14. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that the textile fiber arrangements are both artificial and are also of natural origin or optionally knitted wire. 15. Lichtenergiewandelnde und Energie speichernde Anordnungen nach vorherigen Ansprü­ chen dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtanordnung versiegelt ist.15. Light energy converting and energy storing arrangements according to previous claims Chen characterized in that the overall arrangement is sealed.
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