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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine fotosensitive
bzw. lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
normale Elektrochromievorrichtung kann als intelligentes Fenster
zum Stromsparen dienen und kann in Öko-Häusern
verwendet werden, aber benötigt immer noch eine elektrische
Energiequelle, die Energie verbraucht. Typische Elektrochromievorrichtungen
werden in Festkörpervariante und Flüssigvariante
eingeteilt. Eine Festkörper-Elektrochromievorrichtung hat
eine Struktur wie in 1 gezeigt ist, wobei eine obere Schicht
und eine untere Schicht einer Elektrochromievorrichtung 100 jeweils
durch ein transparentes Glas/Kunststoffsubstrat 102 gebildet
sind. Es gibt mindestens fünf beschichtete/abgeschiedene
Schichten mit verschiedenen Funktionen, die zwischen den transparenten
Substraten 102 angeordnet sind, und die fünf Schichten
sind z. B. zwei transparente leitfähige Schichten 104,
eine Elektrochromschicht 106, eine Elektrolytschicht 108 und
eine Ionenspeicherschicht 110, die zu einem Verbund gestapelt
sind, um eine batterieähnliche Struktur zu bilden.
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2 ist
eine Strukturansicht einer herkömmlichen Flüssigvariante
einer Elektrochromievorrichtung, wobei eine Vorrichtung 200 zwei
transparente leitfähige Substrate 202 umfasst.
Allgemein enthält eines der transparenten Substrate 202 ein transparentes
Substrat 204 und eine Anode 206, und die andere
enthält das transparente Substrat 204 und eine
Kathode 206 der Anode 206 gegenüberliegend.
Eine Elektrochromlösung 208 ist zwischen den beiden
transparenten leitfähigen Substraten 202 angeordnet
und schließt ein organisches Elektrochromiematerial und
eine Elektrolytlösung ein.
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Aufgrund
steigendem Energiesparbewusstsein wurde ein neues, in einem Gebäude
integriertes Fotovoltaiksystem (BIPV) entwickelt, das durch Kombination
von Solarzellen und Elektrochromievorrichtungen implementiert ist,
was heutzutage zu einer neuen Tendenz geworden ist. Mit einem BIPV-System
wird keine zusätzliche Energie benötigt, um den
Farbschatten von Fenstern mit elektrochromen Glas gemäß der
Veränderung von Innen- und Außenhelligkeit automatisch
anzupassen, was große Vorteile bezüglich Reduzierung
der Innenwärme hat, um ein Energiesparziel zu erreichen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
gerichtet, in der ein tätiges Dünnschicht-Solarzellenmodul
aus Silizium als ein Element der Vorrichtung dient, das Lichtenergie
in elektrische Energie zur Farbänderung umwandelt, um damit
zu Öko-Energiesparzielen zu passen. In Kombination mit
speziell entworfenen Schaltern, kann die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
Wechselstrom-Elektrik und Gleichstrom-Elektrik durch eine Verbindung
mit einem Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler und einer Gleichstromladungsspeichervorrichtung,
die eine neue Energiequelle in der vorliegenden Energiekrise bereitstellt,
mit Strom versorgen.
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Bis
jetzt beruht die Entwicklung von lichtelektrochromischen Vorrichtungen
auf farbempfindliche Solarzellen zur Erzeugung von Strom. Das
US Patent mit der Nummer
6.369.934 B1 offenbart eine vollständig-organische
mehrschichtige lichtelektrochemische Vorrichtung. Allerdings müssen,
um eine typische Struktur wie diese in der Praxis anzuwenden, viele
Probleme gelöst werden, z. B. die Beständigkeit
der lichtempfindlichen Schicht oder die Realisierbarkeit einer Vergrößerung
der Fläche der Vorrichtung.
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Das
US Patent mit der Nummer 5.377.037 stellt
eine Bauform bereit, die eine Solarzelle mit einer Elektrochromievorrichtung
in einer einzigen Vorrichtung kombiniert, wobei ein erstes leitfähiges
Glassubstrat, ein Dünnschicht-Solarzellenmodul aus Silizium
und eine anorganische Elektrochromievorrichtung in einer Reihenanordnung
angeordnet und innerhalb eines Elements kombiniert sind. Das Element
ist dem zweiten transparenten leitfähigen Substrat auf
der gegenüberliegenden Seite zugewandt und eine flüssige
organische Elektrolytlösung oder eine feste anorganische
Elektrolytschicht ist zwischen den beiden Elementen angeordnet.
Allerdings benötigt das anorganische Elektrochromiematerial
an sich zum Arbeiten eine hohe Betriebsspannung und eine hohe Ladungsdichte,
und daher kann die Dicke der Schichten der Dünnschicht-Solarzellen
aus Silizium an sich nicht verringert werden, was zu geringerem
Kontrast führt, der durch die Vorrichtung ausgegeben wird
und das wird zu einem Hindernis für die Anwendung in dem
intelligenten Fenster.
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US Patent mit der Nummer 5.805.330 stellt
eine vollständig-organische Struktur bereit, wobei sowohl eine
obere Schicht, als auch eine untere Schicht transparente leitfähige
Substrate sind, und ein organisches Elektrochromiematerial aus kleinen
Molekülen und eine Elektrolytlösung sind dazwischen
angeordnet. Ein Solarzellenmodul haftet am Rand des elektrochromen
Glases, so dass wenn es durch Sonnenlicht beleuchtet wird, der Strom,
der durch die Solarzelle erzeugt wird, der Elektrochromievorrichtung
zugeführt über einen Ausgabeanschluss der Zelle
wird und die Elektrochromievorrichtung dadurch die Farbe ändert.
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US Patent mit der Nummer 6.005.089 stellt
ein Elektrochromsystem bereit, das eine Solarzelle mit einer Elektrochromievorrichtung
kombiniert, wobei ein anorganisches elektrochromes Glas vor einem
Siliziumkristallsolarzellenmodul angeordnet ist, und sich eine Luftschicht
zwischen dem anorganischen elektrochromen Glas und dem Siliziumkristallsolarmodul
befindet. Unter Sonnenlichtbestrahlung wird durch die Solarzelle erzeugte
Elektrizität an die Elektrochromievorrichtung über
Anschlüsse der Zelle ausgegeben, um damit die Farbe der
Elektrochromschicht zu ändern. Der Farbkontrast innerhalb
des Elektrochromsystems steuert die einfallende Lichtintensität,
die auf die Solarzelle fällt und bestimmt damit den Ausgabestrom
der Solarzelle.
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Obwohl
die Elektrochramtechnologie schon seit vielen Jahren weiterentwickelt
wird, sind bis jetzt nur elektrochrome Rückspiegel als
Massenprodukt in den Handel gekommen und andere Arten von großflächigen Elektrochromievorrichtungen
kämpfen immer noch mit dem Problem einer ungleichmäßigen
Farbänderung, den sogenannten Iris-Effekt, dessen Phänomen
in 3 veranschaulicht ist. Bezugnehmend auf 3 muss beachtet
werden, dass in einer ebenen Struktur 300, die durch die
zuvor erwähnten Patente bereitgestellt wird, die Pfadlängen
der elektrischen Felder in der Umgebung (in der die Elektrode 302 platziert
ist) und im Mittelbereich 304 der tätigen Elektroden 302 voneinander
verschieden sind, was zu einer Veränderung der Impedanz
führt und sich damit ein signifikanter Unterschied in der
Farbkonzentration zwischen der Umgebung (in der die Elektrode 302 platziert
ist) und dem Mittelbereich 304 ergibt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dementsprechend
ist die vorliegende Erfindung auf eine lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung gerichtet,
in der ein Dünnschicht-Solarzellenmodul als ein Element
der Vorrichtung dient, das Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt,
um eine Farbänderung auszuführen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
gerichtet, die in der Lage ist, den Iris-Effekt zu bewältigen
und für eine Massenproduktion geeignet ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
bereit, die ein transparentes nichtleitfähiges Substrat,
ein Dünnschicht-Solarzellenmodul und eine Elektrochromielösung
bzw. Elektrochromlösung einschließt. Das Dünnschicht-Solarzellenmodul
ist ein monolithische in Serie geschaltetes Modul und enthält
ein transparentes Substrat und eine Vielzahl von Dünnschicht-Solarzellen,
die auf dem transparenten Substrat platziert sind, wobei die Dünnschicht-Solarzellen
in Serie geschaltet sind; und die zuvor erwähnte Elektrochromielösung
zwischen dem transparenten nichtleitfähigem Substrat und
dem Dünnschicht-Solarmodul angeordnet ist.
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Auf
der Grundlage der vorhergehenden Ausführungen nimmt die
lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung der vorliegenden Erfindung
folgendes Design an: das monolithische, in Serie geschaltete Dünnschicht-Solarzellenmodul
wird verwendet, um die Elektrochromielösung zu betreiben,
wobei eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht des Dünnschicht-Solarzellenmoduls
auf einem transparenten Substrat abgeschieden werden, um damit die
Anode und die Kathode der lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
auf der gleichen Fläche zu bilden. Wenn das Sonnenlicht
auf das Dünnschicht-Solarzellenmodul einstrahlt, erzeugt
das Modul direkt Strom, der veranlasst, dass eine Redox-Reaktion
in der Elektrochromielösung auftritt, wobei sich die Farbe
der Elektrochromielösung ändert. Zusätzlich
ist die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung der vorliegenden
Erfindung mit dem Stromherstellungsprozess des Dünnschicht-Solarzellenmoduls kompatibel
und dadurch wird die vorliegende Erfindung für die Massenproduktion
begünstigt. Insbesondere, da die Anodenschichten und die
Kathodenschichten zwischen den Dünnschicht-Solarzellen
in Serie geschaltet sind, ist es nicht nötig, zusätzliche
Schaltungsdrähte in der lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
anzuordnen, was zur Verringerung der Herstellungskosten und Herstellungszeit
beiträgt.
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kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
begleitenden Zeichnungen sind eingeschlossen, um ein weitergehendes
Verständnis der Erfindung bereitzustellen, und sind eingeschossen
in und bilden einen Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen veranschaulichen
Ausführungsform der Erfindung und dienen, zusammen mit
der Beschreibung, dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
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1 ist
eine Strukturansicht einer herkömmlichen Festkörpervariante
einer Elektrochromievorrichtung.
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2 ist
eine Strukturansicht einer herkömmlichen Flüssigvariante
einer Elektrochromievorrichtung.
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3 ist
eine zweidimensionale Darstellung, die den Iris-Effekt einer herkömmlichen
Elektrochromievorrichtung zeigt.
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
ein Schaltbild der lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung
von 4.
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Die 6A–6E sind
schematische Querschnittsansichten, die einen Ablauf eines Herstellungsprozesses
einer lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung gemäß der
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
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7 ist
eine Draufsicht auf die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
von 6E vor der Farbänderung.
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8A ist
eine Draufsicht auf die Lichtübertragungsvariante der lichtempfindlichen
Elektrochromievorrichtung von 6E vor
der Farbänderung.
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8B ist
eine Draufsicht auf die Lichtübertragungsvariante der lichtempfindlichen
Elektrochromievorrichtung von 6E nach
der Farbänderung.
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9 ist
ein zyklischer Graph bzw. ein Graph einer Hysteresekurve einer Dünnschicht-Solarzelle
aus Silizium, wobei ein anorganisches Elektrochromiematerial mit
kleinen Molekülen TMPD ist, und ein kathodisches anorganisches
Elektrochromiematerial mit kleinen Molekülen HV ist.
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10 ist
ein Graph eines Absorptionssektrums einer Dünnschicht-Solarzelle
aus Silizium, wobei ein anorganisches Elektrochromiematerial mit
kleinen Molekülen TMPD ist, und ein kathodisches organisches Elektrochromiematerial
mit kleinen Molekülen HV ist.
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11 ist
ein Graph einer Strom-Antwort bzw. Stromreaktion einer Dünnschicht-Solarzelle
aus Silizium, wobei ein anorganisches Elektrochromiematerial mit
kleinen Molekülen TMPD ist, und ein kathodisches anorganisches
Elektrochromiematerial mit kleinen Molekülen HV ist.
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12 ist
eine I-V-Kurve (Strom-Spannungs-Kennlinie) einer durchsichtigen
Variante der lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung.
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13 ist
ein Schaltbild einer lichtempfmdlichen Elektrochromievorrichtung
der vorliegenden Erfindung.
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14 ist
ein Schaltbild, das die elektrische Verbindung zwischen einer lichtempfindlichen
Elektrochromievorrichtung der vorliegenden Erfindung und einem Ausgabeschalter
zeigt.
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15 ist
ein Schaltbild, das die elektrische Verbindung zwischen einer lichtempfindlichen
Elektrochromievorrichtung der vorliegenden Erfindung und einem anderen
Ausgabeschalter zeigt.
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16 ist
ein Schaltbild, das eine lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
der vorliegenden Erfindung und ein TFT zeigt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Nachstehend
wird detailliert auf die Ausführungsformen der Erfindung
Bezug genommen, und Beispiele davon sind in den begleitenden Zeichnungen
veranschaulicht. Wo immer es möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen
in den Zeichnungen und der Beschreibung verwendet, um auf gleiche
oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen.
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4 ist
eine strukturelle Querschnittsansicht einer lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung
gemäß der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 4 enthält
eine lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung 400 der
ersten Ausführungsform ein transparentes nicht-leitfähiges
Substrat 402, ein Dünnschicht-Solarzellenmodul 404 und
eine Elektrochromielösung 406. Das Dünnschicht-Solarzellenmodul 404 hat
eine monolithische in Serie geschaltete Modulstruktur. In 4 enthält
das Dünnschicht-Solarzellenmodul 404 ein transparentes
Substrat 408 und eine Vielzahl von Dünnschicht-Solarzellen 410,
die auf dem transparenten Substrat 408 platziert sind.
Die Dünnschicht-Solarzellen 410 sind in Serie
geschaltet. Das Dünnschicht-Solarzellenmodul 404 ist
in der ersten Ausführungsform z. B. ein Dünnschicht-Solarmodul
aus Silizium, ein Dünnschicht-Solarmodul aus CIGS oder
ein Dünnschicht-Solarmodul aus CdTe.
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Weiter
bezugnehmend auf 4, werden in der Praxis die
Dünnschicht-Solarzellen 410 vorzugsweise in einem
Modul zusammengefasst, da die Spannung jeder Dünnschicht-Solarzelle 410 sehr
gering ist; im Beispiel von 4 enthalten
die Dünnschicht-Solarzellen 410 eine Vielzahl
von Anodenschichten 412, die auf einer Fläche
des transparenten Substrats 408 angeordnet sind, eine Vielzahl
von Kathodenschichten 414, die auf den Anodenschichten 412 angeordnet
sind und eine Vielzahl von Halbleiterdünnschichten 416,
die zwischen den Anodenschichten 412 und den Kathodenschichten 414 platziert
sind. Die Anodenschicht 412 jeder Dünnschicht-Solarzelle 410 ist
mit einer benachbarten Kathodenschicht 414 elektrisch verbunden,
so dass die Dünnschicht-Solarzellen 410 in Serie
geschaltet sind, und 5 ist das Schaltbild der lichtempfindlichen
Elektrochromievorrichtung von 4. Ein material
zum Bilden der zuvor genannten Anodenschicht 412 ist z.
B. transparentes leitfähiges Oxid (TCO). Ein material der
Kathodenschicht 414 ist im allgemeinen TCO mit einem Metalladditiv
(z. B. Silber); in Erwägung, dass die lichtempfindliche
Elektrochromievorrichtung 400 eine sehr geringe Ladungsdichte
benötigt, kann allerdings die Kathodenschicht 414 durch
TCO gebildet werden, um somit die gesamte lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung 400 lichtdurchlässig
zu machen.
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In
der ersten Ausführungsform ist das transparente nicht-leitfähige
Substrat 402 z. B. Glas, Kunststoff oder ein anderes geeignetes
flexibles Substrat. Ein Material des transparenten Substrats 408 des
Dünnschicht-Solarzellenmoduls 404 ist z. B. Glas,
Kunststoff oder ein flexibles Substrat. Eine Zusammensetzung der
Elektrochromielösung 406 ist z. B. mindestens
ein redoxartiges, organisches Elektrochromiematerial mit kleinen
Molekülen und mindestens ein Lösungsmittel, wobei
das redoxartige, organische Elektrochromiematerial mit kleinen Molekülen
eines aus einer Gruppe ist, die aus folgendem besteht: kathodisches
Elektrochromiematerial, anodisches Elektrochromiematerial und eine
Kombination aus davon. Das zuvor erwähnte kathodische Material
ist z. B. Methylviologen, Ethylviologen, Heptyviologen (HV), Benzylviologen
oder Propylviologen; das anodische Elektrochromiematerial ist z.
B. Dimethhylphenazin, Phenylendiamin oder TMPD (N,N',N,'N-Tetramethyl-p-Phenylendiamin)
und das Tedoxpotential des Elektrochromiematerials ist geringer als
3 V. Zusätzlich enthält die Zusammensetzung der
Elektrochromielösung 406 weiter Alkalimetallsalz,
z. B. Lithiumtrifluoromethansulfonat, Lithiumperchlorat oder Tetraalkylammoniumsalz.
Des Weiteren enthält die Elektrochromielösung 406 eine
geeignete Menge an Polymeren, z. B. PEO (Polyethylenoxid), PPO (Polypropyleneoxid)
oder Acryl (Polymethylmethacrylat, PMMA), um somit die Viskosität
der Elektrochromielösung 406 zu erhöhen.
Das Lösungsmittel in der Elektrochromielösung 406 ist
z. B. Propylenkarbonat (PC), Ethylcarbonate (EC), γ-Butyrolacton,
Acetonitril, Tetrahydrofuran oder n-Methylpyrrolidon (NMP).
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Die
Anodenschichten 412 und die Kathodenschichten 414 der
zuvor erwähnten Dünnschicht-Solarzellen 410 dienen
ebenfalls als Anoden und Kathoden der lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung 400,
wie in 4 gezeigt ist. Wenn das Sonnenlicht 420 in
die lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung 400 eintritt, erzeugt
die Dünnschicht-Solarzelle 410 sofort eine Vielzahl
von Elektron-Loch-Paaren. Der Strom, der durch die Dünnschicht-Solarzellen 410 erzeugt
wird, wird an die Elektrochromielösung 406 durch
die Anodenschichten 412 und die Kathodenschichten 414 übertragen,
um somit eine Redox-Reaktion innerhalb der transparenten und farblosen
Elektrochromlösung 406 zu verursachen.
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Der
Strom aus den Dünnschicht-Solarzellen 410 wird
in einen Ionenstrom in der Elektrochromielösung 406 umgewandelt;
demnach wird ein Kurzschluss verhindert, auch wenn die Anodenschichten 412 und
die Kathodenschichten 414 gleichzeitig in Kontakt mit der
Elektrochromielösung 406 stehen, wenn elektrischer
Strom erzeugt wird. Zusätzlich kann eine Reflexionsschicht 418a oder 418b auf
dem transparenten nichtleitfähigen Substrat 410 abgeschieden
werden, um eine Spiegelfläche zu bilden; z. B. enthält
ein Material der Reflexionsschicht 418a oder 418b entweder
Silber- oder Aluminium-Dünnschichtbeschichtungen.
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Die 6A–6E sind
Querschnittsansichten, die einen Ablauf der Herstellung einer lichtempfindlichen
Elektrochromievorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Zunächst
bezugnehmend auf 6A wird durch Ausführung
des Schritts von 6A eine Dünnschicht
auf dem transparenten Substrat 600 gebildet. Dann wird
ein erster Laser-Ritz-Prozess durchgeführt, um die TCO-Dünnschicht
innerhalb der Bereiche P1 zu entfernen, um somit eine Vielzahl von
Anodenschichten 602 zu bilden.
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Bezugnehmend
auf 6A wird als nächstes ein Plasmagasphasenabscheidungsprozess
(PECVD) durchgeführt, um eine gleichmäßig
abgeschiedene Schicht auf dem transparenten Substrat 600 und
den Anodenschichten 602 zu implementieren, um somit die
Halbleiterdünnschicht 604 zu bilden, und dann
wird ein zweiter Laser-Ritz-Prozess durchgeführt, um einen
Teil der Halbleiterdünnschicht 604 zu entfernen,
der innerhalb der Bereiche P2 liegt, und die Halbleiterdünnschicht 604 wird
in eine Vielzahl von Halbleiterdünnschichten 604 unterteilt.
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Bezugnehmend
auf 6C wird eine physikalischer Abscheidungsprozess
aus der Gasphase auf die Anodenschichten 602 und den Halbleiterdünnschichten 604 durchgeführt,
um eine andere TCO-Dünnschicht und darauffolgend eine Metallschicht
abzuscheiden, gefolgt durch eine Ausführung eines dritten
Laser-Ritz-Prozesses, um die TCO-Dünnschicht und die Metallschicht
in den Bereichen P3 zu entfernen, um somit die Kathodenschichten 606 zu
bilden. Dementsprechend werden die Dünnschicht-Solarzellen 608 gebildet, die
jeweils aus der Anodenschicht 602, der Halbleiterdünnschicht 604 und
der Kathodenschicht 606 gebildet sind. Die Anodenschicht 602 jeder
Dünnschicht-Solarzelle 608 ist elektrisch mit
der Kathodenschicht 606 einer benachbarten Dünnschicht-Solarzelle 608 durch
den Bereich P2 verbunden. Wenn die Prozesse abgeschlossen sind,
sind die benachbarten Dünnschicht-Solarzellen 608 untereinander
durch die Metallschicht (d. h. der obere Teil der Kathodenschichten 606)
in Serie mit den TCO-Dünnschichten (d. h. die Anodenschichten 602) verbunden
bzw. geschaltet und der zuvor erwähnte Modulisationsprozess
bzw. Kapselungsprozess kann auf das transparente Substrat 600 (z.
B. Glas) angewendet werden.
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Zusätzlich
ist der Transmissionsgrad des Moduls durch Steuern eines Intervalls
zwischen den benachbarten Kathodenschichten 606 einstellbar,
was auf dem Prinzip basiert, dass die freiliegenden Bereiche der Anodenschichten 602 indirekt
proportional zur elektrischen Felddichte der Anoden sind, und je
höher die elektrische Felddichte ist, desto dunkler wird
der elektrochrome Beschattungsbereich. Anders gesagt ist die elektrische
Felddichte der Anoden in 6C geringer
als die elektrische Felddichte der Anoden in 4, da das Intervall
der benachbarten Kathodenschichten 606 in 6C größer
ist als das Intervall der benachbarten Kathodenschichten 414 in 4 wenn
andere Elemente unverändert bleiben, und dementsprechend
ist die elektrochrome Beschattung der Anoden in 4 dunkler
als die elektrochrome Beschattung in 6C. Außerdem vergrößert
sich der lichtdurchlässige Bereich entsprechend, wenn das
Intervall zwischen den benachbarten Kathodenschichten 606 vergrößert
wird.
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Nach
dem Schritt von 6C kann ein anderer Schritt,
der durch 6D veranschaulicht ist, optional durchgeführt
werden. In 6D wird jeweils eine Vielzahl
von Passivierungsschichten 610 auf den Seitenwänden
jeder Halbleiterdünnschicht 604 gebildet, um die
Halbleiter-Dünnschichten 604 davor zu schützen,
von z. B. bestimmten Elektrochromielösungen beeinflusst
zu werden, die auf den Halbleiter-Dünnschichten 604 korrosionsanfällig
sind.
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Weiter
bezugnehmend auf 6E wird der Modulisationsprozess
auf dem transparenten Substrat 600 abgeschlossen, wobei
das transparente nichtleitfähige Substrat 612,
die Elektrochromielösung 614 und die Struktur
von 6D miteinander kombiniert werden.
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7 ist
eine Draufsicht auf die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
von 6E, wobei nur das transparente Substrat 600 und
die Kathodenschichten 606 gebildet durch abgeschiedenes
Metall veranschaulicht sind. Ein leerer Bereich 700 in 7 stellt
die Anode der lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung dar.
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8A ist
eine Draufsicht auf eine lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung,
die aus einer durchsichtigen Variante des Dünnschicht-Solarzellenmoduls
gebildet ist. Wenn das Sonnenlicht auf die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
abstrahlt, erzeugen die Dünnschicht-Solarzellen (z. B. 608,
wie in 6E gezeigt ist) sofort Elektron-Loch-Paare,
so dass eine Redox-Reaktion an den Anoden und den Kathoden in der Elektrochromielösung 614 auftritt
(z. B. 614, wie in 6E gezeigt
ist) und verändert dessen Farbe. Da die Redox-Reaktion
unter Sonnenlichteinstrahlung andauert, breitet sich die sich verändernde
Farbe über die gesamte Elektrochromielösung aus
und der ursprünglich farblose Bereich 700 wird
farbig, wie in 8B gezeigt ist.
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Die
lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung der vorliegenden Erfindung
verwendet ein Dünnschicht-Solarzellenmodul, um elektrochrome
Beschattung durchzuführen, aber andere Arten von Dünnschicht-Solarzellenmodule,
z. B. ein CIGS-Dünnschicht-Solarzellenmodul oder ein CdTe-Dünnschicht-Soalrzellenmodul
können ebenfalls verwendet werden, um Elektrizität
zu erzeugen.
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Um
den Wirkungsgrad der vorliegenden Erfindung zu zeigen, werden im
Folgenden einige Experimente durchgeführt, wobei ein Siliziumdünnschicht-Solarzellenmodul
exemplarisch getestet wird.
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Erstes Experiment
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Ein
C-V-Scannen (cyclic voltammograms scanning) bzw. C-V-Hysteresescannen
wird mit einer Elektrochromielösung durchgeführt,
wobei die Zusammensetzung der Elektrochromielösung ein
Lösungsmittel aus PC enthält, ein anodisches organisches Elektrochromiematerial
aus TMPD mit kleinen Molekülen enthält, ein kathodisches
organisches Elektrochromiematerial aus HV mit kleinen Molekülen
enthält, ein Elektrolytsalz aus Lithiumperchlorat (LiCiO4) mit einer entsprechenden molaren Konzentration
von 0,1 M enthält, wobei die Scanrate bzw. Abtastrate 100
mV/s beträgt und das Scannen einen Bereich von 0 V bis
1,6 V abdeckt. Wie in 9 gezeigt ist, gibt es während
des Scannen einen ersten Oxidations-Peak bzw. eine erste Oxidationsspitze bei
0,8 V entsprechend dem Oxidationsfarb-Peak von TMPD; und es gibt
einen zweiten Oxidations-Peak entsprechend dem Oxidations-Peak von
HV. Im Reduktionsablauf entspricht der erste Reduktions-Peak (an
der höheren Spannung) dem Reduktions-Peak von HV und der
zweite Reduktions-Peak (an der niedrigeren Spannung von 0,4 V) entspricht
dem Reduktions-Peak von TMPD. Aus 9 weiß man,
dass das geringste Färbepotential bei ca. 0,6 V liegt und
wo ein signifikanter Färbeeffekt auftritt kann man die
Veränderung im Absorptionsspektrum des Elektrochromiematerials
während des Potentialscans im UV-Vis-Absorptionsspektrum
beobachtet werden, wie in 10 gezeigt
ist. In 10 ist gezeigt, dass die Elektrochromielösung,
wenn das Redox-Potential größer als 0,4 V ist,
von einem transparenten in einen gefärbten Zustand wechselt
und die Farbänderung wird signifikant, wenn das Potential
größer als 0,6 V ist. Zu den beiden charakteristischen
Absorptionspeaks, die in 10 gezeigt
sind, trägt sowohl TMPD als auch HV bei. Wenn das Potential
größer ist als 0,8 V ändert sich die
Farbabsorption mit dem Potential auf nicht-lineare Weise. Die zuvor
erwähnte Eigenschaft legt nahe, dass unter der Spannung
von 0,8 V ein besseres Betriebslevel ist. Bezüglich der
Stromantwortcharakteristik kann die Reaktionszeit, wenn das Potentialniveau
im Bereich von 0–0,6 V gesteuert wird, weniger als 1 Sekunde
betragen, wie durch 11 gezeigt ist.
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Zweites Experiment
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Eine
erste gleichförmige, einheitliche Schicht einer transparenten
leitfähigen Schicht wird auf ein korrekt gesäubertes
Glas abgeschieden, das die vordere Elektrode bildet, gefolgt von
einem ersten Laser-Ritz-Prozess, der durch die gesamte Schichtdicke
ritzt, wobei die Wellenlänge des Impulslasers 266 nm, 355
nm oder 1064 nm beträgt. Der erste Laser-Ritz- Prozess dient
der Entfernung der transparenten leitfähigen Schicht innerhalb
eines Bereichs, wie z. B. P1 in 6A. Wenn
die Laserabtragung abgeschlossen ist, wird das Glas in einen Reiniger
gegeben, um die verbliebenen Partikel aus dem Ritzbereich wegzuspülen,
um somit eine Anodenschicht zu erhalten. Die Breite zwischen den
benachbarten bestimmt die Leistungsabgabe des Dünnschicht-Solarzellenmoduls.
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Weiter
wird eine gleichförmige p- und n-artige Siliziumdünnschicht
durch einen PECVD-Prozess abgeschieden, mit einer Gesamtdicke von
ca. 2 bis 3 Mikrometer. Weiter wird ein zweiter Laser-Ritz-Prozess durchgeführt,
der zum Entfernen der abgeschiedenen Schicht auf der Anodenschicht
innerhalb eines Bereichs wie z. B. P2 in 6B dient.
Die Kurve, die geritzt werden soll, wird durch einen Impulslaser
mit einer Wellenlänge von 532 nm entfernt.
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Das
zuvor erwähnte abgeschiedene Glas wird in ein Vakuum-Sputtergerät
gegeben, um eine rückwärtige Elektrode zu sputtern
(z. B. Metallrückreflektorsilber), wobei die rückwärtige
Elektrode das Licht reflektiert, das von der Siliziumschicht streut,
wobei der Lichtabsorptionswirkungsgrad der Vorrichtung weiter erhöht
wird. Weiter wird ein dritter Laser-Ritz-Prozess mit einem Impulslaser
mit 532 nm durchgeführt, der zum Entfernen der abgeschiedenen
Schichten auf der Anodenschicht innerhalb eines Bereichs dient,
wie z. B. P3 in 6C. Dementsprechend erhält
man eine Kathodenschicht. Schließlich wird ein Reinigungsprozess
durchgeführt, um somit verbliebene Partikel innerhalb des
Ritzbereichs wegzuspülen und ein Siliziumdünnschicht-Solarzellenmodul
zu fertigen.
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Drittes Experiment
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Aufgrund
der Anforderungen der organischen Elektrochromielösung
eines niedrigen Redox-Potentials und einer geringen Ladungsdichte
wird die zuvor erwähnte Rückmetallelektrode weggelassen,
wenn die Leistungsabgabe der Siliziumdünnschicht-Solarzelle
ausreichend ist, um die elektrochrome Reaktion auszulösen, und
die Kathodenschicht kann allein durch TCO gebildet werden.
12 ist
eine IV-Kurve (Strom-Spannungs-Kennlinie) einer durchsichtigen Variante
einer lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung mit einer Fläche
von 0,5 cm × 0,5 cm. Das dritte Experiment zeigt an, dass
eine reduzierte Dicke der wesentlichen bzw. intrinsischen Schicht
aus a-Si (amorphes Silizium) zwar einen geringen Einfluss auf die
Spannung des Offen-Schaltkreises Voc hat, aber einen signifikanten
Einfluss auf die Stromdichte Jsc hat, wobei die Stromdichte Jsc
um ca. 30% verringert wird. Tabelle 1 beschreibt detailliert den
Einfluss der reduzierten Dicke einer intrinsischen Schicht aus A-Si
auf die elektrische Leistung der Siliziumdünnschicht-Solarzelle.
Da der Redox-Strom der angewandten kleinen organischen Moleküle
geringer ist als Jsc der durchsichtigen Variante der Siliziumdünnschicht-Solarzelle,
wird die durchsichtige Siliziumdünnschicht-Solarzelle bevorzugt,
um das organische Elektrochromiematerial mit kleinen Molekülen
zu betreiben, um die Transparenz der gesamten Vorrichtung zu erhöhen.
| Dicke
der intrinsischen Schicht | Voc
(V) | Jsc
(mA/cm2) | FF
(Füllfaktor) | Pmax
(W) | Wirkungsgrad % |
| 150
nm | 0,7898 | 7,44 | 53,4213 | 0,00078 | 3,1373 |
| 300
nm | 0,8373 | 9,2 | 69,0118 | 0,0013 | 5,3145 |
| 400
nm | 0,8317 | 10,13 | 65,82 | 0,0013 | 5,5456 |
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Viertes Experiment
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Ein
transparentes Glassubstrat mit einem Querschnitt von 7,5 cm × 7,5
cm wird bereitgestellt, und ein lösungsmittelbeständiger
Streifen haftet an dem Substrat an einem Rand davon, wobei der lösungsmittelbeständige
Streifen als Abstandhalter bzw. Distanzstück dient. Ein
anodisches Elektrochromiematerial TMPD mit einer molaren Konzentration
von 0,1 M gemäß dem molekularem Gewicht (mol.-Gewichtsprozent
[mol·wt]) wird in PC-Lösungsmittel gelöst.
Dann wird Lithiumperchlorat (LiCiO4) mit
einer molaren Konzentration von 0,1 M hinzugegeben und die Lösung
wird zu einer gut-gemischten, transparenten, farblosen Elektrochromielösung gemischt.
Die gewonnene Lösung wird auf das zuvor erwähnte
transparente Glassubstrat ausgebreitet und ein Siliziumdünnschicht- Solarzellenmodul überzieht
das transparente Glassubstrat. Auf Basis der vorherigen Ausführungen
wird die lichtempfindlichte Elektrochromievorrichtung konstruiert.
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Die
Spannung des Offen-Schaltkreises Voc des Siliziumdünnschicht-Solarzellenmoduls
einer Fläche von 38,4 cm2 beträgt
6,38 V, dessen Kurzschlussstrom Isc beträgt 62,73 mA, FF
beträgt 51,37%, Pmax beträgt 0,21 W und der Wirkungsgrad
beträgt 5,35%. Wenn das Sonnenlicht auf die lichtempfindliche
Elektrochromievorrichtung einstrahlt, startet die Elektrochromielösung
die Redox-Reaktion in einer Minute, direkt unter dessen Anode und
die Elektrochromielösung beginnt die Farbe zu ändern,
d. h. die Farbe wechselt von transparent und farblos zu einem hellen
Blau und dann zu einem dunklen Blau und breitet sich allmählich über
die gesamte Anodenfläche aus.
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Fünftes Experiment
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Ein
transparentes Glassubstrat mit einem Querschnitt von 7,5 cm × 7,5
cm wird bereitgestellt, und ein lösungsmittelbeständiger
Streifen haftet an dem Substrat an einem Rand davon, wobei der lösungsmittelbeständige
Streifen als Abstandhalter bzw. Distanzstück dient. Ein
anodisches Elektrochromiematerial TMPD mit einer molaren Konzentration
von 0,1 M und ein kathodisches Elektrochromiematerial HV mit einer
molaren Konzentration von 0,1 M werden jeweils in dem PC-Lösungsmittel
gelöst. Dann wird Lithiumperchlorat (LiCiO4) mit
einer molaren Konzentration von 0,1 M zur Lösung hinzugegeben
und die Lösung wird zu einer gut-gemischten, transparenten,
farblosen Elektrochromielösung gemischt. Die gewonnene
Lösung wird auf das zuvor erwähnte transparente
Glassubstrat ausgebreitet und ein Siliziumdünnschicht-Solarzellenmodul überzieht das
transparente Glassubstrat. Demzufolge wird die lichtempfindlichte
Elektrochromievorrichtung konstruiert.
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Im
Vergleich mit dem vierten Experiment wird das Intervall zwischen
den benachbarten Kathodenschichten im lichtübertragenden
Siliziumdünnschicht-Solarzellenmodul vergrößert
und die Anzahl der in Serie geschalteten Zellen wird verringert.
Im Ergebnis beträgt die Spannung des Offen-Schaltkreises
Voc des Siliziumdünnschicht-Solarzellenmoduls 5,37 V, und
dessen Kurzschlussstrom Isc beträgt 48,51 mA. Wenn das Sonnenlicht
auf die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung einstrahlt,
startet in einer Minute die Elektrochromielösung den Farbwechsel
direkt unter dessen Anode und Kathode und die Farbe wechselt von
transparent und farblos zu einem hellen Blau und dann zu einem dunklen
Blau und breitet sich allmählich über die gesamten
Anoden- und Kathodenflächen aus.
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Sechstes Experiment
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Ein
Banddraht wird an ein Siliziumdünnschicht-Solarzellenmodul
mit einer Spannung des Offen-Schaltkreises Voc von 6,38 V, einem
Kurzschlussstrom Isc von 62,73 mA und einer Pmax von 0,21 W gebunden.
Der Draht gibt die Leistung bzw. den Strom ab, die bzw. der durch
das Solarzellenmodul erzeugt wird.
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Ein
transparentes Glassubstrat mit einem Querschnitt von 7,5 cm × 7,5
cm wird bereitgestellt, und ein lösungsmittelbeständiger
Streifen haftet entlang des Randes des Substrats, wobei der lösungsmittelbeständige
Streifen als Abstandhalter bzw. Distanzstück dient. Ein
anodisches Elektrochromiematerial TMPD mit einer molaren Konzentration
von 0,1 M gemäß dem mol.-Gewichtsprozent [mol·wt]
wird in PC-Lösungsmittel gelöst. Dann wird Lithiumperchlorat
(LiCiO4) mit einer molaren Konzentration
von 0,1 M hinzugegeben und die Lösung wird zu einer gut-gemischten,
transparenten, farblosen Elektrochromielösung gemischt.
Die gewonnene Lösung wird auf das zuvor erwähnte
transparente Glassubstrat ausgebreitet und ein Siliziumdünnschicht-Solarzellenmodul überzieht
das transparente Glassubstrat. Dadurch wird die lichtempfindlichte
Elektrochromievorrichtung konstruiert.
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Wenn
das Sonnenlicht auf die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung
einstrahlt, startet die Elektrochromielösung die Redox-Reaktion
in einer Minute, direkt unter der Anode des Moduls und die Elektrochromielösung
beginnt die Farbe zu ändern, d. h. die Farbe wechselt von
transparent und farblos zu einem hellen Blau und dann zu einem dunklen
Blau. Wenn das positive Ende und das negative Ende des Banddrahtes
verbunden werden, beginnt das Elektrochromiematerial zu verblassen
und erlangt schließlich die originale transparente Farbe zurück.
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Das
beobachtete Phänomen des zuvor erwähnten Experiments
kann wie folgt erklärt werden. Da die Impedanz von Metall
geringer ist als die Impedanz einer Elektrochromielösung,
wenn das positive Ende und das negative Ende des Banddrahtes nicht
verbunden sind, werden Elektron-Loch-Paare durch das Siliziumdünnschicht-Solarzellenmodul
erzeugt, nachdem Lichteinfall es einem Elektrochromie-Elementsystems
direkt ermöglicht, dessen Farbe zu ändern; allerdings,
wenn das positive Ende und das negative Ende des Banddrahtes verbunden
werden, wird der gesamte Strom, der durch das Siliziumdünnschicht-Solarzellenmodul
erzeugt wurde, als Gleichstromelektrik ausgegeben, wie in 13 gezeigt
ist.
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Um
die Leistungs- bzw. Stromabgabe der lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung
der vorliegenden Erfindung zu steuern, sind folgende Schalt-Designs
bzw. Schaltarten einsetzbar.
- 1. Der Strom,
der durch ein Dünnschicht-Solarzellenmodul erzeugt wird,
wird in Wechselstrom umgewandelt, indem man einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler 1400 verwendet,
und der gewandelte Strom kann als Wechselstrom-Energieversorgung 1402 dienen,
um Elektrizität bereitzustellen, wie in 14 gezeigt
ist.
- 2. Der Strom, der durch ein Dünnschicht-Solarzellenmodul
erzeugt wird, wird in eine Gleichstrom-Ladungsspeichervorrichtung 1500 verbunden
(Nachstehend kann die Vorrichtung 1500 als Ladungsspeichervorrichtung
dienen, um Gleichstromelektrik bereitzustellen), wie in 15 gezeigt
ist.
- 3. Ein Dünnschichttransistor (TFT) 1600 ist
mit dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss eines Dünnschicht-Solarzellenmoduls
verbunden, wobei der TFT 1600 als Schalter dient, um einzig
die Verbindung zwischen dem Dünnschicht-Solarzellenmodul
und der externen Schaltung ein/auszuschalten. Auf diese Weise wird
die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung zu einer aktiven
Vorrichtung, wie in 16 gezeigt ist. Zusätzlich
ist die Anzahl der TFT nicht auf einen beschränkt. Falls
gewünscht, können es mehrere TFT sein.
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Zusammenfassend
verwendet die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung der vorliegenden
Erfindung ein in Serie geschaltetes Dünnschicht-Solarzellenmodul,
wobei die Anodenschicht und die Kathodenschicht des Moduls jeweils
als Anode und Kathode der lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung
dienen. Da die Struktur der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
kompatibel mit derzeitigen Fertigungsprozessen von Dünnschicht-Solarzellenmodulen
ist, ist die vorliegende Erfindung für die Massenproduktion
geeignet. Insbesondere da die Anodenschichten innerhalb des Dünnschicht-Solarzellenmoduls
in Serie geschaltet sind, gibt es keinen Bedarf zusätzlich
Extra-Schaltkreisdrähte bzw. eine Zusatzschaltverdrahtung
in der lichtempfindlichen Elektrochromievorrichtung anzuordnen,
was zur Verringerung der Fertigungskosten und der Fertigungszeit
beiträgt.
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Im
Unterschied zum Stand der Technik, in dem die Leistung bzw. der
Strom der herkömmlichen Vorrichtungen durch die Umgebung
der Elektrode bereitgestellt wird, sind in der lichtempfindlichen
Elektrochromievorrichtung der vorliegenden Erfindung die benötigten
Elektroden gleichmäßig auf dem gesamten Dünnschicht-Solarzellenmodul
verteilt, so dass das elektrische Feld, das in der erfundenen Vorrichtung
erzeugt wird, einheitlich ist. Der Farbwechsel der Elektrochromielösung
in verschiedenen Bereichen weist die gleiche Einheitlichkeit auf
und das herkömmliche Iris-Effekt-Problem wird vermieden.
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Es
ist Fachleuten klar, dass verschiedene Modifikationen und Variationen
an der Struktur der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können
ohne vom Schutzbereich oder dem Wesen der Erfindung abzuweichen.
Hinsichtlich der vorhergehenden Ausführungen ist es beabsichtigt,
dass die vorliegende Erfindung Modifikationen und Variationen dieser
Erfindung abdeckt, falls sie in den Schutzbereich der folgenden
Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6369934
B1 [0006]
- - US 5377037 [0007]
- - US 5805330 [0008]
- - US 6005089 [0009]