DE102006036524B3 - Photovoltaische Solarzelle - Google Patents
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Abstract
Die Aufgabe besteht darin, eine Solarzelle zu schaffen, mit hohem und langzeitstabilen Wirkungsgrad. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine photovoltaische Solarzelle zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie mit einem in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre befindlichen Feststoffelektrolyten und einer auf dessen Vorder- und Rückseite aufgebrachten als Elektrode fungierenden leitenden Schicht, so dass bei einfallender Lichtstrahlung auf die Vorder- oder Außenseite eine Einbaureaktion von O<SUP>2-</SUP>-Ionen in den Elektrolyten mit einer höheren Rate als an der nicht dem Licht ausgesetzten Rück- oder Innenseite abläuft.
Description
- Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Solarzelle gemäß Patentanspruch 1.
- Angesichts der sich abzeichnenden Ressourcenverknappung und Klimaproblematik in Zusammenhang mit der Verbrennung fossiler Energieträger besteht ein hohes Interesse an regenerativer Energiegewinnung. Ein wichtiges Feld stellt in diesem Zusammenhang die Nutzung der Solarenergie da. Für die direkte Umsetzung von Solarenergie in elektrische Energie über photovoltaische Solarzellen werden heute fast ausschließlich Halbleiterphotozellen verwendet (
DE 699 17 390 T2 ), deren wirtschaftlicher Einsatz aber vor allem durch die kosten- und energieaufwendigen Herstellungsverfahren behindert wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei der photovoltaischen Stromerzeugung über Halbleiterphotozellen die Effizienz der Energieumsetzung für die Wirtschaftlichkeit der Solarstromerzeugung noch nicht optimal ist. Nachteilig ist insbesondere dabei auch der relativ schnell nachlassende Wirkungsgrad von Halbleiterphotozellen. - Aus "Merkle, R.; De Souza, R.A.; Maier, J.: Optically Tuning the Rate of Stoichiometry Changes: Surface-Controlled Oxygen Incorporation into Oxides under UV Irradiation. Angew. Chem., 2001, Vol. 113, Nr. 11, S.2184-87" ist die Beeinflussung der Einbaurate von Sauerstoff in SrTiO3 durch UV Licht bekannt.
- Die
US 4 235 955 offenbart eine Solarzelle zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie mit einem zentralen Feststoffelektrolyten aus stabilisiertem Zirkonoxid. - Aus "Kilo, M.; Argirsis, C.; Borchardt, G.; Oxygen diffusion in yttria stab. zirconia-exp. results and molecular dynamics cal. Phys.Chem. Chem.Phys., 2003, Vol.5, S.2219-24" ist es darüberhinaus bekannt, dass der vorgenannte Festelektrolyt Sauerstoff-Ionen leiten kann.
- Schließlich ist auch die Adsorption von Sauerstoff bei direkter Bestrahlung von Zirkonoxid aus "Merkte, R.; Maier, J.; Oxygen incorp. into Fe-doped SrTiO3:Mechanistic interprtation of the surface reaction. Phys.Chem. Chem.Phys., 2002, Vol. S.4140-48" bekannt.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine photovoltaische Solarzelle anzugeben, die einen hohen und langzeitstabilen Wirkungsgrad aufweist und damit eine kostengünstige und wirtschaftliche Alternative zur Solarstromerzeugung mit Halbleiterphotozellen darstellt.
- Erfindungsgemäß wird die Hauptaufgabe dadurch gelöst, dass ein in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre befindlicher Feststoffelektrolyt verwendet wird, der auf der Vorder- und Rückseite mit einer als Elektrode fungierenden leitenden Schicht versehen ist, so dass bei einfallender Lichtstrahlung auf dessen Vorder- oder Außenseite eine Einbaureaktion von O2–-Ionen in den Elektrolyten mit einer höheren Rate als an der nicht dem Licht ausgesetzten Rück- oder Innenseite abläuft.
- Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass es nunmehr möglich ist, ohne die mit den beschriebenen Nachteilen behafteten Halbleiterphotozellen photovoltaisch Strom zu erzeugen.
- Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle zeichnet sich vor allen Dingen durch eine äußerst wirtschaftliche Herstellbarkeit verbunden mit einem hohen und langzeitstabilen Wirkungsgrad aus.
- Das dem Lösungsansatz zugrunde liegende Prinzip ist in
1 skizziert. - Kernstück der erfindungsgemäßen photovoltaische Solarzelle zur Umwandlung von Licht in Strom ist, analog zu einer Brennstoffzelle, ein Feststoffelektrolyt, z. B. bestehend aus einer Schicht aus geeignetem dotiertem Zirkoniumdioxid (ZrO2) oder einem anderen geeigneten reinen Sauerstoffionenleiter. Zur Verbesserung der Sauerstoffionenleitfähigkeit ist das Zirkoniumdioxid vorteilhaft mit Yttrium oder anderen geeigneten niedrigwertigen Elementen dotiert. Auf diesem Elektrolyten sind, wie bei einer Brennstoffzelle üblich, auf der Vorder- und Rückseite leitende Schichten als Elektroden aufgebracht. Der Elektrolyt befindet sich dabei erfindungsgemäß in einer sauerstoffhaltigen oder auch aus reinem Sauerstoff bestehenden Atmosphäre.
- Eine solche erfindungsgemäße Solarzelle ist im Vergleich zu Halbleiterphotozellen kostengünstig in der Herstellung und weist zudem einen hohen Wirkungsgrad auf.
- Nachfolgend wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Solarzelle näher beschrieben.
- An der Oberfläche des Elektrolyten läuft die Reaktionab.
- Die zugehörige Gleichung zur Beschreibung des an den Grenzflächen des Elektrolyten geltenden Gleichgewichts (die Reaktion ist bei hohen Temperaturen transportkontrolliert) lautetwobei G P / K die freie Energie der Komponente K in der Phase P ist.
- Nimmt man als Referenzzustand für O2– reines atomares Gas O und für O2 reines Gas O2 jeweils bei 1atm und istder entsprechende Aktivitätskoeffizient, so erhält man mit der Elektrodenspannung E
- Der Elektrolyt befindet sich bevorzugt in einem Temperaturgradienten. Die Grenzflächentemperaturen erreichen Werte zwischen T und T – ΔT. Für die Differenz der Konzentration an der heißen Seiteund der kalten Seite
folgt
dabei kennzeichnet der Index Pτ bzw. Pτ – Δτ die jeweilige Seite
- Es kommen somit folgende Ursachen für einen-Gradienten zwischen den beiden Seiten des Elektrolyten, der zu einem Diffusionsstrom und einem entsprechenden elektrischen Rückfluss zwischen den Elektroden (nutzbare elektrische Leistung) führt, in Frage:
eine Differenz in den Sauerstoffpartialdrücken pO₂: Dieser Effekt wird bei der konventionellen Brennstoffzelle genutzt. - • eine Differenz in den Elektrodenspannungen: Negative Elektrodenspannungen bzw. die zugehörigen hohen Elektronenkonzentrationen begünstigen die Bildung von O2–-Ionen an der betreffenden Grenzfläche des Elektrolyten.
- • eine
Temperaturdifferenz ΔT:
Die Größe lnKf ,O(T) steigt mit
der Temperatur an. Auch bei ansonsten gleichem elektrischem Potential
und gleichen Sauerstoffpartialdrücken
ist die O2–-Ionen-Konzentration
daher an der heißen
Seite höher
(die Aktivitätskoeffizienten können als nur schwach temperaturabhängig angesehen werden).
- • Einfall von Photonen: Einfall speziell von kurzwelligem Licht schwächt ebenso wie eine hohe Temperatur die Bindung der (adsorbierten) O2-Moleküle. Eine kombinierte Aufheizung und Bestrahlung einer Seite und Kühlung der Rückseite ist somit für die Einstellung eines großen Konzentrationsgradienten und eine möglichst hohe Stromausbeute von Vorteil.
- Die Dissoziations-/Ionisationsreaktion erfordert in der Gasphase im Temperaturbereich I eine Energie von ca. 5 eV. In Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur der Grenzfläche sinkt diese benötigte Energie für das adsorbierte O2 ab.
- Fällt auf die Vorderseite bevorzugt kurzwelliges Licht, so ist bekannt, dass die Rate der Einbaureaktion ansteigt. Die durch ein Photon abgegebene Energie trägt zur benötigten Reaktionsenthalpie für die endotherme Einbaureaktion bei und erhöht deren Triebkraft.
- Bei der erfindungsgemäßen photovoltaische Solarzelle fällt bevorzugt gebündeltes und im Frequenzspektrum optimiertes Sonnenlicht auf die Vorderseite des Elektrolyten. Hierdurch steigt die Konzentrationder O2–-Ionen an der Vorderseite. Durch den Konzentrationsgradienten zwischen der Vorder- und der Rückseite des Elektrolyten kommt es zu einem Diffusionsstrom von O2–-Ionen im Elektrolyten bzw. zu einem Rückfluss der Elektronen von der Rück- zur Vorderseite. Dieser Rückfluss bildet den nutzbaren elektrischen Strom. Zwischen der Vorder- und der Rückseite besteht ein Druckausgleich, so dass die rekombinierten O2-Moleküle wieder zur Vorderseite gelangen können.
- Da die Adsorptionsreaktion endotherm und die Desorptionsreaktion exotherm ist, ist eine Kühlung der Rückseite, z. B. durch Abstrahlung an die Rückwand, von Vorteil. Niedrigere Temperaturen an der Rückseite steigern wie erwähnt die Triebkraft für die Rekombination zu O2 und damit die Desorptionsrate, was erwünschtermaßen die O2–-Konzentration an der Rückseite senkt.
- Die abgeführte Wärme kann prinzipiell zur weiteren Energiegewinnung genutzt werden. Die Beheizung der vorteilhafterweise möglichst warmen Vorderseite erfolgt durch das Sonnenlicht, insbesondere durch dessen Infrarotanteil.
- Als vorteilhaft für den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Solarzelle hat es sich deshalb erwiesen, den Werkstoff des Elektrolyten so auszuwählen, dass dieser neben einer guten ionischen Leitfähigkeit eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist, um den Temperaturgradienten zwischen Vorder- und Rückseite des Elektrolyten zu erhöhen.
- Erfindungsgemäß ist eine Optik vor dem Elektrolyten vorgesehen, die dessen Wärmeverlust durch Konvektion bzw. Rückstrahlung verringern bzw. vermeiden soll. Dies kann beispielsweise eine vorgesetzte Quarzglasscheibe sein, die vorteilhaft die Eigenschaft einer möglichst hohen Transparenz für den gesamten Frequenzbereich des sichtbaren Lichts aufweist.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Oberflächen der Optik mit einer Beschichtung versehen, die so ausgebildet ist, dass eine optimierte Absorption des Sonnenlichtes erfolgt und die Abstrahlung aus der Solarzelle möglichst effektiv reduziert wird.
- Durch geeignete Konzeption der Schichten wird erreicht, dass ein möglichst effizienter Energietransfer von absorbierter Sonnenstrahlung in die O2-Moleküle erfolgt. Damit verbunden wird die Dissoziationsrate der O2-Moleküle optimiert.
- Die Struktur der Vorderseite des Elektrolyten ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Solarzelle durch geeignete Nanostrukturierung so gestaltet, dass die Absorptionsrate optimiert und die Dissoziation der O2-Moleküle bevorzugt bei möglichst geringen Photonenenergien erfolgt.
- Die Wechselwirkung des Lichtes mit nanostrukturierten Oberflächen führt dabei bei Anwesenheit von Sauerstoff zu einer erhöhten Dissoziationsrate.
- Erreicht wird damit eine optimierte Photodissoziation von O2-Molekülen bei Bestrahlung mit Sonnenlicht mit einem Emissionsmaximum bei 500 nm.
- Geeignete Geometrien sind z. B. Nanodrähte mit Spitzen von 10-100 nm, beispielsweise aus ZnO oder ZrO2. Die Rückseite ist entsprechend in vorteilhafter Weise so gestaltet, dass die Desorptionsreaktion begünstigt wird.
- Zur allgemeinen Erhöhung der Reaktionsrate ist die Umgebung des Elektrolyten vorteilhaft als druckfester Raum ausgeführt und mit einer reinen O2-Atmosphäre unter hohem Druck gefüllt.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird an die Rückseite zusätzlich ein Brenngas, z. B. H2-haltig geführt. Wie bei einer klassischen Brennstoffzelle wird so die O2–-Konzentration abgesenkt und damit der Diffusionsstrom und der entsprechende elektrische Strom erhöht. In diesem Fall sind der Gasraum an der Vorder- und Rückseite voneinander zu trennen.
- Um eine möglichst hohe Energiedichte zu erzielen, ist es fallweise von Vorteil, die beschriebene photovoltaische Solarzelle in Form konzentrischer Röhren aus Glas auszuführen und in der Brennlinie eines halbzylinderförmigen Hohlspiegels zu platzieren,
2 . - Dabei kann die Oberfläche des Hohlspiegels so ausgebildet sein, dass ein möglichst hoher Anteil des reflektierten Lichtes im für die Einbaureaktion günstigen Frequenzbereich liegt. Ein im Zentrum verlaufendes von einem geeigneten Medium durchströmtes Rohr bewirkt dabei die vorteilhafte Kühlung der Innenseite des Elektrolyten.
- Vorteilhaft sind die äußere Glashülle und der Hohlspiegel so ausgebildet, dass sie eine geeignete Optik zur Bündelung des Lichtes bilden. Hierzu sind das Material und die Wandstärke des Glases entsprechend den geometrischen Gegebenheiten auszuwählen.
Claims (23)
- Photovoltaische Solarzelle zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie mit einem in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre befindlichen Feststoffelektrolyten und einer auf dessen Vorder- und Rückseite aufgebrachten als Elektrode fungierenden leitenden Schicht, so dass bei einfallender Lichtstrahlung auf die Vorder- oder Außenseite eine Einbaureaktion von O2–-Ionen in den Elektrolyten mit einer höheren Rate als an der nicht dem Licht ausgesetzten Rück- oder Innenseite abläuft.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch an den Oberflächen des Elektrolyten angebrachte Elektroden der nutzbare Strom abgenommen wird, der den Ladungstransport durch den Diffusionsstrom der O2–-Ionen im Elektrolyten ausgleicht.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete zusätzliche Kühlung der Rück- oder Innenseite die Vorder- oder Außenseite heißer als die Rück- oder Innenseite ist.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Kühlung abgeführte Wärme einer weiteren energetischen Nutzung zugeführt wird.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt der Lichtstrahlung über eine den infraroten Lichtanteil möglichst ungehindert durchlassende Optik erfolgt.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Optik eine Glasscheibe ist.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass in der Optik an entsprechend gestalteten Grenzflächen durch Reflexion oder Brechung der Intensitätsanteil des kurzwelligen Lichts erhöht wird und Licht mit erhöhtem Intensitätsanteil im kurzwelligen Bereich auf die Außen- oder Vorderseite des Elektrolyten fällt und die Abstrahlung aus der Solarzelle möglichst effektiv reduziert wird.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1-7 dadurch gekennzeichnet, dass die Außen- oder Vorderseite des Elektrolyten so gestaltet ist, dass bereits möglichst langwellige Lichtanteile die Einbaureaktion von O2–-Ionen in den Elektrolyten beschleunigen.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1-8 dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufbringen von Nanostrukturen auf die Außen- oder Vorderseite die Dissoziationsrate bei einfallendem Licht und damit verbunden die Erzeugung von O2–-Ionen optimiert wird.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1-9 dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- oder Rückseite des Elektrolyten so ausgebildet ist, dass die Desorptionsrate erhöht wird.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 5-9 dadurch gekennzeichnet, dass die Optik so ausgebildet ist, dass ein möglichst großer Intensitätsanteil des durch das Glas hindurch getretenen Lichtes in dem Wellenlängenbereich liegt, in dem die Einbaureaktion besonders gefördert wird.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1-11 dadurch gekennzeichnet, dass sich der Elektrolyt in einem gasdichten Raum mit erhöhtem Sauerstoffpartialdruck befindet.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1-12 dadurch gekennzeichnet, dass Optik, Elektrolyt und innere Kühlleitung eine Anordnung aus konzentrischen Röhren bilden.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Röhren aus Glas sind.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass gebündeltes Sonnenlicht auf den Elektrolyten fällt.
- Photovoltaische Solarzelle nach den Ansprüchen 13-15 dadurch gekennzeichnet, dass zur Bündelung des Sonnenlichtes ein oder mehrere halbzylindrische Hohlspiegel verwendet werden und die konzentrischen Röhren in der Brennlinie des Hohlspiegels angeordnet sind.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Glasröhre eine zusätzliche Linsenfunktion besitzt.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1-17 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus geeignet dotiertem Zirkoniumdioxid (ZrO2) besteht.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumdioxid zur Erhöhung der Ionenleitfähigkeit mit Yttrium dotiert ist.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Elektroden aus geeigneten mischleitenden oder rein elektronisch leitenden Schichten bestehen.
- Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, dass die mischleitenden oder rein elektronisch leitenden Elektroden so (nano-)-strukturiert werden, dass eine optimierte Photodissoziation von O2-Molekülen bei Bestrahlung mit Sonnenlicht erreicht wird.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1-21 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich auf der kälteren Seite ein Brenngas zugeführt wird.
- Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1-21 dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas Wasserstoff (H2) ist.
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| MERKLE,R., DE SOUZA,R.A., MAIER,J.: Optically Tu- ning the Rate of Stoichiometry Changes: Surface- Controlled Oxygen Incoperation into Oxides under UV Irradion. Angew. Chem., 2001, Vol.113, No.11, S.2184-2187 |
| MERKLE,R., DE SOUZA,R.A., MAIER,J.: Optically Tuning the Rate of Stoichiometry Changes: SurfaceControlled Oxygen Incoperation into Oxides under UV Irradion. Angew. Chem., 2001, Vol.113, No.11, S.2184-2187 * |
| MERKLE,R., MAIER,J.: Oxygen incorporation into Fe- doped SrTiO3: Mechanistic interpretation of the surface reaction. Phyx. Chem. Chem. Phys., 2002, Vol.4, S.4140-4148 |
| MERKLE,R., MAIER,J.: Oxygen incorporation into Fedoped SrTiO3: Mechanistic interpretation of the surface reaction. Phyx. Chem. Chem. Phys., 2002, Vol.4, S.4140-4148 * |
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