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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.
US 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 5,377,037 A 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 5,805,330 A 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 6,005,089 A 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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US 2007/0115399 A1 offenbart ein Design, das eine Anzeigeeinheit mit einer integrierten Fotovoltaikzelle kombiniert. Die Anzeige kann eine elektrophoretische Anzeige oder eine Elektrochromanzeige enthalten. Die Fotovoltaikzelle und die Anzeige sind elektrisch verbunden. Wenn Licht auf die Fotovoltaikzelle trifft, wird elektrischer Strom erzeugt, der über die verbundene Zelle zur Anzeige der Anzeigevorrichtung übertragen wird.
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US 5,384,653 A stellt einen variablen Transmissionsgrad zweier Glaspanele bereit, die voneinander getrennt sind, wobei ein Elektrochromschichtstapel an der Innenseite des ersten Glaspanels in Verbindung mit einem Feld von Fotovoltaikzellen angeordnet ist, die entlang einem Rand des Glaspanels platziert sind, um elektrische Energie zu erzeugen, die nötig ist, um die Farbe des Elektrochromschichtstapels zu verändern. Eine Batterie ist parallel zum Feld aus Fotovoltaikzellen geschaltet, um es dem Benutzer zu ermöglichen, das System manuell in einen gewünschten Transmissionsgrad zu versetzen.
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Obwohl die Elektrochromtechnologie 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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Das Problem im Stand der Technik ist demzufolge die Bereitstellung einer lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung, in der ein Dünnschicht-Solarzellenmodul als ein Element der Vorrichtung dient, das Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt, um eine Farbänderung auszuführen, wobei die lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung den Iris-Effekt bewältigt und für eine Massenproduktion geeignet ist.
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Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst in der eine lichtempfindliche Elektrochromievorrichtung bereitgestellt wird, 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 lichtempfindlichen 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 Ausführungform z. B. ein Dünnschicht-Solarmodul aus Silizium, ein Dünnschicht-Solarmodul aus CIGS (kupfer-Indium-brullium-Selenid) 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 korosionsanfällig 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 Scannens 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 Oxidation-Peak von HV. Im Reduktionsablauf entspricht der erste Reduktion-Peak (an der höheren Spannung) dem Reduktions-Peak von HV und der zweite Reduktion-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 durchgerührt, 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.
