DE102010056338B4 - Arrangement with at least one dye solar cell - Google Patents

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Abstract

Anordnung mit mindestens einer Farbstoffsolarzelle, bei der mindestens eine Elektrode (3 oder 5) auf einer Oberfläche eines für elektromagnetische Strahlung transparenten ersten Substrats (1) und mindestens eine weitere Elektrode (3 oder 5) auf einer der mit der mindestens einen Elektrode (3 oder 5) versehenen Oberfläche des ersten Substrats (1) gegenüberliegenden Oberfläche eines zweiten Substrats (6) in einem Abstand zueinander angeordnet sind und zwischen dem ersten Substrat (1) und dem zweiten Substrat (6) ein einen Elektrolyten aufnehmender Hohlraum (15) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (6) ein keramischer Mehrschichtaufbau aus einer LTCC- oder einer HTCC-Keramik ist, an dem mindestens eine elektrische leitende Verbindung von mindestens einer der Elektroden (3, 5) mittels elektrischer Durchkontaktierungen (7) durch mindestens eine Schicht (6.1) des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats (6) und/oder mindestens eine metallische Leiterbahn (8), die zwischen zwei Schichten (6.1, 6.2) des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats (6) ausgebildet ist, nach außen geführt ist, und ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator (18) mit einem weiteren Hohlraum (16) für die Aufnahme eines Elektrolyten im keramischen Mehrschichtaufbau des zweiten Substrats (6) ausgebildet ist, an dem an zwei sich gegenüberliegend angeordneten Oberflächen zwei Elektroden (12) ausgebildet und mittels mindestens einer elektrischen Durchkontaktierung (7, 13) und/oder einer elektrischen Leiterbahn (8) mit jeweils mindestens einer Elektrode (3 oder 5) elektrisch leitend verbunden sind und einzelne Schichten (6.1–6.6) des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats (6) für die Ausbildung elektrischer Durchkontaktierungen (7), des Hohlraums (15) und des weiteren Hohlraums (16) mittels darin ausgebildeter Durchbrechungen strukturiert sind, und in die elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einer Elektrode (5) einer Farbstoffzolarzelle und eine der Elektroden (12) des Kondensators (18) mindestens eine Diode (19) geschaltet ist, um eine Entladung des Doppelschichtkondensators (18) über die Farbstoffsolarzelle zu vermeiden.Arrangement with at least one dye solar cell, in which at least one electrode (3 or 5) on a surface of a first substrate (1) transparent to electromagnetic radiation and at least one further electrode (3 or 5) on one of the at least one electrode (3 or 5) provided surface of the first substrate (1) opposite surface of a second substrate (6) are arranged at a distance from one another and an electrolyte-receiving cavity (15) is formed between the first substrate (1) and the second substrate (6), characterized in that the second substrate (6) is a ceramic multilayer structure made of an LTCC or an HTCC ceramic, on which at least one electrically conductive connection of at least one of the electrodes (3, 5) by means of electrical vias (7) through at least one Layer (6.1) of the ceramic multilayer structure of the second substrate (6) and / or at least one metallic conductorb ahn (8), which is formed between two layers (6.1, 6.2) of the ceramic multilayer structure of the second substrate (6), is led to the outside, and an electrochemical double-layer capacitor (18) with a further cavity (16) for receiving an electrolyte is formed in the ceramic multilayer structure of the second substrate (6), on which two electrodes (12) are formed on two oppositely arranged surfaces and by means of at least one electrical through-hole (7, 13) and / or an electrical conductor track (8) each with at least one Electrode (3 or 5) are electrically connected and individual layers (6.1-6.6) of the ceramic multilayer structure of the second substrate (6) for the formation of electrical vias (7), the cavity (15) and the further cavity (16) by means of therein formed openings are structured, and in the electrically conductive connection between at least one electrode (5) of a color fabric solar cell and one of the electrodes (12) of the capacitor (18) at least one diode (19) is connected in order to avoid a discharge of the double layer capacitor (18) via the dye solar cell.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mindestens einer Farbstoffsolarzelle. Dabei ist aber eine Anordnung mit mehreren elektrisch leitend verbundenen Farbstoffsolarzellen bevorzugt und ein zusätzlich an Farbstoffsolarzellen angeschlossenes Energiespeicherelement besonders bevorzugt, Gegenstand der Erfindung.The invention relates to an arrangement with at least one dye solar cell. In this case, however, an arrangement with a plurality of electrically conductive dye-sensitized solar cells is preferred, and in addition to an energy storage element connected to dye solar cells particularly preferred object of the invention.

Farbstoffsolarzellen, die auch als Grätzel-Zelle bezeichnet werden, sind elektrochemische Elemente mit denen die Energie elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie gewandelt werden kann. Hierfür werden geeignete Elektrodenmaterialien in Verbindung mit einem Elektrolyten eingesetzt. Der Wirkungsgrad kann dabei ca. 11% erreichen. Problematisch dabei ist die elektrische Verschaltung mehrerer solcher Farbstoffsolarzellen, beispielsweise in einer elektrischen Reihenschaltung, um eine erhöhte elektrische Spannung erreichen zu können.Dye solar cells, also referred to as Grätzel cells, are electrochemical elements with which the energy of electromagnetic radiation can be converted into electrical energy. For this purpose, suitable electrode materials are used in conjunction with an electrolyte. The efficiency can reach about 11%. The problem here is the electrical connection of several such dye solar cells, for example, in an electrical series circuit in order to achieve an increased electrical voltage can.

Ein weiteres Problem bei dieser Form von Solarzellen sind die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Elektrodenwerkstoffe, der Substratwerkstoffe, elektrisch leitender Stoffe, die für die elektrische Kontaktierung eingesetzt werden und auch des Elektrolyten. Dabei sollten die Farbstoffsolarzellen dauerhaft fluiddicht abgeschlossen werden können.Another problem with this form of solar cell are the different thermal expansion coefficients of the electrode materials, the substrate materials, electrically conductive substances that are used for the electrical contacting and also of the electrolyte. The dye solar cells should be permanently sealed fluid-tight.

Außerdem muss auch die chemische Aggressivität der üblicherweise eingesetzten Elektrolyten für die anderen bei Farbstoffsolarzellen eingesetzten Werkstoffe berücksichtigt werden.In addition, the chemical aggressiveness of the commonly used electrolytes for the other materials used in dye solar cells must be considered.

Da diese Solarzellen, wie auch andere Solarzellen, lediglich für eine Energieumwandlung geeignet sind, wird es häufig und insbesondere für mobile oder miniaturisierte Anwendungen gewünscht, die nach der Umwandlung erhaltene elektrische Energie zu speichern.Since these solar cells, like other solar cells, are only suitable for energy conversion, it is often desired, and in particular for mobile or miniaturized applications, to store the electrical energy obtained after the conversion.

Dadurch können verschiedene Anwendungen verbessert bzw. ermöglicht werden. So können Farbstoffsolarzellen in Verbindung mit gedruckten Schaltkreisen, beispielsweise für die Herstellung von Ladegeräten, in Verbindung mit Halbleiterschaltkreisen oder -elementen, Aktoren, Detektoren oder auch bei Silicium basierten Schaltungen eingesetzt werden.As a result, various applications can be improved or made possible. Thus, dye-sensitized solar cells can be used in conjunction with printed circuits, for example for the production of chargers, in connection with semiconductor circuits or elements, actuators, detectors or even silicon-based circuits.

Größere Solarmodule können auch für dekorative Zwecke, beispielsweise an Gebäudefassaden, zur Eigenenergiebedarfsdeckung eingesetzt werden.Larger solar modules can also be used for decorative purposes, for example on building facades, for self-energy demand coverage.

Neben herkömmlichen Akkumulatoren können auch Kondensatoren für die Elektroenergiespeicherung eingesetzt werden. So ist es aus WO 2005/114686 A1 bekannt, Farbstoffsolarzellen in Verbindung mit elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren (Supercaps) einzusetzen. Dabei soll als Substrat ein Element, beispielsweise eine Folie oder Platte aus Titan, eingesetzt werden, mit dem die Farbstoffsolarzelle und der Doppelschichtkondensator elektrisch leitend miteinander verbunden werden können und das gleichzeitig Träger für die Zelle und den Kondensator ist. Dies stellt zwar eine kompakte Lösung dar, die jedoch nicht alle Anforderungen erfüllen kann. Besonders problematisch sind dabei eine elektrische Verschaltung mehrerer Farbstoffsolarzellen, die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die nicht ausreichende chemische Beständigkeit aller Materialien und Werkstoffe gegenüber den chemisch aggressiven Elektrolyten. Außerdem muss die geringe thermische Beständigkeit der geeigneten Elektrolyten während des gesamten Herstellungs- und Montageprozesses berücksichtigt werden. Elektrisch leitende Verbindungen zu Verbrauchern von Elektroenergie können mit dieser Technik in integrierter Form nicht zur Verfügung gestellt werden. Außerdem ist das erreichbare elektrische Spannungsniveau auf die elektrische Leelaufspannung der Farbstoffsolarzelle begrenzt und eine intergierte Reihenschaltung ist dabei nicht möglich.In addition to conventional batteries also capacitors for the storage of electric energy can be used. That's the way it is WO 2005/114686 A1 known to use dye solar cells in conjunction with electrochemical double-layer capacitors (supercaps). In this case, should be used as a substrate, an element, such as a foil or plate made of titanium, with which the dye solar cell and the double-layer capacitor can be electrically connected to each other and at the same time carrier for the cell and the capacitor. Although this is a compact solution that can not meet all requirements. Particularly problematic in this case are an electrical interconnection of several dye solar cells, the different thermal expansion coefficients and the insufficient chemical resistance of all materials and materials compared to the chemically aggressive electrolytes. In addition, the low thermal stability of the appropriate electrolytes must be taken into account throughout the manufacturing and assembly process. Electrically conductive connections to consumers of electrical energy can not be provided with this technology in an integrated form. In addition, the achievable electrical voltage level is limited to the electrical Leelaufspannung the dye solar cell and an intergated series connection is not possible.

Aus US 7,649,140 ist ein keramischer Mehrschichtaufbau für ein zweites Substrat für einen Aufbau zweier Solarzellen beschrieben.Out US 7,649,140 a ceramic multilayer structure for a second substrate for a structure of two solar cells is described.

Aus JP 2006-309990 ist ein Aufbau mit einem Zwischensubstrat und einem Kondensatorträger aus Keramik bekannt, die miteinander laminiert werden können.Out JP 2006-309990 For example, a structure comprising an intermediate substrate and a ceramic capacitor carrier is known which can be laminated together.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für einen dauerhaften sicheren Betrieb von Farbstoffsolarzellen anzugeben, mit denen auch eine elektrische Verschaltung mehrerer Farbstoffsolarzellen miteinander über einen längeren Zeitraum zuverlässig erreichbar ist und sich Möglichkeiten für den kompakten Anschluss für ein Elektroenergiespeicherelement ergeben.It is therefore an object of the invention to provide options for a permanent safe operation of dye solar cells, with which an electrical interconnection of a plurality of dye solar cells can be reliably achieved with each other over a longer period of time and opportunities arise for the compact connection for an electric energy storage element.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen realisiert werden.According to the invention this object is achieved with an arrangement having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with technical features described in the subordinate claims.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist mindestens eine Farbstoffsolarzelle vorhanden. Dabei sind mindestens eine Elektrode auf einer Oberfläche eines für elektromagnetische Strahlung transparenten ersten Substrats (bevorzugt ein Glas) und mindestens eine weitere Elektrode auf einer der mit der mindestens einen Elektrode versehenen Oberfläche des ersten Substrats gegenüberliegenden Oberfläche eines zweiten Substrats in einem Abstand zueinander angeordnet. Zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat ist ein einen Elektrolyten aufnehmender Hohlraum ausgebildet. Das zweite Substrat ist dabei mit einem keramischen Mehrschichtaufbau gebildet, an dem mindestens eine elektrische leitende Verbindung von mindestens einer der Elektroden mittels elektrischer Durchkontaktierungen (VIA's) durch mindestens eine Schicht des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats und/oder mindestens eine metallische Leiterbahn, die zwischen zwei Schichten des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats ausgebildet ist, nach außen geführt.In the arrangement according to the invention, at least one dye solar cell is present. In this case, at least one electrode on a surface of a first substrate transparent to electromagnetic radiation (preferably a glass) and at least one further electrode on a surface of the second substrate opposite to the surface of the first substrate are at a distance arranged to each other. Between the first substrate and the second substrate, an electrolyte-accommodating cavity is formed. The second substrate is formed with a ceramic multilayer structure, on which at least one electrically conductive connection of at least one of the electrodes by means of electrical vias (VIA's) by at least one layer of the ceramic multilayer structure of the second substrate and / or at least one metallic interconnect between two Layers of the ceramic multilayer structure of the second substrate is formed, led to the outside.

Für die Elektroden, das erste Substrat und den Elektrolyten können alle für den Aufbau und den Betrieb von Farbstoffsolarzellen geeigneten Werkstoffe eingesetzt werden. Für den keramischen Mehrschichtaufbau des zweiten Substrats werden mehrere Lagen/Schichten eines keramischen Werkstoffs aus einer LTCC- oder einer HTCC-Keramik eingesetzt werden. Einzelne Lagen/Schichten können dabei strukturiert sein, um so bestimmte Elemente an einer erfindungsgemäßen Anordnung auszubilden. Die Strukturierung kann mit Aussparungen/Vertiefungen, Durchbrechungen oder eine Beschichtung durchgeführt werden. So können beispielsweise mit Durchbrechungen elektrische Durchkontaktierungen (VIA's) erhalten werden, die nachträglich mit einem elektrisch leitenden Stoff, beispielsweise einer Silberpaste ausgefüllt werden. Mit Durchbrechungen können aber auch Hohlräume in einer oder mehreren Lagen/Schichten des keramischen Mehrschichtaufbaus ausgebildet werden, die dann mit Elektrolyt befüllt werden können. Mit solchen Durchbrechungen können aber auch hohle Kanäle ausgebildet werden, über die eine Befüllung eines Hohlraums mit Elektrolyt möglich ist. Dabei können an einem Hohlraum zwei solcher Kanäle vorhanden sein, die ein erleichtertes Befüllen ermöglichen. Die Befüllung kann als letzter bzw. vorletzter Verfahrensschritt bei der Herstellung sein, wodurch eine Beeinträchtigung des Elektrolyten durch erhöhte Temperaturen vermieden werden kann. Nach der Befüllung können Kanäle verschlossen werden.For the electrodes, the first substrate and the electrolyte, all suitable materials for the construction and operation of dye solar cells can be used. For the ceramic multilayer structure of the second substrate, a plurality of layers / layers of a ceramic material made of an LTCC or a HTCC ceramic will be used. Individual layers / layers can be structured so as to form certain elements on an arrangement according to the invention. The structuring can be carried out with recesses / depressions, apertures or a coating. Thus, for example, through openings electrical vias (VIA's) can be obtained, which are subsequently filled with an electrically conductive material, such as a silver paste. With openings but also cavities in one or more layers / layers of the ceramic multilayer structure can be formed, which can then be filled with electrolyte. With such openings but also hollow channels can be formed, via which a filling of a cavity with electrolyte is possible. In this case, two such channels may be present on a cavity, which allow easier filling. The filling can be as the last or penultimate process step in the production, whereby an impairment of the electrolyte can be avoided by elevated temperatures. After filling channels can be closed.

Zur Realisierung einer elektrischen Reihenschaltung mehrerer Farbstoffsolarzellen an einer erfindungsgemäßen Anordnung können am ersten Substrat und am zweiten Substrat jeweils mehrere Elektroden alternierend in versetzter sich diametral gegenüberliegender Anordnung vorhanden sein. Dabei sollten nebeneinander an den Substraten angeordnete Elektroden, also eine Anode und eine Kathode elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Bei jeweils zwei nebeneinander am ersten Substrat angeordneten Elektroden sollten diese mit einer für elektromagnetische Strahlung transparenten, elektrisch leitenden Schicht elektrisch leitend verbunden sein. Dies kann beispielsweise durch einen entsprechend strukturierten schichtartigen Auftrag auf der Oberfläche des ersten Substrats erreicht werden. Es kann sich dabei um mehrere in einem Abstand zu einander angeordnete Einzelschichten, die aus einem transparenten elektrisch leitenden Oxid (TOC) gebildet sein können, handeln. Sie können so positioniert sein, dass eine Zuordnung zur Anordnung eines Elektrodenpaars (Anode-Kathode) berücksichtigt und damit deren elektrisch leitende Verbindung erreicht ist. Dadurch können jeweils zwei solcher unterschiedlichen Elektroden miteinander verbunden sein. Diesen in versetzter Anordnung gegenüberliegende Elektroden können dann jeweils mittels einer oder auch mehreren elektrischen Durchkontaktierungen als elektrisch leitende Verbindungen zu einem nach außen geführten Anschlusskontakt oder ggf. zu einer weiteren Elektrode eines Kondensators geführt sein. Für die elektrisch leitende Verbindung können aber auch elektrische Leiterbahnen, die auf einer Schicht/Lage des keramischen Mehrschichtaufbaus ausgebildet sind, genutzt werden. Diese elektrischen Leiterbahnen sind bevorzugt zwischen zwei Lagen/Schichten eingefasst und sie können als Metallisierung, die mit verschiedenen bekannten Verfahren ausgebildet werden können, ausgebildet sein. Elektrische Leiterbahnen ermöglichen so eine elektrisch leitende Verbindung in eine andere Achsrichtung, bevorzugt senkrecht zur mit elektrischen Durchkontaktierungen erreichbaren Richtung einer elektrisch leitenden Verbindung.In order to realize an electrical series connection of a plurality of dye-sensitized solar cells to an arrangement according to the invention, a plurality of electrodes may alternately be present in staggered, diametrically opposite arrangement on the first substrate and on the second substrate. In this case, electrodes arranged side by side on the substrates, that is to say an anode and a cathode, should be electrically conductively connected to one another. In the case of two electrodes arranged side by side on the first substrate, they should be electrically conductively connected to an electrically conductive layer that is transparent to electromagnetic radiation. This can be achieved for example by a correspondingly structured layer-like application on the surface of the first substrate. It may be a plurality of spaced apart individual layers, which may be formed of a transparent electrically conductive oxide (TOC) act. They can be positioned so that an assignment to the arrangement of a pair of electrodes (anode-cathode) is taken into account and thus their electrically conductive connection is achieved. As a result, in each case two such different electrodes can be connected to one another. These opposing electrodes in a staggered arrangement can then be guided in each case by means of one or more electrical feedthroughs as electrically conductive connections to a connection contact led to the outside or possibly to a further electrode of a capacitor. For the electrically conductive connection but also electrical conductor tracks, which are formed on a layer / layer of the ceramic multilayer structure, can be used. These electrical conductor tracks are preferably enclosed between two layers / layers and can be formed as metallization, which can be formed using various known methods. Electrical interconnects thus allow an electrically conductive connection in another axial direction, preferably perpendicular to the achievable with electrical feedthroughs direction of an electrically conductive connection.

Für eine Energiespeicherung kann, wie bereits angedeutet, am/im keramischen Mehrschichtaufbau des zweiten Substrats mindestens ein elektrischer Kondensator oder ein sekundär Elektroenergiespeicherelement vorhanden oder ausgebildet sein, der/das über elektrische Durchkontaktierungen und/oder mit mindestens einer zwischen Schichten des keramischen Mehrschichtaufbaus ausgebildeten elektrischen Leiterbahn mit mindestens einer Elektrode elektrisch leitend verbunden ist. Dabei kann es sich um einen herkömmlichen Plattenkondensator handeln, dessen Elektroden von einem dazwischen angeordneten Dielektrikum voneinander getrennt sind.For energy storage, as already indicated, on / in the ceramic multilayer structure of the second substrate, at least one electrical capacitor or a secondary electric energy storage element may be present or formed, via electrical vias and / or with at least one electrical interconnect formed between layers of the ceramic multilayer structure is electrically connected to at least one electrode. This may be a conventional plate capacitor whose electrodes are separated from each other by a dielectric disposed therebetween.

Als sekundäres Elektroenergiespeicherelement können geeignete elektrische Akkumulatoren eingesetzt werden. Bevorzugt sind hierfür Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Dabei können die elektrischen Anschlüsse oder die elektrische Schaltung analog zu einem Kondensator gewählt werden, wie dies nachfolgend noch näher beschrieben wird.As a secondary electric energy storage element suitable electric storage batteries can be used. Lithium ion accumulators are preferred for this purpose. In this case, the electrical connections or the electrical circuit can be selected analogous to a capacitor, as will be described in more detail below.

Es wird ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator eingesetzt, da dieser bessere Lade- und Entladeeigenschaften sowie ein erhöhtes Energiespeichervermögen aufweist.An electrochemical double-layer capacitor is used, since it has better charging and discharging properties and increased energy storage capacity.

Dabei ist ein weiterer Hohlraum für die Aufnahme eines Elektrolyten, des Doppelschichtkondensators, im (innerhalb) des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats ausgebildet, an dem an zwei sich gegenüberliegend angeordneten Oberflächen zwei Elektroden ausgebildet und diese mittels mindestens einer elektrischen Durchkontaktierung und/oder einer elektrischen Leiterbahn mit jeweils mindestens einer Elektrode elektrisch leitend verbunden sind. Als Elektrolyt kann Acetonitril mit TaTBF-Tetraethylammoniumfluoroborat oder auch Propylencarbonat mit LiClO4 für den Doppelschichtkondensator aber auch die Farbstoffsolarzellen eingesetzt werden. In this case, a further cavity for receiving an electrolyte, the double-layer capacitor, is formed in (inside) the ceramic multilayer structure of the second substrate, on which electrodes are formed on two oppositely arranged surfaces and these by means of at least one electrical feedthrough and / or an electrical conductor track each having at least one electrode are electrically connected. As the electrolyte acetonitrile can be used with TaTBF tetraethylammonium fluoroborate or propylene carbonate with LiClO 4 for the double-layer capacitor but also the dye solar cells.

Die Elektroden eines Doppelschichtkondensators können aus reinem Kohlenstoff, RuO2 oder Ni gebildet sein. Bei Nickelelektroden können diese an der Oberfläche zusätzlich Kohlenstoff aufweisen. Wie dies erreicht werden kann und welche Vorteile damit verbunden sind, soll nachfolgend bei der Beschreibung von Beispielen erläutert werden.The electrodes of a double-layer capacitor may be formed of pure carbon, RuO 2 or Ni. For nickel electrodes, these may additionally have carbon on the surface. How this can be achieved and the advantages associated therewith will be explained below in the description of examples.

Ein solcher Hohlraum kann mit einer entsprechend dimensionierten und geometrisch gestalteten Durchbrechung in mindestens einer Lage/Schicht des keramischen Mehrschichtaufbaus gebildet sein. Die eine oder mehrere miteinander verbundenen Schicht(en)/Lage(n) sollten eine Dicke aufweisen, mit der ein geeigneter Abstand der Elektroden des Doppelschichtkondensators eingehalten werden kann.Such a cavity may be formed with a suitably dimensioned and geometrically shaped aperture in at least one layer / layer of the ceramic multilayer structure. The one or more interconnected layer (s) / layer (s) should have a thickness with which a suitable spacing of the electrodes of the double-layer capacitor can be maintained.

Bei Einsatz eines elektrochemischen Doppelschichtkondensators kann zwischen dessen beiden Elektroden im zweiten Hohlraum ein Separatorelement angeordnet sein.When using an electrochemical double-layer capacitor may be arranged between the two electrodes in the second cavity a separator.

In die elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einer Elektrode einer Farbstoffsolarzelle und eine der Elektroden des Kondensators ist mindestens eine Diode geschaltet. Vorteilhaft kann in die elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einer Elektrode, der Farbstoffsolarzellen, zu einem nach außen geführten Anschlusskontakt mindestens eine Diode geschaltet sein. Dadurch kann eine geeignete elektrische Spannung (bevorzugt mindestens 1,2 V und maximal 2,7 V für die Kondensatorladung) mit einem geeigneten elektrischen Strom (bevorzugt mindestens 10 μA) dem Kondensator zugeführt werden. Mit einer solchen elektrischen Verschaltung kann eine Entladung des Kondensators über die Farbstoffsolarzelle(n) vermieden werden. Dadurch kann auch eine Abstimmung der Leistung der Farbstoffsolarzelle(n) mit der Speicherkapazität des Kondensators oder einer angeschlossenen elektronischen Schaltung (Verbraucher), die mit Elektroenergie versorgt werden soll, erreicht werden.At least one diode is connected in the electrically conductive connection between at least one electrode of a dye-sensitized solar cell and one of the electrodes of the capacitor. Advantageously, at least one diode can be connected in the electrically conductive connection between at least one electrode, the dye-sensitized solar cells, to a connection contact led to the outside. As a result, a suitable electrical voltage (preferably at least 1.2 V and a maximum of 2.7 V for the capacitor charge) can be supplied to the capacitor with a suitable electric current (preferably at least 10 μA). With such an electrical connection, a discharge of the capacitor via the dye solar cell (s) can be avoided. This can also be a vote of the performance of the dye solar cell (s) with the storage capacity of the capacitor or a connected electronic circuit (consumer) to be supplied with electrical energy can be achieved.

Zusätzlich oder allein zu mindestens einer zwischen geschalteten Diode, kann in die elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einer Elektrode zu einem nach außen geführten Anschlusskontakt und einer der Elektroden des Kondensators ein elektrisches Widerstandselement geschaltet sein. Dadurch kann ein hoher elektrischer Stromfluss vom Kondensator zu einem Verbraucher vermieden werden, wenn keine ausreichende Menge an elektromagnetischer Strahlung zur Energieumwandlung auf die erfindungsgemäße Anordnung auftrifft. Mit diesem elektrischen Widerstand kann auch der elektrische Ladestrom für den Kondensator begrenzt werden. Alternativ dazu besteht aber auch die Möglichkeit diese elektrisch leitende Verbindung so auszubilden, dass sie einen elektrischen Widerstand aufweist, der dem elektrischen Widerstand des elektrischen Widerstandselements entspricht. Bei einer Anordnung mit vier elektrisch in Reihe geschalteten Farbstoffsolarzellen sollte dieser elektrische Widerstand im Bereich 5 bis 10 kΩ liegen.In addition or alone to at least one diode connected between, an electrically resistive element can be connected in the electrically conductive connection between at least one electrode to an outwardly-directed terminal contact and one of the electrodes of the capacitor. As a result, a high electrical current flow from the capacitor to a load can be avoided if no sufficient amount of electromagnetic radiation impinges on the arrangement according to the invention for energy conversion. With this electrical resistance and the electric charging current for the capacitor can be limited. Alternatively, however, it is also possible to form this electrically conductive connection in such a way that it has an electrical resistance which corresponds to the electrical resistance of the electrical resistance element. In an arrangement with four dye-sensitized solar cells connected in series, this electrical resistance should be in the range 5 to 10 kΩ.

Bei einer entsprechend ausgebildeten elektrisch leitenden Verbindung zwischen Farbstoffsolarzell(en) und Kondensator ist es möglich, Elektroenergie auch in einem vollständig entladenen Kondensator (elektrische Spannung des Kondensators = 0 V) zu speichern.With a correspondingly formed electrically conductive connection between dye solar cell (s) and capacitor, it is possible to store electric energy in a fully discharged capacitor (electrical voltage of the capacitor = 0 V).

Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung können die Elektroden, die elektrisch leitende(n) Schicht(en) und/oder die metallische(n) Leiterbahn(en) in Dickschichttechnik und/oder ein Direktdruck- oder Spritzverfahren (Inkjet-Printing bzw. Aerosol-Printing) aufgebracht werden, wodurch der Aufwand reduziert und die Herstellung erleichtert werden kann.In the production of an arrangement according to the invention, the electrodes, the electrically conductive layer (s) and / or the metallic conductor track (s) in thick film technology and / or a direct printing or spraying method (inkjet printing or aerosol printing) can be used. Printing) are applied, whereby the effort can be reduced and the production can be facilitated.

Mit der durch den keramischen Mehrschichtaufbau möglichen Führung elektrisch leitender Verbindungen können die elektrisch leitenden Verbindungen dreidimensional mit den elektrischen Durchkontaktierungen und den elektrischen Leiterbahnen ausgebildet werden. Es bestehen viele flexible Möglichkeiten elektrisch leitende Verbindungen, die für unterschiedlichste Applikationen erforderlich sein können, bei einer erfindungsgemäßen Anordnung auszubilden und dabei auch unterschiedlichste Anschlussmöglichkeiten für verschiedene Verbraucher elektrischer Energie zu realisieren.With the possible leadership of electrically conductive connections by the ceramic multilayer structure, the electrically conductive connections can be formed three-dimensionally with the electrical feedthroughs and the electrical conductor tracks. There are many flexible possibilities electrically conductive connections that may be required for a wide variety of applications, form in an inventive arrangement and thereby also realize different connection options for different consumers of electrical energy.

Bei der Erfindung weisen die als erste Substrate aus Glas, die mit der für die nutzbare elektromagnetische Strahlung transparenten elektrisch leitenden Schichten (TCO Transparent Conductive Oxide-Beschichtung) versehen sind, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 6 ppm/K auf, so dass dieser thermische Ausdehnungskoeffizient in ausreichender Nähe des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des für den keramischen Mehrschichtaufbau einsatzbaren keramischen Werkstoffs (LTCC-Glaskeramik, HTCC-Keramik Al2O3) liegt, so dass die erforderliche thermo-mechanische Kompatibilität und ein Einsatz bei erhöhter thermischer Wechselbeanspruchung und Temperaturunterschieden an den einzelnen Elementen der erfindungsgemäßen Anordnung gegeben ist. Diese Keramikwerkstoffe sind auch für die einsetzbaren Elektrolyten ausreichend chemisch resistent.In the invention, the first substrates of glass, which are provided with the transparent to the usable electromagnetic radiation electrically conductive layers (TCO Transparent Conductive Oxide coating), a thermal expansion coefficient of about 6 ppm / K, so that this thermal Expansion coefficient in sufficient proximity to the thermal expansion coefficient of the usable ceramic multilayer structure for the ceramic material (LTCC glass ceramic, HTCC ceramic Al 2 O 3 ) is, so that the required thermo-mechanical compatibility and use in elevated thermal cycling and temperature differences is given to the individual elements of the inventive arrangement. These ceramic materials are also sufficiently chemically resistant to the usable electrolytes.

Die unterschiedliche Temperaturstabilität der verschiedenen Werkstoffe, der einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Anordnung können bei der Herstellung einfach berücksichtigt werden. So können Teilelemente mit bzw. für solche kritischen Werkstoffe (Z. B. Kohlenstoffschichten der Elektroden des Kondensators, Platinschichten für Farbstoffsolarzellenelektroden, der jeweilige für die Strahlungsabsorption erforderliche Farbstoff und/oder der/die Elektrolyt(en) zu Zeiten bzw. bei Verfahrensschritten eingesetzt werden, bei denen die jeweils kritische Temperaturobergrenze nicht erreicht wird.The different temperature stability of the different materials, the individual elements of the arrangement according to the invention can be easily taken into account in the production. Thus, sub-elements with or for such critical materials (eg carbon layers of the electrodes of the capacitor, platinum layers for dye solar cell electrodes, the respective required for the radiation absorption dye and / or the / the electrolyte (s)) can be used at times or in process steps in which the respective critical upper temperature limit is not reached.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden:The invention will be explained in more detail by way of example below:

Dabei zeigen:Showing:

1 ein nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel einer Anordnung mit vier elektrisch in Reihe geschalteten Farbstoffbrennstoffzellen; 1 a not belonging to the invention example of an arrangement with four electrically connected in series dye fuel cells;

2 ein Beispiel mit einem an Farbstoffsolarzellen angeschlossenen elektrochemischen Doppelschichtkondensator; 2 an example with an electrochemical double layer capacitor connected to dye solar cells;

3 ein weiteres Beispiel mit einem modifizierten Doppelschichtkondensator und three Another example with a modified double-layer capacitor and

4 eine schematisierte elektrische Schaltung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung. 4 a schematic electrical circuit of an example of an inventive arrangement.

Bei dem in 1 gezeigten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel sind an einer Oberfläche eines ersten Substrats 1 aus Glas alternierend vier Elektroden 3 und 5 ausgebildet. Die Anordnung der Elektroden 3 und 5 ist so gewählt, dass jeweils ein Paar dieser Elektroden 3 und 5, also eine Anode 5 und eine Kathode 3 auf einer elektrisch leitenden Schicht 2 aus einem TCO, z. B. Indium-Zinn-Oxid ausgebildet sind. Das jeweils andere Elektrodenpaar 3 und 5 ist zu diesem Elektrodenpaar 3 und 5 am Substrat 1 elektrisch isoliert.At the in 1 The non-inventive example shown are on a surface of a first substrate 1 made of glass alternating four electrodes three and 5 educated. The arrangement of the electrodes three and 5 is chosen so that in each case a pair of these electrodes three and 5 , so an anode 5 and a cathode three on an electrically conductive layer 2 from a TCO, z. B. indium tin oxide are formed. The other pair of electrodes three and 5 is to this pair of electrodes three and 5 on the substrate 1 electrically isolated.

Dieser Elektrodenanordnung am ersten Substrat 1 gegenüberliegend sind an der Oberfläche eines zweiten Substrats 6, die in Richtung auf das erste Substrat 1 weist, wieder vier Elektroden 3 und 5 vorhanden. Dabei sind die Elektroden 3 und 5 auf den beiden Substraten 1 und 6 so angeordnet, dass jeweils eine Elektrode 3 (Kathode) einer Elektrode 5 (Anode) auf dem jeweils anderen Substrat 1 oder 6 gegenüberliegend angeordnet sind. Zwischen den beiden Substraten 1 und 6 ist mittels einer Dichtung 4 ein erster Hohlraum 15 ausgebildet, der über die Kanäle 17 mit einem Elektrolyt befüllt werden kann. Anstelle der Dichtung 4 kann der Hohlraum 15 auch durch eine entsprechende Ausbildung des zweiten Substrats 6 ausgebildet werden.This electrode arrangement on the first substrate 1 are opposite to the surface of a second substrate 6 moving towards the first substrate 1 points, again four electrodes three and 5 available. Here are the electrodes three and 5 on the two substrates 1 and 6 arranged so that each one electrode three (Cathode) of an electrode 5 (Anode) on the other substrate 1 or 6 are arranged opposite one another. Between the two substrates 1 and 6 is by means of a seal 4 a first cavity 15 trained, over the channels 17 can be filled with an electrolyte. Instead of the seal 4 can the cavity 15 also by an appropriate design of the second substrate 6 be formed.

Das zweite Substrat 6 ist mit einem keramischen Mehrschichtaufbau, in gezeigter Form aus zwei Schichten 6.1 und 6.2 gebildet. Für den Fall, dass der Hohlraum 15 mit dem Substrat 6 ausgebildet werden soll, kann mindestens eine dritte Schicht, in der eine Durchbrechung, die von einem radial äußeren Rand umschlossen ist, auf die in 1 gezeigte obere Schicht 6.1 aufgesetzt werden. Diese hat dann eine Dicke, die einen geeigneten Abstand der sich an den beiden Substraten 1 und 6 gegenüberliegend angeordneten Elektroden 3 und 5 gewährleistet. Dieser Abstand kann auch mit einer entsprechend dimensionierten Dichtung 4 eingehalten werden.The second substrate 6 is with a ceramic multilayer structure, in the form shown of two layers 6.1 and 6.2 educated. In the event that the cavity 15 with the substrate 6 is to be formed, at least a third layer in which an opening, which is enclosed by a radially outer edge, on the in 1 shown upper layer 6.1 be put on. This then has a thickness which is a suitable distance from itself at the two substrates 1 and 6 oppositely disposed electrodes three and 5 guaranteed. This distance can also be with a suitably sized seal 4 be respected.

Bei diesem Beispiel sind die Elektroden 3 aus TiO2 gebildet und es kann daran ein für Farbstoffsolarzellen geeigneter Farbstoff vorhanden sein. Die katalytischen Elektroden 5 sind aus Pt gebildet.In this example, the electrodes are three formed from TiO 2 and it may be present therefor a dye suitable for dye solar cells. The catalytic electrodes 5 are made of Pt.

Mit 1 wird auch deutlich, dass durch die Schichten des mehrschichtigen Keramikaufbaus zu den am zweiten Substrat 6 angeordneten Elektroden 3 und 5 elektrische Durchkontaktierungen 7 vorhanden sind. Diese sind mit entsprechenden Durchbrechungen, die in Schichten 6.1 und 6.2 ausgebildet und mit einem elektrisch leitenden Stoff gefüllt sind, gebildet. Dabei sind die Durchkontaktierungen 7 an den beiden rechts und links äußeren Elektroden 3 und 5 durch das gesamte Substrat 6 hindurch bis zu äußeren elektrischen Anschlusskontakten 9.1 und 9.2 geführt, an denen die mit den Farbstoffsolarzellen umgewandelte elektrische Energie für externe oder anschließbare Verbraucher abgegriffen werden kann.With 1 also becomes clear that through the layers of the multilayer ceramic structure to those on the second substrate 6 arranged electrodes three and 5 electrical vias 7 available. These are made with appropriate openings in layers 6.1 and 6.2 are formed and filled with an electrically conductive material formed. Here are the vias 7 on the two right and left outer electrodes three and 5 through the entire substrate 6 through to external electrical connection contacts 9.1 and 9.2 led, where the converted with the dye solar cells electrical energy for external or connectable consumers can be tapped.

Die von den beiden innenliegend auf der Oberfläche des zweiten Substrats 6 ausgebildeten Elektroden 3 und 5 sind ebenfalls über elektrische Durchkontaktierungen 7 miteinander elektrisch leitend verbunden. Diese sind aber lediglich durch die hier oberste Schicht 6.1 des keramischen Mehrschichtaufbaus bis zu einer elektrischen Leiterbahn 8 geführt. Die elektrische Leiterbahn 8 bildet dann einen weiteren Teil der elektrisch leitenden Verbindung dieser beiden Elektroden 3 und 5. Die elektrische Leiterbahn 8 ist dabei auf der Oberfläche der hier unteren Schicht 6.2 des keramischen Mehrschichtaufbaus in Form einer lokalen Metallisierung ausgebildet, die mit den entsprechenden elektrischen Durchkontaktierungen 7 der mittleren beiden Elektroden 3 und 5 elektrisch leitend verbunden ist. So konnte in einfacher und kompakter Form eine elektrische Reihenschaltung von vier Farbstoffsolarzellen realisiert werden.The one of the two on the inside of the surface of the second substrate 6 trained electrodes three and 5 are also via electrical feedthroughs 7 electrically connected to each other. But these are only through the top layer here 6.1 of the ceramic multilayer structure up to an electrical conductor track 8th guided. The electrical conductor 8th then forms another part of the electrically conductive connection of these two electrodes three and 5 , The electrical conductor 8th is on the surface of the lower layer 6.2 of the ceramic multilayer structure in the form of a local metallization formed with the corresponding electrical vias 7 the middle two electrodes three and 5 is electrically connected. So could in simple and compact form an electrical series connection of four dye solar cells can be realized.

Bei der Herstellung kann so vorgegangen werden, dass einzelne keramische Schichten 6.1 und 6.2 einer LTTC oder HTTC-Keramik zuerst strukturiert und dabei Durchbrechungen für die elektrischen Durchkontaktierungen 7 ausgebildet. Diese werden mit einer elektrisch leitfähigen Paste gefüllt. Auf eine Oberfläche einer der Schichten wird dann eine elektrische Leiterbahn 8 in Form einer Metallisierung ausgebildet. Im Anschluss werden die keramischen Schichten eingebrannt und dann die Elektroden 3 und 5 auf der Oberfläche einer Schichtaufgebracht. Die Schichten, beim Beispiel nach 1 sind es die zwei Schichten 6.1 und 6.2, werden dann unter Wirkung einer Druckkraft von 200 bar bei einer Temperatur < 140°C miteinander verbunden und das zweite Substrat 6 gebildet. Diese Vorgehensweise kann auch für die Schichten 6.3 bis 6.6 bei den in den 2 und 3 beschriebenen Beispielen gewählt werden.During production, it is possible to proceed in such a way that individual ceramic layers 6.1 and 6.2 a LTTC or HTTC ceramic first structured and thereby openings for the electrical feedthroughs 7 educated. These are filled with an electrically conductive paste. On a surface of one of the layers then becomes an electrical conductor 8th formed in the form of a metallization. Subsequently, the ceramic layers are baked and then the electrodes three and 5 applied to the surface of a layer. Layers, by example 1 it is the two layers 6.1 and 6.2 , are then bonded together under the action of a compressive force of 200 bar at a temperature <140 ° C and the second substrate 6 educated. This procedure can also be used for the layers 6.3 to 6.6 at the in the 2 and three be selected examples described.

Auf die in 1 unten angeordnete keramische Schicht 6.2 können die Anschlusskontakte 9.1 und 9.2 aufgebracht werden. Diese können ebenfalls als Metallisierung aber auch in Dickschichttechnik ausgebildet werden.On the in 1 arranged below ceramic layer 6.2 can make the connection contacts 9.1 and 9.2 be applied. These can also be formed as a metallization but also in thick film technology.

Auf einer Oberfläche des ersten Substrats 1 aus einem Glas wurden elektrisch leitende Schichten 2 aus Indium-Zinn-Oxid in strukturierter Form aufgebracht. Es kann aber auch eine nachträgliche Strukturierung durch lokale Entfernung des Indium-Zinn-Oxids als TCO erfolgen. Auf jeweils eine elektrisch leitende Schicht 2 werden dann zwei Elektroden 3 und 5 aufgebracht, die so mit einer elektrisch leitenden Schicht 2 elektrisch leitend miteinander verbunden werden.On a surface of the first substrate 1 a glass became electrically conductive layers 2 made of indium tin oxide in structured form. But it can also be a subsequent structuring by local removal of the indium-tin-oxide as TCO. On each one electrically conductive layer 2 then become two electrodes three and 5 applied so with an electrically conductive layer 2 be electrically connected to each other.

Bei einem weiteren Fügen wird eine radial umlaufende Dichtung 4 zwischen erstem Substrat 1 und zweiten Substrat 6 angeordnet, so dass zwischen den beiden Substraten 1 und 6 der Hohlraum 15 ausgebildet wird. Die Fügeverbindung kann mittels eines äußeren Rahmens (nicht gezeigt), der beide Substrate 1 und 6 und die Dichtung 4 miteinander fluiddicht verspannt, erreicht werden. Es kann aber auch eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise mit einem Glaslot hergestellt werden. Es können zusätzliche hier nicht dargestellte Dichtungsflächen zwischen einzelnen Farbstoffsolarzellen integriert werden, um die Stabilität des Elektrolyten bei Anliegen einer elektrischen Spannung von den in Reihe geschalteten Farbstoffsolarzellen zu verbessern.In a further joining is a radial circumferential seal 4 between the first substrate 1 and second substrate 6 arranged so that between the two substrates 1 and 6 the cavity 15 is trained. The joint connection can be made by means of an outer frame (not shown), both substrates 1 and 6 and the seal 4 clamped together fluid-tight, can be achieved. But it can also be a cohesive connection, for example, produced with a glass solder. Additional sealing surfaces, not shown, between individual dye-sensitized solar cells can be integrated in order to improve the stability of the electrolyte when an electrical voltage is applied from the series-connected dye-sensitized solar cells.

Durch einen der im Substrat ausgebildeten Kanäle 17 kann Elektrolyt für die Farbstoffsolarzellen eingefüllt werden, wobei Gas über den anderen Kanal 17 entweichen kann, so dass eine vollständige Befüllung erreicht werden kann. Die Kanäle 17 können nach der Befüllung mit einem Polymer oder Glaslot verschlossen werden.Through one of the channels formed in the substrate 17 Electrolyte can be charged to the dye solar cells, with gas over the other channel 17 can escape, so that a complete filling can be achieved. The channels 17 can be closed after filling with a polymer or glass solder.

Die so mit den vier elektrisch in Reihe geschalteten Farbstoffsolarzellen ist dann funktionsfähig und bei Einfall von Sonnenlicht auf das erste Substrat 1 aus der Umgebung kann eine elektrische Spannung an den beiden Anschlusskontakten 9.1 und 9.2 abgegriffen werden.The dye solar cells thus electrically connected in series with the four are then functional and upon incident sunlight on the first substrate 1 From the environment may be an electrical voltage on the two terminals 9.1 and 9.2 be tapped.

Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist der Aufbau gemäß 1 mit drei weiteren keramischen Schichten 6.3 bis 6.5 ergänzt, so dass das zweite Substrat 6 aus fünf keramischen Schichten gebildet worden ist.At the in 2 The example shown is the structure according to 1 with three more ceramic layers 6.3 to 6.5 complements, leaving the second substrate 6 has been formed from five ceramic layers.

Dabei wurde an der Anordnung ein elektrischer Doppelschichtkondensator realisiert, der mit zwei Elektroden 12, die jeweils auf einer Oberfläche einer keramischen Schicht 6.3 und 6.4 ausgebildet worden sind, und einem in einem zweiten Hohlraum 16 enthaltenen Elektrolyt gebildet worden ist. Bei diesem Beispiel ist im Hohlraum 16 zwischen den beiden Elektroden 12 ein Separatorelement 14 angeordnet. Die Elektroden 12 können aus Kohlenstoff gebildet werden. Hierfür kann eine Kohlenstoff- oder Kohlenstoff/Oxid-Paste aufgetragen und anschließend getempert werden.In this case, an electrical double-layer capacitor was realized on the arrangement, with two electrodes 12 , each on a surface of a ceramic layer 6.3 and 6.4 have been formed, and one in a second cavity 16 contained electrolyte has been formed. In this example is in the cavity 16 between the two electrodes 12 a separator element 14 arranged. The electrodes 12 can be made of carbon. For this purpose, a carbon or carbon / oxide paste can be applied and then tempered.

Der Aufbau für die Farbstoffsolarzellen kann analog zum Beispiel nach 1 erfolgen. Dabei wird aber eine zusätzliche keramische Schicht 6.5 eingesetzt, mit der eine elektrisch leitende Verbindung zum in der 2 gezeigten Anschlusskontakt 9.1 von der Reihenschaltung der Farbstoffsolarzellen möglich ist. Außerdem sind elektrische Durchkontaktierungen 7 von einer Elektrode 3 (Kathode – in 2 ganz links auf dem zweiten Substrat 6 angeordnet) bis zur hier oben angeordneten Elektrode 12 des Doppelschichtkondensators geführt. Die andere Elektrode 12 ist mit elektrischen Durchkontaktierungen 7 sowie elektrischen Leiterbahnen 8 mit der ganz rechts auf dem zweiten Substrat 6 angeordneten Elektrode 5 elektrisch leitend verbunden.The structure of the dye solar cells can be analogous to example 1 respectively. But this is an additional ceramic layer 6.5 used, with an electrically conductive connection to in the 2 shown connection contact 9.1 from the series connection of the dye solar cells is possible. There are also electrical feedthroughs 7 from an electrode three (Cathode - in 2 far left on the second substrate 6 arranged) to the electrode arranged up here 12 led the double-layer capacitor. The other electrode 12 is with electrical feedthroughs 7 as well as electrical conductors 8th with the far right on the second substrate 6 arranged electrode 5 electrically connected.

Die Ausbildung der einzelnen Elemente kann bei diesem Beispiel analog zum Beispiel nach 1 erfolgen, was auch auf das Fügen betrifft.The formation of the individual elements can in this example, for example, according to 1 which also concerns the joining.

Für die Befüllung des zweiten Hohlraums 16 mit Elektrolyt sind wieder zwei Kanäle 11 vorhanden, die als Durchbrechungen durch die zwei hier unteren keramischen Schichten 6.4 und 6.5, des das zweite Substrat 6 bildenden keramischen Mehrschichtaufbaus geführt sind.For the filling of the second cavity 16 with electrolyte are again two channels 11 present as breakthroughs through the two here lower ceramic layers 6.4 and 6.5 of the second substrate 6 forming ceramic multilayer structure are performed.

Das in 3 gezeigte Beispiel unterscheidet sich vom Beispiel nach 2 dadurch, dass auf ein Separatorelement 14 verzichtet worden ist und der Hohlraum 16 innerhalb des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats 6 mittels in einer keramischen Schicht 6.6 ausgebildeten Durchbrechung ausgebildet ist. Außerdem sind die Elektroden 12 des Doppelschichtkondensators mit fein dispergierten Oxiden, wie z. B. RuO2 oder NiO hergestellt worden. Diese werden in einer Paste auf die Oberflächen von zwei keramischen Schichten 6.3 und 6.4 aufgetragen und dann mit der Keramik bei 850°C im Cofiring gebrannt. Bei Einsatz von NiO wird anschließend eine Reduzierung von NiO zu Ni durchgeführt. Dabei wird bei einer Temperatur im Bereich 300°C bis 600°C in einer reduzierenden Atmosphäre gearbeitet, in der Wasserstoff und/oder Kohlenstoff enthalten ist/sind. Bei enthaltenem Kohlenstoff kann bei der Reduktion eine Ablagerung von Kohlenstoff auf der Nickeloberfläche und dadurch eine Vergrößerung der Oberfläche der Elektroden 12 erreicht werden, wodurch auch die Kapazität des Doppelschichtkondensators erhöht werden kann.This in three example shown differs from the example 2 in that on a Separatorelement 14 has been omitted and the cavity 16 within the ceramic multilayer structure of the second substrate 6 by means of a ceramic layer 6.6 trained aperture is formed. In addition, the electrodes 12 of the double-layer capacitor with finely dispersed oxides, such as. B. RuO 2 or NiO. These are in a paste on the surfaces of two ceramic layers 6.3 and 6.4 applied and then fired with the ceramic at 850 ° C in Cofiring. When NiO is used, a reduction of NiO to Ni is then carried out. It is carried out at a temperature in the range 300 ° C to 600 ° C in a reducing atmosphere in which hydrogen and / or carbon is / are. In the case of carbon contained in the reduction, a deposition of carbon on the nickel surface and thereby an increase in the surface area of the electrodes 12 can be achieved, whereby the capacity of the double-layer capacitor can be increased.

In 4 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild für eine mögliche elektrische Verschaltung gezeigt.In 4 an electrical equivalent circuit diagram for a possible electrical connection is shown.

Dabei kann die maximale elektrische Spannung der elektrisch in Reihe geschalteten vier Farbstoffsolarzellen (jeweils 0,75 V) von 3 V eingehalten werden. Eine Entladung des Doppelschichtkondensators 18 über die Farbstoffsolarzellen, wenn diese nicht bzw. nicht ausreichend mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden, kann mit den Dioden 19 verhindert werden.In this case, the maximum electrical voltage of the electrically connected in series four dye solar cells (each 0.75 V) of 3 V can be maintained. A discharge of the double-layer capacitor 18 on the dye solar cells, if they are not or not sufficiently irradiated with electromagnetic radiation, can with the diodes 19 be prevented.

Ebenso kann mit den Dioden 19 eine Überladung des Doppelschichtkondensators 18, auf Grund deren elektrischer Schaltspannung von ca. 0,15 V vermieden werden (max. elektrische Spannung am Doppelschichtkondensator 18 = 3 V – 0,15 V/Diode × 2 Dioden = 2,7 V).Likewise, with the diodes 19 an overload of the double-layer capacitor 18 , due to the electrical switching voltage of about 0.15 V are avoided (maximum electrical voltage on the double-layer capacitor 18 = 3V - 0.15V / diode × 2 diodes = 2.7V).

Der elektrische Ladestrom kann mit dem elektrischen Widerstandselement 20, das einen elektrischen Widerstand von mindestens 5 kΩ aufweisen sollte, auf 0,5 mA begrenzt werden (elektrischer Innenwiderstand des Verbrauchers, der zwischen 0,005 MΩ und 1 MΩ liegen kann).The electrical charging current can with the electrical resistance element 20 , which should have an electrical resistance of at least 5 kΩ, be limited to 0.5 mA (internal electrical resistance of the load, which may be between 0.005 MΩ and 1 MΩ).

Der Anschluss eines Senders 21 ermöglicht eine schnelle drahtlose Energieübertragung mit schneller Leistungsabgabe vom Doppelschichtkondensator 18. Die elektrische Spannung der Farbstoffsolarzellen kann konstant gehalten werden, da der elektrische Strom mit dem elektrischen Widerstandselement 20 auf 0,5 mA begrenzt werden kann. So ist auch eine Ladung des Doppelschichtkondensators 18 ab einer elektrischen Spannung von 0 V möglich.The connection of a transmitter 21 enables fast wireless power transfer with fast power output from the double-layer capacitor 18 , The electrical voltage of the dye-sensitized solar cells can be kept constant, since the electric current with the electrical resistance element 20 can be limited to 0.5 mA. So is a charge of the double-layer capacitor 18 possible from an electrical voltage of 0 V.

Bei dieser elektrischen Schaltung sind eine elektrische Kapazität im Bereich 0,5 F bis 10 F, ein elektrischer Widerstand des elektrischen Widerstandselements 20 im Bereich 5 kΩ bis 10 kΩ und eine Anzahl an Dioden 19 von 1 bis 4 günstig.In this electrical circuit, an electrical capacitance in the range 0.5 F to 10 F, an electrical resistance of the electrical resistance element 20 in the range 5 kΩ to 10 kΩ and a number of diodes 19 from 1 to 4 cheap.

Claims (6)

Anordnung mit mindestens einer Farbstoffsolarzelle, bei der mindestens eine Elektrode (3 oder 5) auf einer Oberfläche eines für elektromagnetische Strahlung transparenten ersten Substrats (1) und mindestens eine weitere Elektrode (3 oder 5) auf einer der mit der mindestens einen Elektrode (3 oder 5) versehenen Oberfläche des ersten Substrats (1) gegenüberliegenden Oberfläche eines zweiten Substrats (6) in einem Abstand zueinander angeordnet sind und zwischen dem ersten Substrat (1) und dem zweiten Substrat (6) ein einen Elektrolyten aufnehmender Hohlraum (15) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (6) ein keramischer Mehrschichtaufbau aus einer LTCC- oder einer HTCC-Keramik ist, an dem mindestens eine elektrische leitende Verbindung von mindestens einer der Elektroden (3, 5) mittels elektrischer Durchkontaktierungen (7) durch mindestens eine Schicht (6.1) des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats (6) und/oder mindestens eine metallische Leiterbahn (8), die zwischen zwei Schichten (6.1, 6.2) des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats (6) ausgebildet ist, nach außen geführt ist, und ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator (18) mit einem weiteren Hohlraum (16) für die Aufnahme eines Elektrolyten im keramischen Mehrschichtaufbau des zweiten Substrats (6) ausgebildet ist, an dem an zwei sich gegenüberliegend angeordneten Oberflächen zwei Elektroden (12) ausgebildet und mittels mindestens einer elektrischen Durchkontaktierung (7, 13) und/oder einer elektrischen Leiterbahn (8) mit jeweils mindestens einer Elektrode (3 oder 5) elektrisch leitend verbunden sind und einzelne Schichten (6.16.6) des keramischen Mehrschichtaufbaus des zweiten Substrats (6) für die Ausbildung elektrischer Durchkontaktierungen (7), des Hohlraums (15) und des weiteren Hohlraums (16) mittels darin ausgebildeter Durchbrechungen strukturiert sind, und in die elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einer Elektrode (5) einer Farbstoffzolarzelle und eine der Elektroden (12) des Kondensators (18) mindestens eine Diode (19) geschaltet ist, um eine Entladung des Doppelschichtkondensators (18) über die Farbstoffsolarzelle zu vermeiden.Arrangement with at least one dye-sensitized solar cell, in which at least one electrode ( three or 5 ) on a surface of a first substrate transparent to electromagnetic radiation ( 1 ) and at least one further electrode ( three or 5 ) on one of the at least one electrode ( three or 5 ) provided surface of the first substrate ( 1 ) opposite surface of a second substrate ( 6 ) are arranged at a distance to each other and between the first substrate ( 1 ) and the second substrate ( 6 ) an electrolyte receiving cavity ( 15 ), characterized in that the second substrate ( 6 ) is a ceramic multilayer structure of an LTCC or a HTCC ceramic, on which at least one electrically conductive connection of at least one of the electrodes ( three . 5 ) by means of electrical feedthroughs ( 7 ) by at least one layer ( 6.1 ) of the ceramic multilayer structure of the second substrate ( 6 ) and / or at least one metallic conductor track ( 8th ) between two layers ( 6.1 . 6.2 ) of the ceramic multilayer structure of the second substrate ( 6 ), is led to the outside, and an electrochemical double-layer capacitor ( 18 ) with another cavity ( 16 ) for receiving an electrolyte in the ceramic multilayer structure of the second substrate ( 6 ) is formed on the two opposing surfaces arranged two electrodes ( 12 ) and by means of at least one electrical feedthrough ( 7 . 13 ) and / or an electrical conductor track ( 8th ) each having at least one electrode ( three or 5 ) are electrically conductively connected and individual layers ( 6.1 - 6.6 ) of the ceramic multilayer structure of the second substrate ( 6 ) for the formation of electrical vias ( 7 ), the cavity ( 15 ) and the further cavity ( 16 ) are structured by means of openings formed therein, and in the electrically conductive connection between at least one electrode ( 5 ) of a dye-cell cell and one of the electrodes ( 12 ) of the capacitor ( 18 ) at least one diode ( 19 ) is connected to a discharge of the double-layer capacitor ( 18 ) on the dye solar cell to avoid. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Substrat (1) und am zweiten Substrat (6) jeweils mehrere Elektroden (3 und 5) alternierend in versetzter sich diametral gegenüberliegender Anordnung vorhanden und nebeneinander an den Substraten (1 und 6) angeordnete Elektroden (3 und 5) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei jeweils zwei nebeneinander am ersten Substrat (1) angeordnete Elektroden (3 und 5) mit einer für elektromagnetische Strahlung transparenten, elektrisch leitenden Schicht (2) elektrisch leitend verbunden sind.Arrangement according to claim 1, characterized in that on the first substrate ( 1 ) and on the second substrate ( 6 ) each have a plurality of electrodes ( three and 5 ) alternately in staggered diametrically opposed arrangement and juxtaposed to the substrates ( 1 and 6 ) arranged electrodes ( three and 5 ) electrically conductively connected to each other each two adjacent to each other on the first substrate ( 1 ) arranged electrodes ( three and 5 ) with an electromagnetic radiation transparent, electrically conductive layer ( 2 ) are electrically connected. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einer Elektrode (5) zu einem nach außen geführten Anschlusskontakt (10.1) und einer der Elektroden (12) des Kondensators (18) ein elektrisches Widerstandselement (20) geschaltet ist oder diese elektrisch leitende Verbindung einen dem elektrischen Widerstandselement (17) entsprechenden elektrischen Widerstand aufweist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the electrically conductive connection between at least one electrode ( 5 ) to an outgoing terminal contact ( 10.1 ) and one of the electrodes ( 12 ) of the capacitor ( 18 ) an electrical resistance element ( 20 ) is connected or this electrically conductive connection a the electrical resistance element ( 17 ) has corresponding electrical resistance. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Substrat (1) und/oder am zweiten Substrat (6) jeweils mindestens ein Kanal (11, 17) für eine Befüllung des Hohlraums (15) und/oder des weiteren Hohlraums (16) mit Elektrolyt vorhanden ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that on the first substrate ( 1 ) and / or on the second substrate ( 6 ) at least one channel ( 11 . 17 ) for a filling of the cavity ( 15 ) and / or the further cavity ( 16 ) is present with electrolyte. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden (12) des elektrochemischen Doppelschichtkondensators (18) im weiteren Hohlraum (16) ein Separatorelement (14) angeordnet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between the electrodes ( 12 ) of the electrochemical double-layer capacitor ( 18 ) in the further cavity ( 16 ) a separator element ( 14 ) is arranged. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3, 5), die elektrisch leitende(n) Schicht(en) (2) und/oder die metallische(n) Leiterbahn(en) (8) in Dickschichttechnik und/oder mit einem Druck- oder Spritzverfahren aufgebracht sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes ( three . 5 ), the electrically conductive layer (s) ( 2 ) and / or the metallic interconnect (s) ( 8th ) are applied in thick film technology and / or with a printing or spraying process.
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