DE10032286A1 - Fotovoltaikanordnungen - Google Patents

Fotovoltaikanordnungen

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtenergie in elektrische Energie umwandelnde Anordnung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie auf und/oder mit textilem Trägermaterial erzeugt ist. Die einzelnen Elektroden, Funktionsschichten und Kontakte werden direkt mit bzw. zu einem textilen Faden integriert und daraus textile Fläche gewebt, gewirkt, gestrickt oder mit ähnlichen textilen Techniken hergestellt. Daraus werden textile Erzeugnisse und/oder textile Solarzellen hergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft Fotovoltaikanordnungen auf der Basis von Titandioxid und einem Redoxelektrolyt. Dem Titandioxid können zur Erhöhung des Wirkungsgrades auch Farbstoffe (Fotosensitizer) zugesetzt werden.
Bisher erfolgt die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie auf der Basis von:
  • - unflexible Solarzellen auf Halbleiterbasis [1] wie z. B. auf Si-Basis [2]-[5], Ga- Basis [6]-[9] oder Si- bzw. Te-Basis [10]-[12]. (Schichtdicken von 30-300 µm sind zwar realisierbar doch sind die Zellen spröde und wenig flexibel)
  • - unflexiblen und flexiblen Folien auf den auf Titandioxid TiO2 basierenden Farbstoffzellen [13]-[23]
  • - unflexiblen und flexiblen Folien auf Bakteriorhodopsinbasis [24]
Der Flexibilität und insbesondere der mechanischen Belastbarkeit von Folien sind jedoch Grenzen gesetzt.
Ziel der Erfindung ist die Realisierung von Solarzellen mit möglichst hohem Wirkungsgrad und einfacher Herstellung, die zudem hautverträglich sind und eine antibakterielle Wirkung zeigen.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Anordnung zu finden, die sowohl Solarenergie in elektrische Energie umwandelt als auch mit Gebrauchsgegenständen direkt integrierbar ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Fotovoltaikzelle auf und/oder mit textilem Trägermaterial und auf TiO2 Basis erfolgt, wodurch die Hautverträglichkeit und die antibakterielle Wirkung des textilen Materials erzeugt wird. Damit wird eine solcherart textile Solarzelle erst tragbar.
Dabei wird ein leitfähiges textiles Trägermaterial (wie leitfähige oder leitfähig beschichte Fäden oder aus Kohlenstoffmaterial bzw. mit Indium-Zinnoxid beschichtete textile Flächen) mit z. B. der Anastas-Form des TiO2 beschichtet, auf dem ein Farbstoff, der Fotosensitizer, adsorbiert ist und die eigentliche Fotoelektrode ausbildet. Unter Fotoelektrode versteht man die Elektrode, an der der fotoelektro­ chemische Prozess stattfindet. Im konkreten Fall nimmt die Fotoelektrode die Elektronen des optisch angeregten Fotosensitizers auf, was mit der Oxidation des Fotosensitizers einhergeht. Die oxidierte Form des Fotosensitizers wird in der mit Redoxelektrolyt getränkten Schicht wieder zum Fotosensitizer regeneriert, wobei der Redoxelektrolyt oxidiert wird, so dass sich an der Gegenelektrode ein elektro­ chemisches Gleichgewicht aus oxidierter und reduzierter Form des Redoxelektrolyten einstellt, wodurch sich wiederum eine Spannung zwischen Foto- und Gegenelektrode aufbaut.
Die Fotoelektrode kann sowohl durch direkte Beschichtung, der sich auf der Gegenelektrode befindlichen Abstandsschicht (TiO2-Rutil), die mit dem Redox­ elektrolyten getränkt ist, aufgebracht werden oder unabhängig von der Gegen­ elektrode auf einem gesonderten Faden erzeugt werden.
Im zweiten Fall werden Foto- und Gegenelektrodenfaden, durch einen technischen Prozeß zur Erzeugung textiler Flächen so zusammengebracht, so dass sich an den Berührungspunkten beider Fäden Fotovoltaikanordnungen ausbilden. Mindestens einer von beiden Fäden ist dabei mit der Redoxelektrolytschicht (auch als Abstandsschicht bezeichnet) ummantelt.
Mit der Übertragung auf textile Materialien wird eine größere Flexibilität der Solarzellen erreicht. Die textile Solarzelle stellt ein Gewebe dar, das als eigenständiges Gewebe oder auf Trägergeweben aufgebracht für mobile Solarsysteme eingesetzt werden kann. Für den Transport läßt sich die textile Solarzelle auf kleinstem Raum verstauen, um vor Ort als Fläche von mehreren Quadratmetern ausgebreitet werden zu können. Die textile Solarzelle kann zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie beim Camping, bei Sommerfesten an Verkaufsständen etc. eingesetzt werden. Die Einarbeitung solcher textiler Solarzellen in die oder als Kleidung ist ebenfalls ein wesentlicher Vorteil.
Die solcherart hergestellten textilen Solarzellen kann man ohne Probleme direkt auf Textilien aufnähen oder wie herkömmliche Stoffe konfektionieren. Textiles Produkt (Zelt, Sonnenschirm, Sonnendächer, Bekleidung etc.) und Solarzelle bilden eine Einheit. Der Platzbedarf der textilen Solarzelle beim Transport ist deutlich kleiner als solcher, die auf Folien basieren. Darüber hinaus sind die textilen Solarzellen mechanisch stärker belastbar. Weiterhin wurde gefunden, dass durch die Wahl von Titandioxid und dessen Wechselwirkung mit der Ultraviolettstrahlung Umwelt die textile Solarzelle mit einer antibakteriellen Wirkung ausgestattet ist.
Im Folgenden soll die Erfindung beispielhaft in Fig. 1-6 beschrieben werden:
Die Funktionsweise der in Fig. 1 abgebildeten Zelle wird wie folgt realisiert. Die Ableitkontakte (1) z. B. aus selbstklebender Kupferfolie und/oder zusätzlich durch z. B. Sticken in das Gewebe eingebrachte metallische Fäden werden so angebracht, daß einer von ihnen mit der zuletzt aufgebrachten Indium-Zinnoxidschicht (2), die im weiteren als ITO-Schicht (engl., Indium Tin Oxide) bezeichnet wird, in Kontakt steht. Darunter befindet sich eine Titandioxid-Anatas-Schicht (3), die je nach Einsatzzweck und angestrebten Wirkungsgrad einen Fotosensitizer (z. B. Rutheniumverbindungen) enthält. Die Titandioxid-Anatas-Schicht (3) bildet auf bzw. zusammen mit der ITO-Schicht (2) die Fotoelektrode (4) aus. Eine Abstandsschicht aus einer porösen Titandioxid-Rutil-Schicht (5), die mit einem Redoxelektrolytem (z. B. Iodid/Triiodid, I-/I3 -) getränkt ist, sorgt für den notwendigen Abstand von 2- 200 µm zwischen der Fotoelektrode und der Gegenelektrode (6), die aus einem leitfähigen Faden (z. B. einem Kohlenstoffaden) oder aus einer leitfähigen textilen Fläche besteht. Der zweite der Ableitkontakte (1) steht in direktem Kontakt mit den an den Enden von der Beschichtung befreiten Gegenelektrode (6). Anschließend wird die so erzeugte textile Struktur mit einer flexiblen dünnen Schicht aus z. B. Wasserglas [25] und [26] oder Thermoplast versiegelt.
Die Fig. 1 zeigt ein Fotovoltaikgewebe bei dem Foto- (4), Gegenelektrode (6) durch einen Schichtaufbau an einem textilen Material, hier an einem einzelnen Faden, der zu einem Gewebe verarbeitet wurde, erzeugt werden. Ein solcher Schichtaufbau ist auf alle textilen Substraten wie Geweben, Gewirken, Gestricken, Vlies usw. auch direkt realisierbar. Die in Fig. 1 dargestellte Realisierung an einem Faden steht nur als ein Beispiel. Die Realisierung der Schichtstruktur an einem Faden trägt zur Beibehaltung der Flexibilität des Gewebes bei.
Die Fig. 2 zeigt ein Fotovoltaikgewebe, das auf der Basis separater als Foto- und Gegenelektrode modifizierter Fäden, dem Fotoelektroden- (7) und Gegenelektroden­ faden (8), besteht. Der Fotoelektrodenfaden (7) ist ein als Fotoelektrode (4) modi­ fizierter leitfähiger Faden, auf dem eine Titandioxid-Anatas-Schicht (3) zusammen mit dem Fotosensitizer aufgebracht ist. Am Fotoelektrodenfaden (7) läuft die eigentliche fotochemische Reaktion ab, bei dem Elektronen von dem durch Licht angeregten Fotosensitizermolekülen S* auf das Leitungsband in der Titandioxid- Anatase-Schicht (3) übertragen werden, wobei die Fotosensitizermoleküle zu S+ oxidiert werden. Der Fotoelektrodenfaden (7) bildet somit den negativen Pol des Fotovoltaikgewebes aus. Der Gegenelektrodenfaden (8) ist ein als Gegenelektrode modifizierter leitfähiger Faden, auf dem in der porösen Titandioxid-Rutil-Schicht (5) zusätzlich die Redoxelektrolytschicht aufgebracht ist. An der Grenzschicht zwischen Foto- (7) und Gegenelektrodenfaden (8) (Titandioxid-Anatase-Schicht (3)/Titan­ dioxid-Rutile-Schicht (5)) werden Elektronen vom Iodid I- auf die durch die fotochemische Reaktion erzeugten oxydierten Fotosensitizermoleküle S+ übertragen. Dabei wird das Iodid I- zum Triiodid I3 - oxidiert, das am leitfähigen Faden wieder zum Iodid I- reduziert wird. Der Gegenelektrodenfaden (8) bildet den positiven Pol der Fotovoltaikzelle aus. Die fotoelektrochemische Ladungstrennung an den Berührungs­ punkten von Foto- (7) und Gegenelektrodenfaden (8) sind in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die resultierende Schichtfolge im Gewebe aus Foto- (7) und Gegen­ elektrodenfäden (8) ist wiederum identisch mit der in Fig. 1 dargestellten. Anschließend wird die so erzeugte textile Struktur wiederum mit einer flexiblen dünnen Schicht aus z. B. Wasserglas [25] und [26] oder Thermoplast versiegelt.
Je nach eingesetztem textilen Material und angestrebtem Wirkungsgrad der Zelle besteht der Fotoelektrodenfaden (7) lediglich aus dem mit ITO beschichteten Faden oder einem Kohlenstoffaden, auf dem nur die den Fotosensitizer enthaltende Titandioxid-Anastas-Schicht (3) aufgebracht ist, was zur einer Halbierung der Schichtdicke der Abstandsschicht (5) führt oder aber es sind beide Schichten, die den Fotosensitizer enthaltende Titandioxid-Anastas-Schicht (3) und die Abstandsschicht (5) aus porösem mit Redoxelektrolyt getränktem Titandioxid (Rutil) aufgebracht. Sind beide Schichten vorhanden, resultiert im fertigen Fotovoltaikgewebe eine dickere Abstandsschicht (5) was die Stabilität und die textile Verarbeitbarkeit des Fotoelektrodenfadens (7) erhöht und die Fehlerrate senkt. Solche Fehler entstehen durch den direkten Kontakt von Fotoelektrode (4) und Gegenelektrode (6). Die größere Schichtdickte erhöht aber auch den Innenwiderstand der Zelle und verringert so den Wirkungsgrad. Der Einfluß dieses Schichtaufbaus auf die Wirkungsweise der Zelle und die fotochemische Ladungsseparation an den Berührungsspunkten der Fäden wird in Fig. 3 veranschaulicht. Der blaue Pfeil steht dabei für die Übertragung von Elektronen vom durch Licht aktivierten Fotosensitizser S* auf das Leitfähigkeitsband des Titandioxids und der rote Pfeil symbolisiert die Erzeugung einer positiven Ladung an der Gegenelektrode.
Neben dem Verweben der Foto- (7) und Gegenelektrodenfäden (8) kommen auch andere Techniken zur textilen Flächenbildung zum Einsatz, um aus den fadenförmigen Halbzellen eine Fotovoltaikanordnung zu erzeugen. Je nach Stärke und mechanischer Belastbarkeit des als Trägerfaden eingesetzten Materials und der Einsatzgebiete der fertigen Solarzelle, werden die unterschiedlich modifizierten Fäden miteinander verwebt, verwirkt, gestrickt usw.
Die Erfindung beinhaltet auch die Erzeugung von Fotovoltaikzellen an einem einzelnen textilen Faden, der wiederum entweder durch die in Fig. 1 dargestellten Schichtfolge oder aber aus zwei als Fotoelektroden- (7) und Gegenelektrodenfaden (8) modifizierten Fäden durch textiltechnische Prozesse, wie dem Vermaschen von Fäden zu einer Biese (Fig. 4) oder der Erzeugung einer Gimpe (Fig. 5) usw., erzeugt wird. Die Fig. 4 zeigt ein als Biese bezeichnetes fadenförmiges Gebilde, das aus einem mit einem Fotoelektrodenfaden (7) vermaschtem Gegenelektrodenfaden (8) mit den zugehörigen Ableitkontakten (1) besteht und die Fig. 5 zeigt die Realisierung eines Fotovoltaikfadens in Form einer Gimpe aus einem optisch transparenten Fotoelektrodenfaden (7), einem Gegenelektrodenfaden (8) und den jeweiligen Ableitkontakten (1), wobei der Gegenelektrodenfaden (8) mit dem Fotoelektroden­ faden (7) umwunden und mit einer flexiblen dünnen Schicht aus z. B. Wasserglas [25] und [26] oder Thermoplast versiegelt ist.
Die so erzeugten Fotovoltaikfäden kommen direkt als Solarzellen zum Einsatz. Die Weiterverarbeitung mittels flächenbildender textiltechnischer Prozesse führt zu textilen Solarzellen, die aus fadenförmigen Fotovoltaikzellen bestehen und den Vorteil besitzen, daß bei auftretenden Defekten (fehlende oder defekte Abstands­ schicht) der jeweilige Faden aus der gesamten Solarzelle durch einfaches Durchschneiden vor dem zugehörigen Ableitkontakt (1) ausgekoppelt werden kann und somit größere textile Fotovoltaikflächen bei Ausfällen reparierbar gestaltet werden können. Die Fig. 6 zeigt ein kontaktiertes aus einzelnen Fotovoltaikfäden hergestelltes Fotovoltaikgewebe mit den aus Fotoelektroden- (7) und Gegen­ elektrodenfaden (8) bestehenden Fotovoltaikfäden, die zu einem Gewebe weiterver­ arbeitet und gesondert mit Ableitkontakten (1) kontaktiert sind.
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26 Zitate, davon 2 Patente und 24 sonstig Literaturstellen.

Claims (12)

1. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde Anordnung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie auf und/oder mit textilen Trägermaterialien erzeugt und auf TiO2-Basis realisiert ist.
2. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Foto- (4) und die Gegenelektrode (6) auf dem textile Substrat direkt erzeugt sind.
3. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde Anordnung entsprechend den vorausgegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Foto- (4) und Gegenelektrode (6) unabhängig voneinander hergestellt und durch Weben, Wirken, Stricken oder andere Techniken zur Erzeugung von textilen Flächen zur Fotovoltaikanordnung verarbeitet sind.
4. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde textile Anordnung entsprechend den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem leitfähigen oder leitfähig beschichteten textilen Material, direkt auf der textilen Fläche eine Schichtstruktur bzw. Mikropartikelstruktur erzeugt ist, die aus Halbleiter-, Redoxelektrolyt- und Farbstoffschichten besteht.
5. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde textile Anordnung entsprechend den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die für die energieumwandelnde Funktion benötigte Struktur neben der ganzheitlichen Beschichtung eines textilen Trägermaterials auch aus unterschiedlich modi­ fizierten zu einer textilen Fläche verarbeiteten Fäden besteht.
6. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde textile Anordnung entsprechend den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Bisen und Gimpen aus unterschiedlich beschichteten und modifizierten Fäden (Foto- (4) und Gegenelektrode (6)) Bestandteile der Fotovoltaikanordnung sind.
7. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde textile Anordnung entsprechend den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer textilen Fläche besteht, die aus modifizierten Fadensystemen (Foto- (7) und Gegenelektrodenfaden (8)) und/oder aus Fäden, die durch Kombination beider Komponenten (Foto- (7) und Gegenelektrodenfaden (8)) zusammengefügt ist.
8. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde textile Anordnung entsprechend den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontak­ tierung der textilen Foto- (4) und Gegenelektrode (6) durch textile Techniken z. B. durch das Aufsticken der entsprechenden Ableitkontakte (1) realisiert ist.
9. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde textile Anordnung entsprechend den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Materialien hautverträglich und/oder antibakteriell wirkend ausgewählt sind.
10. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde teile Anordnung entsprechend den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß diese in jed­ wedem textilen Erzeugnis integriert und/oder hergestellt sind.
11. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde textile Anordnung entsprechend den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass sie als textile Solarzelle eingesetzt ist.
12. Lichtenergie in elektrische Energie wandelnde textile Anordnung entsprechend den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung versiegelt ist.
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