DE102014013168B4 - Photoelectrochemical cell and a method for producing such a cell and a method for light-driven generation of hydrogen and oxygen with this photo-electrochemical cell - Google Patents

Photoelectrochemical cell and a method for producing such a cell and a method for light-driven generation of hydrogen and oxygen with this photo-electrochemical cell Download PDF

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Abstract

Photoelektrochemische Zelle (1) zur lichtgetriebenen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser oder aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten, umfassend eine photoelektrische Zelleinheit (2) und eine elektrochemische Zelleinheit (3), die zusammen in einen gemeinsamen Schichtaufbau integriert sind und elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die photoelektrische Zelleinheit (2), wenigstens eine Schichtanordnung einer Solarzelle mit Substrat, erster elektrischer Kontaktschicht (4), Halbleiterschicht (5) sowie zweiter elektrischer Kontaktschicht (6) umfasst, wobei die Solarzelle in eine Mehrzahl an streifenförmigen photovoltaischen Elementen (A, B, C,..) unterteilt ist, die parallel nebeneinander liegen und serienverschaltet sind, und wobei die photoelektrische Zelleinheit (2) auf der lichtzugewandten Seite des Schichtaufbaus der photoelektrochemischen Zelle (1) angeordnet ist, und bei der die elektrochemische Zelleinheit (3) auf der lichtabgewandten Seite des Schichtaufbaus der photoelektrochemischen Zelle (1) angeordnet ist, wobei die elektrochemische Einheit eine Isolatorschicht (7) mit Durchgängen (16) zwischen elektrochemischer Zelleinheit (3) und photoelektrischer Zelleinheit (2) aufweist, sowie Anoden (8) und Kathoden (9) umfasst, die jeweils alternierend, parallel nebeneinander, ohne jeweils untereinander flächig kontaktiert zu sein, in einer Ebene angeordnet sind und in direktem Kontakt mit dem Wasser oder mit dem aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten (11) stehen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils immer oberhalb eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C..) eine Anode (8) oder eine Kathode (9) angeordnet ist und die Anode (8) oder die Kathode (9) über den Durchgang (16) mit dem jeweiligen photovoltaischen Element (A, B, C,..) kontaktiert ist.Photoelectrochemical cell (1) for the light-driven generation of hydrogen and oxygen from water or from another aqueous solution-based electrolyte, comprising a photoelectric cell unit (2) and an electrochemical cell unit (3) integrated together in a common layer structure and electrically are conductively connected to each other, wherein the photoelectric cell unit (2), at least one layer arrangement of a solar cell with substrate, first electrical contact layer (4), semiconductor layer (5) and second electrical contact layer (6), wherein the solar cell in a plurality of strip-shaped photovoltaic Is subdivided parallel to each other and are connected in series, and wherein the photoelectric cell unit (2) on the light-facing side of the layer structure of the photoelectrochemical cell (1) is arranged, and in which the electrochemical Cell unit (3) on the left The electrochemical unit has an insulator layer (7) with passages (16) between the electrochemical cell unit (3) and the photoelectric cell unit (2), as well as anodes (8) and cathodes (9 ), which are each arranged alternately, parallel to one another, without being in contact with each other in a planar manner, are arranged in one plane and are in direct contact with the water or with another aqueous solution-based electrolyte (11), characterized in each case an anode (8) or a cathode (9) is always arranged above a respective photovoltaic element (A, B, C ..) and the anode (8) or the cathode (9) is connected via the passage (16) to the respective photovoltaic element (A, B, C, ..) is contacted.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrochemische Zelle sowie auf ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser oder aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zelle.The invention relates to a photoelectrochemical cell and to a method for producing hydrogen and oxygen from water or from another aqueous solution-based electrolyte and to a method for producing such a cell.

Stand der TechnikState of the art

Wasserstoff gilt aufgrund seiner ökologischen Vorteile als Energieträger der Zukunft.Due to its ecological advantages, hydrogen is regarded as the energy source of the future.

Die großtechnische Herstellung von Wasserstoff erfolgt derzeit überwiegend über den Prozess der Dampfreformierung, bei dem aus Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Erdöl oder Biomasse etc. in zwei Prozessschritten Wasserstoff erzeugt wird. Eine weitere effiziente Möglichkeit der Herstellung von Wasserstoff kann über die Wasserelektrolyse, d.h. in der Spaltung der Wassermoleküle in Wasserstoff- und Sauerstoffgas mittels eines durch das Wasser geleiteten elektrischen Stroms erfolgen. Dabei ist für eine wirtschaftliche Produktion jedoch zu berücksichtigen, mit welchem Aufwand und aus welchem Energieträger die bei der Elektrolyse verbrauchte elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird. Eine wirtschaftliche großtechnische Nutzung der Elektrolyse von Wasser unter Ausnutzung von Sonnenlicht mit Hilfe von photoelektrochemischen Zellen scheiterte bisher an der geringen Effizienz der derzeit bekannten photoelektrochemischen Zellen.The large-scale production of hydrogen currently takes place predominantly via the process of steam reforming, in which hydrogen is produced from hydrocarbons such as natural gas, crude oil or biomass etc. in two process steps. Another efficient way of producing hydrogen may be via the water electrolysis, i. in the splitting of the water molecules into hydrogen and oxygen gas by means of an electric current conducted through the water. However, for economic production, it must be taken into account with what expense and from which energy source the electrical energy consumed during electrolysis is made available. An economical industrial use of the electrolysis of water using sunlight with the help of photoelectrochemical cells has failed due to the low efficiency of currently known photoelectrochemical cells.

Bisher wird die Elektrolyse von Wasser mittels Photovoltaik durch einzelne kleinflächige Solarzellenstacks realisiert. Hierbei wird einerseits das Konzept verfolgt, dass auf beiden flächigen Seiten der Solarzelle die Anode bzw. Kathode angeordnet ist. An diesen Elektroden wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Nachteil hierbei ist, dass das Konzept nicht aufskaliert, d. h. großtechnisch mit großen Flächen betrieben werden kann, da sich nachteilig eine Begrenzung durch die lonenleitfähigkeit im Elektrolyten ergibt. Durch die räumlich weite Trennung der beiden Elektrodenflächen wird der Weg, den die Ionen zum Ladungsausgleich zurücklegen müssen, größer, je größer die Anordnung ist. Dies führt bei großen Zellen zu hohen Leistungsverlusten. In einem weiteren Konzept wird der Strom einer Kontaktfläche über ein Kabel an eine im Elektrolyten befindliche Elektrode weitergeleitet. Auch diese Anordnung ist nicht aufskalierbar, da die verwendeten Kontaktmaterialien eine begrenzte Leitfähigkeit besitzen. Hierdurch ergeben sich bei Vergrößerung der Solarzellenflächen elektrische Verluste in den Kontaktmaterialien, die den Wirkungsgrad einer solchen Anordnung stark herabsetzen.So far, the electrolysis of water by means of photovoltaics is realized by individual small-scale solar cell stacks. Here, on the one hand, the concept is pursued that the anode or cathode is arranged on both flat sides of the solar cell. At these electrodes, water is decomposed into hydrogen and oxygen. Disadvantage here is that the concept does not scale up, d. H. can be operated industrially with large areas, since there is a disadvantageous limitation by the ionic conductivity in the electrolyte. As a result of the spatially wide separation of the two electrode surfaces, the larger the arrangement, the greater the distance the ions have to travel for charge compensation. This leads to high power losses for large cells. In another concept, the current of a contact surface is forwarded via a cable to an electrode located in the electrolyte. Also, this arrangement is not aufskalierbar, since the contact materials used have a limited conductivity. This results in enlargement of the solar cell surfaces electrical losses in the contact materials, which greatly reduce the efficiency of such an arrangement.

Aus der DE 10 2012 205 258 A1 ist eine photoelektrochemische Zelle zur lichtgetriebenen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff mit einer photoelektrischen Schichtstruktur und einer elektrochemischen Schichtstruktur in einem Schichtaufbau bekannt, bei der die elektrische Kontaktierung dieser beiden Zelleinheiten über eine leitfähige Koppelschicht erfolgt. Hier sind die Anoden und Kathoden als Schichten sequentiell ganzflächig übereinander bzw. hintereinander angeordnet.From the DE 10 2012 205 258 A1 is a photoelectrochemical cell for the light-driven generation of hydrogen and oxygen having a photoelectric layer structure and an electrochemical layer structure in a layer structure known, in which the electrical contacting of these two cell units takes place via a conductive coupling layer. Here, the anodes and cathodes are arranged as layers sequentially over the entire surface of one another or one behind the other.

Aus der US 2008/ 0 223 439 A1 ist eine photoelektrochemische Zelle zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff bekannt, bei der die notwendige Spannung der Zelle mit Hilfe der Solarzelle erzeugt wird. Die Schichten der Solarzelle sind durch Strukturierung in einzelne streifenförmige Zellen unterteilt, die untereinander serienverschaltet sind. Diese Zellstreifen weisen dabei sowohl eine Anode als auch eine Kathode auf.US 2008/0 223 439 A1 discloses a photoelectrochemical cell for generating hydrogen and oxygen, in which the necessary voltage of the cell is generated with the aid of the solar cell. The layers of the solar cell are divided by structuring into individual strip-shaped cells, which are connected in series with each other. These cell strips have both an anode and a cathode.

Aufgabe und Lösung der ErfindungTask and solution of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, photoelektrochemische Zellen, im Folgenden synonym auch als PEZ bezeichnet, zur lichtgetriebenen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser oder aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten bereit zu stellen, welche eine Aufskalierung der photoelektrochemischen Zellen ermöglichen, ohne die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile aufzuweisen. Weiterhin soll eine photoelektrochemische Zelle bereitgestellt werden, die eine sichere und einfach zu handhabende Ableitung der gebildeten Produktgase sowie Zufuhr von Wasser / Elektrolyt ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung dieser photoelektrochemischen Zellen bereit zu stellen sowie ein Verfahren zur lichtgetriebenen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser oder einem anderen auf wässriger Lösung basierenden Elektrolyten bereitzustellen.The object of the invention is to provide photoelectrochemical cells, hereinafter synonymously also referred to as PEZ, for the light-driven generation of hydrogen and oxygen from water or from another aqueous solution-based electrolyte, which allow scaling up of the photoelectrochemical cells, without the show known in the prior art disadvantages. Furthermore, a photoelectrochemical cell is to be provided, which enables safe and easy handling of the product gases formed and the supply of water / electrolyte. A further object of the invention is to provide a corresponding process for the preparation of these photoelectrochemical cells and to provide a process for the light-driven generation of hydrogen and oxygen from water or another aqueous solution-based electrolyte.

Die Aufgabe wird durch eine photoelektrochemische Zelle nach Anspruch 1 sowie durch Verfahren nach den Nebenansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.The object is achieved by a photoelectrochemical cell according to claim 1 and by methods according to the subsidiary claims. Advantageous embodiments emerge from the claims referring back to this.

Die Erfindung betrifft eine photoelektrochemische Zelle zur lichtgetriebenen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser oder aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten, umfassend eine photoelektrische Zelleinheit und eine elektrochemische Zelleinheit, die zusammen in einen gemeinsamen Schichtaufbau integriert sind und elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei

  1. a) die photoelektrische Zelleinheit, wenigstens eine Schichtanordnung einer Solarzelle mit Substrat, erster elektrischer Kontaktschicht, Halbleiterschicht sowie zweiter elektrischer Kontaktschicht umfasst, wobei die Solarzelle in eine Mehrzahl an streifenförmigen photovoltaischen Elementen (A, B, C,..) unterteilt ist, die parallel nebeneinander liegen und serienverschaltet sind, und wobei die photoelektrochemische Zelleinheit auf der lichtzugewandten Seite des Schichtaufbaus der photoelektrochemischen Zelle angeordnet ist,
  2. b) die elektrochemische Zelleinheit auf der lichtabgewandten Seite des Schichtaufbaus der photoelektrochemischen Zelle angeordnet ist,
  3. c) eine Isolatorschicht mit Durchgängen, zwischen elektrochemischer Zelleinheit und photoelektrischer Zelleinheit angeordnet ist,
  4. d) die elektrochemische Zelleinheit Anoden und Kathoden umfasst, die jeweils alternierend, parallel nebeneinander, ohne jeweils untereinander flächig kontaktiert zu sein, in einer Ebene angeordnet sind und in direktem Kontakt mit dem Wasser oder mit dem aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten stehen,
  5. e) dadurch gekennzeichnet, dass jeweils immer oberhalb eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C..) eine Anode oder eine Kathode angeordnet ist und die Anode oder die Kathode über den Durchgang mit dem jeweiligen photovoltaischen Element (A, B, C,..) kontaktiert ist.
The invention relates to a photoelectrochemical cell for light-driven generation of hydrogen and oxygen from water or from another aqueous solution-based electrolyte, comprising a photoelectric cell unit and an electrochemical cell unit, which are integrated together in a common layer structure and are electrically conductively connected to each other, in which
  1. a) comprises the photoelectric cell unit, at least one layer arrangement of a solar cell with substrate, first electrical contact layer, semiconductor layer and second electrical contact layer, wherein the solar cell is divided into a plurality of strip-shaped photovoltaic elements (A, B, C, ..), which are parallel lie next to each other and are series-connected, and wherein the photoelectrochemical cell unit is arranged on the light-facing side of the layer structure of the photoelectrochemical cell,
  2. b) the electrochemical cell unit is arranged on the light-remote side of the layered structure of the photoelectrochemical cell,
  3. c) an insulator layer with passages is arranged between the electrochemical cell unit and the photoelectric cell unit,
  4. d) the electrochemical cell unit comprises anodes and cathodes, which are each arranged alternately, parallel to one another, without being in contact with each other, in one plane and are in direct contact with the water or with another electrolyte solution based on an aqueous solution .
  5. e) characterized in that always above a respective photovoltaic element (A, B, C ..) an anode or a cathode is arranged and the anode or the cathode via the passage with the respective photovoltaic element (A, B, C, ..) is contacted.

Die lichtgetriebene, bevorzugt durch Sonnenlicht, betriebene Wasserstofferzeugung kann aus Wasser oder aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten erfolgen. Hier kann neben Wasser als Elektrolyt beispielsweise eine neutrale, saure oder basische Lösung eingesetzt werden. So kann der Elektrolyt eine Lösung der Alkali- bzw. Erdalkalimetallsalze der Schwefel- oder Salpetersäure oder organische Säuren wie beispielsweise Ameisensäure, Essigsäure oder Gemische davon umfassen. Der Elektrolyt kann auch eine basische wässrige Lösung umfassen mit beispielsweise Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxidlaugen wie Natronlauge, Kalilauge oder Kalkwasser. Durch die Verwendung eines Elektrolyten kann die wasserstoffbildende Reaktion beschleunigt werden. Auch die Anwesenheit eines Katalysators wie z. B. Platin kann zu einer Beschleunigung der Reaktion führen. Gegebenenfalls kann dem Elektrolyten oder dem Wasser auch Frostschutzmittel beigemischt werden, um ein Einfrieren bei tiefen Temperaturen zu verhindern.The light-driven, preferably sunlight-driven, hydrogen production can be from water or other aqueous solution-based electrolyte. Here, in addition to water as the electrolyte, for example, a neutral, acidic or basic solution can be used. Thus, the electrolyte may comprise a solution of the alkali or alkaline earth metal salts of sulfuric or nitric acid or organic acids such as formic acid, acetic acid or mixtures thereof. The electrolyte may also comprise a basic aqueous solution with, for example, alkali or alkaline earth metal hydroxide solutions such as caustic soda, potassium hydroxide or lime water. By using an electrolyte, the hydrogen forming reaction can be accelerated. The presence of a catalyst such. B. Platinum can lead to an acceleration of the reaction. Optionally, the electrolyte or water antifreeze can be added to prevent freezing at low temperatures.

Die photoelektrische Zelleinheit umfasst im Wesentlichen die Schichtanordnung einer nach dem Stand der Technik bekannten Solarzelle mit Substrat, erster elektrischer Kontaktschicht, Halbleiterschicht sowie zweiter elektrischer Kontaktschicht. Geeignet sind insbesondere Dünnschichtsolarzellen aus Silizium/ Siliziumlegierungen, CIGS oder CdTe. Die einzelnen Solarzellen sind dabei vorteilhaft serienverschaltet. Geeignet sind in der Regel jegliche nach dem Stand der Technik bekannten Schichtanordnungen von Dünnschichtsolarzellen oder Stapelsolarzellen. Durch die Serienverschaltung der einzelnen Solarzellen kann die mindestens erforderliche Spannung zur Spaltung von Wasser erzeugt werden. Weiterhin können hierdurch die elektrischen Verluste in den Kontaktschichten reduziert werden, was besonders dann von Bedeutung ist, wenn Solarzellen auf großen Flächen von beispielsweise mehr als 1 cm2 serienverschaltet werden sollen.The photoelectric cell unit essentially comprises the layer arrangement of a prior art known solar cell with substrate, first electrical contact layer, semiconductor layer and second electrical contact layer. Particularly suitable are thin-film solar cells made of silicon / silicon alloys, CIGS or CdTe. The individual solar cells are advantageously connected in series. In general, any layer arrangements of thin-film solar cells or stacked solar cells known from the prior art are suitable. Due to the series connection of the individual solar cells, the minimum required voltage for splitting water can be generated. Furthermore, as a result, the electrical losses in the contact layers can be reduced, which is particularly important when solar cells are to be connected in series on large areas of, for example, more than 1 cm 2 .

Die elektrochemische Zelleinheit umfasst wenigstens eine Elektrodenstruktur (mit wenigstens einer Anode und einer Kathode), wenigstens eine mit Wasser oder mit einem wässrigen Elektrolyten gefüllte Elektrolytkammer, Reaktionsräume über den Anoden und Kathoden, in denen die jeweiligen Elektrolyseprodukte gebildet werden und wobei diese Reaktionsräume Separatoren zur Trennung der entstehenden Elektrolysegase (vorzugsweise Wasserstoff und Sauerstoff) aufweisen.The electrochemical cell unit comprises at least one electrode structure (having at least one anode and one cathode), at least one electrolyte chamber filled with water or an aqueous electrolyte, reaction spaces over the anodes and cathodes in which the respective electrolysis products are formed, and these reaction spaces are separators for separation the resulting electrolysis gases (preferably hydrogen and oxygen) have.

Die photoelektrochemische Zelle sollte wenigstens eine, vorzugsweise zwei Gasauslassöffnungen, für die gebildeten Produktgase aufweisen. Vorteilhaft weist die elektrochemische Zelleinheit wenigstens ein Leitungssystem (bevorzugt auf der Rückabdeckung angeordnet) für die Zuleitung/Ableitung von Wasser /wässrigem Elektrolyt, Wasserstoff und Sauerstoff auf.The photoelectrochemical cell should have at least one, preferably two, gas outlet openings for the product gases formed. Advantageously, the electrochemical cell unit has at least one line system (preferably arranged on the rear cover) for the supply / discharge of water / aqueous electrolyte, hydrogen and oxygen.

Alle an der Wasserspaltung betriebenen Elektroden sind auf einer Seite, innerhalb derselben Ebene in nahezu frei wählbaren Größen angebracht. Hierdurch kann das nach dem Stand der Technik bekannte Problem der begrenzten lonenleitfähigkeit gelöst werden.All electrodes operated on the water splitting are mounted on one side within the same plane in almost arbitrary sizes. As a result, the problem of the limited ion conductivity known from the prior art can be solved.

Zwischen der photoelektrischen und der elektrochemischen Zelleinheit ist eine Isolatorschicht mit Durchgängen angeordnet. Diese Isolatorschicht dient dazu, die Halbleiterschichten und auch die elektrischen Schichten der photoelektrischen Zelleinheit vor einer Korrosion durch den Elektrolyten zu schützen sowie einen Kurzschluss der photoelektrischen Zelleinheit durch Kontakt mit den Anoden/ Kathoden zu unterbinden. Die Isolatorschicht kann aus einem transparenten Material wie zum Beispiel aus Glas oder auch aus einem intransparenten Material wie beispielsweise einem säurebeständigen Kunststoff bestehen. Die Materialauswahl richtet sich dabei vorzugsweise danach, ob die photoelektrische Zelleinheit eine Superstrat- oder Substratanordnung aufweist.Between the photoelectric and the electrochemical cell unit, an insulator layer is arranged with passages. This insulator layer serves to protect the semiconductor layers and also the electrical layers of the photoelectric cell unit from corrosion by the electrolyte and to prevent a short circuit of the photoelectric cell unit by contact with the anode / cathodes. The insulator layer can be made of a transparent material such as glass or of an opaque material such as an acid-resistant plastic. The choice of material preferably depends on whether the photoelectric cell unit has a superstrate or substrate arrangement.

Die photoelektrische Zelleinheit ist in vorteilhafter Weise auf der lichtzugewandten Seite des Schichtaufbaus der PEZ angeordnet. Dadurch werden die Absorptionseigenschaften und die Effizienz der photoelektrischen Zelleinheit nicht durch Wasser oder einen wässrigen Elektrolyten beeinflusst. The photoelectric cell unit is advantageously arranged on the light-facing side of the layer structure of the PEZ. Thereby, the absorption properties and the efficiency of the photoelectric cell unit are not affected by water or an aqueous electrolyte.

Die elektrochemische Zelleinheit ist in vorteilhafter Weise daher auf der lichtabgewandten Seite des Schichtaufbaus der PEZ angeordnet.The electrochemical cell unit is therefore advantageously arranged on the light side facing away from the layer structure of the PEZ.

Die photoelektrische und die elektrochemische Zelleinheit sind erfindungsgemäß in einen gemeinsamen Schichtaufbau integriert und bilden zusammen die photoelektrochemische Zelle (PEZ). Dadurch kann innerhalb des gemeinsamen Schichtaufbaus vorteilhaft eine Abstimmung und Optimierung der Eigenschaften, beispielsweise der Elektrolyten, des Ladungstransfers und der Energieübertragung zwischen der photoelektrischen Zelleinheit und der elektrochemischen Zelleinheit vorgenommen werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine Aufskalierung, d.h. Vergrößerung der Zellfläche der PEZ erfolgen soll, da hier dann beide Zelleinheiten gemeinsam innerhalb des integrierten Schichtaufbaus, entsprechend aufeinander abgestimmt und optimiert, aufskaliert werden können. Die PEZ kann daher in beide Raumrichtungen entlang der Solarzellenfläche beliebig vervielfältigt werden, ohne eine Erhöhung der Leistungsverluste nach sich zu ziehen.The photoelectric and the electrochemical cell unit are integrated according to the invention in a common layer structure and together form the photoelectrochemical cell (PEZ). As a result, tuning and optimization of the properties, for example of the electrolytes, of the charge transfer and of the energy transfer between the photoelectric cell unit and the electrochemical cell unit can advantageously be carried out within the common layer structure. This is particularly advantageous when scaling up, i. Enlarge the cell surface of the PEZ should be done, since here then both cell units can be scaled together within the integrated layer structure, corresponding to each other and optimized, scaled up. The PEZ can therefore be randomly multiplied in both spatial directions along the solar cell surface without entailing an increase in the power losses.

Die photoelektrische Zelleinheit und die elektrochemische Zelleinheit grenzen, nur getrennt durch eine Isolatorschicht, direkt aneinander, sind aber an dieser Grenzfläche zur Isolatorschicht hin miteinander elektrisch leitend über Durchgänge kontaktiert, d.h. ein Ladungstransfer kann durch diese Durchgänge stattfinden. Durch diese räumliche Nähe der photoelektrischen Zelleinheit und der elektrochemischen Zelleinheit können vorteilhaft ein Ladungstransfer und eine Energieübertragung mit, gegenüber dem Stand der Technik bekannten, geringeren Ladungsverlusten stattfinden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die PEZ aufskaliert werden soll, da sich der räumliche Abstand der Zelleinheit und der elektrochemischen Zelleinheit bei einer flächenbezogenen Aufskalierung bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung nicht ändern wird.The photoelectric cell unit and the electrochemical cell unit directly adjoin one another, but only separated by an insulator layer, but are electrically conductively connected to each other at the interface with the insulator layer, i.e., through holes. Charge transfer can take place through these passages. As a result of this spatial proximity of the photoelectric cell unit and the electrochemical cell unit, charge transfer and energy transfer can advantageously take place with lower charge losses known in comparison with the prior art. This is particularly advantageous if the PEZ is to be scaled up, since the spatial distance between the cell unit and the electrochemical cell unit will not change in a surface-related scaling up in this arrangement according to the invention.

Durch die Trennung der photoelektrischen Zelleinheit auf der lichtzugewandten Seite und der elektrochemischen Zelleinheit auf der lichtabgewandten Seite wird es möglich, dass beide Zelleinheiten auf ihre jeweiligen Anforderungen hin optimiert werden können. Dies ist auf der Lichtseite beispielsweise ein möglichst optimales Lichtmanagement, so dass ein Maximum an optischer Leistung in die Solarzelle eingekoppelt und in dieser gefangen gehalten werden kann. Auf der Elektrolytseite hingegen müssen beispielsweise die für die elektrochemische Wasserspaltung verantwortlichen Elektroden optimiert werden und beispielsweise die Geometrie der Elektroden auf die Erfordernisse der Wasserspaltung hin optimiert werden.By separating the photoelectric cell unit on the light-facing side and the electrochemical cell unit on the light-remote side, it is possible that both cell units can be optimized to their respective requirements. For example, this is the best possible light management on the light side, so that a maximum of optical power can be coupled into the solar cell and held captive in it. On the other hand, on the electrolyte side, for example, the electrodes responsible for the electrochemical water splitting have to be optimized and, for example, the geometry of the electrodes has to be optimized to the requirements of water splitting.

Die Anoden und Kathoden der elektrochemischen Zelleinheit sind jeweils alternierend, parallel nebeneinander, innerhalb einer Ebene angeordnet, ohne jeweils untereinander flächig kontaktiert zu sein. Dabei können die Anodenflächen/Kathodenflächen beispielsweise eine rechteckige Grundfläche aufweisen und können untereinander, beispielsweise jeweils durch Gräben, im Folgenden auch als Freiräume bezeichnet, voneinander getrennt sein. So werden beispielsweise jeweils Anodenstreifen und Kathodenstreifen nebeneinander aufgebracht, zwischen denen sich Freiräume/Gräben befinden, so dass kein direkter flächiger Kontakt zwischen den Anoden und Kathoden entsteht. Die Elektroden stehen jeweils in direktem Kontakt mit dem Wasser oder mit dem aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten, vorzugsweise direkt in der Elektrolytkammer. Durch diese vorteilhafte räumlich nahe Anordnung von Anoden und Kathoden zueinander müssen die Ladungsträger/Ionen im Elektrolyten nur kurze Wege zurücklegen, wodurch ein Ladungsträgerverlust vorteilhaft gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Verlusten reduziert werden kann. Weiterhin vorteilhaft ist diese räumliche Nähe von Anoden und Kathoden zueinander sowie die räumliche Nähe zwischen photoelektrischer Zelleinheit und elektrochemischer Zelleinheit auch für den Ladungsträgertransport in den Solarzellenschichten, da auch hier Ladungsträgerverluste durch die vorteilhafte räumliche Nähe reduziert werden können.The anodes and cathodes of the electrochemical cell unit are each arranged alternately, parallel next to one another, within a plane, without being in contact with each other in a planar manner. In this case, the anode surfaces / cathode surfaces may, for example, have a rectangular base surface and may be mutually separated from one another, for example in each case by trenches, hereinafter also referred to as free spaces. Thus, for example, each anode strips and cathode strips are applied side by side, between which there are free spaces / trenches, so that no direct area contact between the anodes and cathodes is formed. Each of the electrodes is in direct contact with the water or with another of the aqueous solution-based electrolytes, preferably directly in the electrolyte chamber. As a result of this advantageous spatially close arrangement of anodes and cathodes to one another, the charge carriers / ions only have to cover short paths in the electrolyte, as a result of which a charge carrier loss can be advantageously reduced in comparison to the losses known from the prior art. Furthermore, this spatial proximity of anodes and cathodes to each other as well as the spatial proximity between the photoelectric cell unit and the electrochemical cell unit is also advantageous for the transport of charge carriers in the solar cell layers, since here too, carrier losses can be reduced by the advantageous spatial proximity.

Der Ladungstransfer zwischen der photoelektrischen Zelleinheit und der elektrochemischen Zelleinheit erfolgt durch in der Isolatorschicht speziell dafür vorgesehene Durchgänge, die einen vorteilhaft schnellen und räumlich kurzen Ladungstransport zwischen der photoelektrischen Zelleinheit und den jeweiligen Elektroden ermöglichen.The charge transfer between the photoelectric cell unit and the electrochemical cell unit is effected by passages specially provided in the insulator layer, which enable advantageously fast and spatially short charge transport between the photoelectric cell unit and the respective electrodes.

Im Folgenden sollen beispielhaft mögliche geeignete photoelektrische Schichtanordnungen sowie mögliche geeignete PEZ beschrieben werden.In the following, possible suitable photoelectric layer arrangements as well as possible suitable PEZ will be described by way of example.

Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten 1 bis 8 näher erläutert ohne, dass hierdurch eine Einschränkung der Erfindung vorgesehen ist.In addition, the invention with reference to embodiments and the accompanying 1 to 8th explained in more detail without this being a limitation of the invention is provided.

Es zeigen:

  • 1 bis 8: Erfindungsgemäße Photoelektrochemische Zellen (PEZ) in Substrat- oder Superstratanordnung sowie mögliches Verfahren zur Herstellung geeigneter Schichtanordnungen der Zelleinheiten.
Show it:
  • 1 to 8th Photoelectrochemical cells (PEZ) according to the invention in substrate or superstrate arrangement as well as possible process for producing suitable layer arrangements of the cell units.

1 zeigt beispielhaft die Anordnung und Strukturierung der photoelektrischen Zelleinheit 2 sowie das Aufbringen der Isolatorschicht 7 und der Elektroden 8 und 9, bei der die photoelektrische Zelleinheit 2 eine Superstratanordnung aufweist. 1 shows by way of example the arrangement and structuring of the photoelectric cell unit 2 and the application of the insulator layer 7 and the electrodes 8th and 9 in which the photoelectric cell unit 2 a superstrat arrangement.

Auf der Frontabdeckung 14, die im Fall der Superstratanordnung allgemein auch als Superstrat bezeichnet werden kann, wird eine erste elektrische Kontaktschicht 4 (Frontkontakt) angeordnet (1a). Dazu können alle nach dem Stand der Technik bekannten Superstrate wie z.B. die in der (Dünnschicht-) Solarzellentechnologie gebräuchlichen Superstrate eingesetzt werden. Hierzu zählen beispielsweise Glassubstrate (Glasplatten mit oder ohne nicht-leitfähigen Zwischenschichten auf der Oberfläche) oder auch transparente Folien.On the front cover 14 , which in the case of the superstrate arrangement can also be generally referred to as a superstrate, becomes a first electrical contact layer 4 (Front contact) arranged ( 1a) , For this purpose, it is possible to use all superstrate materials known from the prior art, such as, for example, the superstrate common in (thin-film) solar cell technology. These include, for example, glass substrates (glass plates with or without non-conductive intermediate layers on the surface) or transparent films.

Als erste elektrische Kontaktschicht 4 (Frontkontakt) kommen insbesondere Materialien wie z. B. ZnO-, SnO2- oder ITO-Schichten in Betracht.As the first electrical contact layer 4 (Front contact) come in particular materials such. As ZnO, SnO 2 - or ITO layers into consideration.

Es werden sodann eine Mehrzahl parallel angeordneter Gräben I zur Ausbildung und Trennung einer hierzu entsprechenden Mehrzahl streifenförmiger photovoltaischer Elemente (A, B, C...), im Folgenden synonym auch als Zellstreifen bezeichnet, gebildet (1b). Dieser Schritt wird als Strukturierungsschritt P1 bezeichnet und ist ein allgemein nach dem Stand der Technik bekannter Strukturierungsschritt für die integrierte Serienverschaltung von Solarmodulen. Durch die Serienverschaltung werden die im Modul entstehenden elektrischen Verluste minimiert. In einem üblicherweise 3-stufigen Strukturierungsprozess werden die einzelnen Schichten eines Solarmoduls, transparent leitfähige Oxidschicht, Siliziumabsorber und Metallrückkontakt, nach deren jeweiliger Deposition gezielt unterbrochen, so dass am Ende eine Serienverschaltung einzelner Solarzellen entsteht. Das Stromniveau in den leitenden Schichten wird hierdurch reduziert und die ohmschen Verluste in den Kontaktschichten nehmen ab.A plurality of parallelly arranged trenches I are then formed for the purpose of forming and separating a corresponding plurality of strip-shaped photovoltaic elements (A, B, C...), Hereinafter synonymously also referred to as cell strips ( 1b) , This step is called structuring step P1 and is a well-known in the prior art structuring step for the integrated series connection of solar modules. Series connection minimizes the electrical losses in the module. In a usually 3-stage structuring process, the individual layers of a solar module, transparent conductive oxide layer, silicon absorber and metal back contact, selectively interrupted after their respective deposition, so that at the end of series connection of individual solar cells. The current level in the conductive layers is thereby reduced and the ohmic losses in the contact layers decrease.

Die Ausbildung der Gräben I kann mittels geeigneter Wahl an Lasern mit verschiedenen Wellenlängen und in Abhängigkeit der zu entfernenden Materialien selektiv vollzogen werden. In den Gräben wird das Material der ersten elektrischen Kontaktschicht 4 (in diesem Fall des Frontkontakts) entfernt und dadurch jeweils die Oberfläche des Substrats 14 (allgemein Frontabdeckung 14) freigelegt.The formation of the trenches I can be carried out selectively by means of a suitable choice of lasers with different wavelengths and depending on the materials to be removed. In the trenches, the material becomes the first electrical contact layer 4 (in this case the front contact) and thereby removes the surface of the substrate 14 (general front cover 14 ) exposed.

Die Gräben werden wie folgt hergestellt:The trenches are made as follows:

In den Gräben wird die Oberfläche des Superstrats/der Frontabdeckung 14 über die Länge der photovoltaischen Elemente z. B. streifenförmig freigelegt.In the trenches the surface of the superstrat / front cover becomes 14 over the length of the photovoltaic elements z. B. exposed in a strip.

Anschließend werden auf der ersten elektrischen Kontaktschicht 4/ dem Frontkontakt aktive Halbleiterschichten 5, insbesondere p-n-, n-p, p-i-n- oder p-i-n-p-i-n- oder entsprechende n-i-p-Strukturen, übereinander ganzflächig angeordnet (1c).Subsequently, on the first electrical contact layer 4 / the front contact active semiconductor layers 5 , especially pn - np . pin code - or pinpin - or corresponding nip structures, one over the other over the entire surface ( 1c) ,

Als p-i-n-Struktur wird beispielsweise eine Struktur aus amorphem Silizium verwendet. Als p-i-n-p-i-n-Struktur kommt beispielsweise eine Struktur aus amorphem Silizium und mikrokristallinem Silizium in Betracht. Diese Halbleiterschichten 5 werden in weiteren Strukturierungsschritten P2a, P2b ebenfalls mit einer Mehrzahl an parallel angeordneten Gräben IIa, IIb versehen (1d).As a pin structure, for example, an amorphous silicon structure is used. As a pinpin structure, for example, a structure of amorphous silicon and microcrystalline silicon comes into consideration. These semiconductor layers 5 will be in further structuring steps P2a . P2b also with a plurality of parallel trenches IIa . IIb Mistake ( 1d) ,

In den Strukturierungsschritten P2a und P2b werden parallel angeordnete Gräben IIa, IIb gebildet, in dem Halbleitermaterial 5 so weit entfernt wird, dass über die Länge der photovoltaischen Elemente/ der Zellstreifen die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 4/des Frontkontakts z.B. streifenförmig freigelegt wird.In the structuring steps P2a and P2b become parallel trenches IIa . IIb formed in the semiconductor material 5 is removed so far that over the length of the photovoltaic elements / cell strips the surface of the first electrical contact layer 4 / the front contact is exposed, for example, strip-shaped.

Der Strukturierungsschritt P2a findet beispielsweise parallel, nahe neben, alternierend jeweils einmal rechts und links, zu dem durch den Strukturierungsschritt P1 erzeugten Graben I statt, so dass weitere Gräben IIa gebildet werden. Durch den Strukturierungsschritt P2a kann über die Gräben IIa nachfolgend die Serienverschaltung der einzelnen Solarzellen untereinander erfolgen.The structuring step P2a finds, for example, parallel, next to, alternating once each right and left, to which by the structuring step P1 created trench I instead, leaving more trenches IIa be formed. Through the structuring step P2a can over the trenches IIa Subsequently, the series connection of the individual solar cells with each other.

Im Strukturierungsschritt P2b wird ein weiterer Graben IIb zur Kontaktierung der ersten elektrischen Kontaktschicht 4 mit den nachfolgend darüber anzuordnenden Elektroden (Anoden/Kathoden) ermöglicht. Auch hier wird die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht/des Frontkontakts 4 z.B. streifenförmig freigelegt. Die P2b Strukturierung erfolgt dabei beispielsweise in der Mitte des jeweils durch die Strukturierung P1 entstandenen Zellstreifens. Dabei erfolgt die P2b Strukturierung nicht für jeden Zellstreifen, sondern, je nach Spannung, alternierend immer für beispielsweise jeden zweiten Zellstreifen (z. B.: B, D, ...), in jedem Fall jedoch jeweils dort, wo ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Kontaktschicht der Solarzelle mit der entsprechenden Elektrode (d. h. entweder jeweils dort, wo Anoden oder dort, wo jeweils Kathoden angeordnet werden) stattfinden soll.In the structuring step P2b will be another ditch IIb for contacting the first electrical contact layer 4 with the subsequently arranged electrodes (anodes / cathodes) allows. Again, the surface of the first electrical contact layer / the front contact 4 eg exposed in stripes. The P2b Structuring takes place, for example, in the middle of each by the structuring P1 resulting cell strip. In doing so, the P2b Structuring not for each cell strip, but, depending on the voltage, alternating always for example, every second cell strip (eg: B, D, ...), but in each case in each case where an electrical contact between the electrical contact layer Solar cell with the corresponding electrode (ie, either where anodes or where each cathode is arranged to take place).

In einem weiteren Schritt wird auf den aktiven Halbleiterschichten 5 eine zweite elektrische Kontaktschicht /der Rückkontakt 6 angeordnet (1e). Dadurch wird eine Zelleinheit, umfassend ein Superstrat, mit oder ohne eine nicht-leitfähige Zwischenschicht, eine hierauf angeordnete erste elektrische Kontaktschicht 4, eine hierauf angeordnete Halbleiterstruktur 5 sowie eine hierauf angeordnete zweite elektrische Kontaktschicht 6 bereitgestellt.In a further step, on the active semiconductor layers 5 a second electrical contact layer / the back contact 6 arranged ( 1e) , Thereby, a cell unit, comprising a superstrate, with or without a non-conductive intermediate layer, a first electrical contact layer arranged thereon 4 , a semiconductor structure arranged thereon 5 and a second electrical contact layer arranged thereon 6 provided.

Zur Abscheidung kann beispielsweise ein PECVD-Verfahren oder Sputterverfahren oder Photo-CVD- oder HWCVD- oder ein vergleichbares Verfahren genutzt werden. For deposition, for example, a PECVD method or sputtering method or photo-CVD or HWCVD or a similar method can be used.

Die parallel angeordneten Gräben I unterteilen die Zelleinheit in eine entsprechende Mehrzahl parallel angeordneter z. B. streifenförmiger photovoltaischer Elemente/Zellstreifen. Jedes photovoltaische Element umfasst die Schichtenfolge aus Superstrat, gegebenenfalls Zwischenschicht, erster elektrischer Kontaktschicht 4/Frontkontakt, aktiver Halbleiterschichten 5 sowie zweiter elektrischer Kontaktschicht 6/Rückkontakt. Die photovoltaischen Elemente liegen entsprechend der Strukturierungen parallel nebeneinander vor.The parallel trenches I divide the cell unit into a corresponding plurality of parallel z. B. strip-shaped photovoltaic elements / cell strips. Each photovoltaic element comprises the layer sequence of superstrate, optionally intermediate layer, first electrical contact layer 4 / Front contact, active semiconductor layers 5 and second electrical contact layer 6 / Back contact. The photovoltaic elements are parallel next to each other in accordance with the structuring.

In weiteren Strukturierungsschritten P3a und P3b werden weitere parallel angeordnete Gräben IIIa, IIIb gebildet, in dem Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht/Rückkontaktschicht 6 und Halbleitermaterial 5 so weit entfernt wird, dass über die Länge der photovoltaischen Elemente die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht/Frontkontaktschicht 4 z. B. streifenförmig freigelegt wird (1f).In further structuring steps P3a and P3b become more parallel trenches IIIa . IIIb formed in the material of the second electrical contact layer / back contact layer 6 and semiconductor material 5 is removed so far that over the length of the photovoltaic elements, the surface of the first electrical contact layer / front contact layer 4 z. B. is exposed in strips ( 1f) ,

Der Strukturierungsschritt P3a erfolgt beispielsweise parallel, nahe neben, jeweils alternierend rechts oder links, zum zweiten Strukturierungsschritt P2a.The structuring step P3a takes place, for example, in parallel, next to, respectively alternately right or left, for the second structuring step P2a ,

Der Strukturierungsschritt P3b erfolgt jeweils parallel, sowohl nahe rechts als auch nahe links zum Strukturierungsschritt P2b.The structuring step P3b takes place in parallel, both near right and near left to structuring step P2b ,

Sowohl der Strukturierungsschritt P3a als auch P3b dienen der elektrischen Isolation der Rückkontaktschicht 6 von der Frontkontaktschicht 4 innerhalb eines photovoltaischen Elements und damit der Verhinderung von Kurzschlüssen.Both the structuring step P3a as well as P3b serve the electrical insulation of the back contact layer 6 from the front contact layer 4 within a photovoltaic element and thus the prevention of short circuits.

Das Verfahren sieht bei der Superstratkonfiguration vor, sodann eine Isolatorschicht 7 ganzflächig anzuordnen, so dass das Isolatormaterial sowohl die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 6 bedeckt, als auch die Gräben lila, IIIb, die durch den Strukturierungsschritt P3a, P3b entstanden sind (1g). Das Aufbringen der Isolatorschicht 7 kann z. B. durch Sprühen oder vorzugsweise durch einen Tintenstrahldrucker erfolgen. Die Isolatorschicht 7 kann auch photolithographisch angeordnet werden. Der Drucker kann computergesteuert das gesamte Verfahren weiter beschleunigen. Die Isolatorschicht 7 wird nun gemäß Strukturierungsschritt P4a, P4b an den Stellen, an denen im nachfolgenden Verfahrensschritt die Kathoden 9 und Anoden 8 aufgebracht werden, mit Durchgängen 16 (a/b) versehen (1g).The method is for the superstrate configuration, then an insulator layer 7 to arrange over the entire surface, so that the insulator material both the surface of the second electrical contact layer 6 covered, as well as the trenches purple, IIIb through the structuring step P3a . P3b have arisen ( 1g) , The application of the insulator layer 7 can z. B. by spraying or preferably by an ink jet printer. The insulator layer 7 can also be arranged photolithographically. The printer can computer-accelerate the entire process further. The insulator layer 7 will now according to structuring step P4a . p4b at the locations where the cathodes in the subsequent process step 9 and anodes 8th be applied, with passages 16 (a / b) provided ( 1g) ,

Die Anordnung der Durchgänge 16 gemäß P4a, P4b kann beispielsweise so erfolgen, dass parallel angeordnete grabenartige Durchgänge 16 (a/b) gebildet werden, in dem Material der Isolatorschicht 7 so weit entfernt wird, dass über die Länge der photovoltaischen Elemente die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 6 z. B. streifenförmig freigelegt wird. In einer weiteren möglichen Ausführung kann das Material der Isolatorschicht 7 auch so weit entfernt werden, dass jeweils Teilbereiche oder die gesamte Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 6, innerhalb des Bereichs, der sich jeweils oberhalb eines photovoltaischen Elements befindet, über die Länge freigelegt wird.The arrangement of passages 16 according to P4a . p4b For example, can be done so that parallel trench-like passages 16 (a / b) are formed in the material of the insulator layer 7 is removed so far that over the length of the photovoltaic elements, the surface of the second electrical contact layer 6 z. B. is exposed in strip form. In a further possible embodiment, the material of the insulator layer 7 be so far away that each subregions or the entire surface of the second electrical contact layer 6 , is exposed over the length within the area located above each photovoltaic element.

So befinden sich die Durchgänge 16b zu den Anoden 8 beispielsweise in dem Bereich des Zellstreifens, der durch die Strukturierungsschritte P3b begrenzt wird. Die Durchgänge 16a für beispielsweise die Kathoden 9 sind, vorzugsweise mittig, jeweils zwischen den durch die Strukturierungsschritte P3a innerhalb eines Zellstreifens erzeugten Gräben IIIa angeordnet. Die Anordnung der Elektroden oberhalb der Durchgänge 16 ist von der Anordnung/Dotierung der sich darunter befindenden Halbleiterschicht 5 abhängig. Grenzt beispielsweise eine p-dotierte Schicht der Halbleiterschicht 5 an die elektrische Kontaktschicht/den Rückkontakt 6, so wird oberhalb des Durchgangs 16 in der elektrochemischen Zelleinheit 2 eine Anode 8 aufgebracht. Grenzt eine n-dotierte Schicht der Halbleiterschicht 5 an die elektrische Kontaktschicht/den Rückkontakt 6, so wird oberhalb des Durchgangs 16 in der elektrochemischen Zelleinheit eine Kathode aufgebracht.So are the passages 16b to the anodes 8th For example, in the area of the cell strip, which through the structuring steps P3b is limited. The passages 16a for example, the cathodes 9 are, preferably in the middle, between each through the structuring steps P3a Trenches generated within a cell strip IIIa arranged. The arrangement of the electrodes above the passageways 16 is of the arrangement / doping of the underlying semiconductor layer 5 dependent. For example, limits a p-doped layer of the semiconductor layer 5 to the electrical contact layer / the back contact 6 so will be above the passage 16 in the electrochemical cell unit 2 an anode 8th applied. Limits an n-doped layer of the semiconductor layer 5 to the electrical contact layer / the back contact 6 so will be above the passage 16 applied in the electrochemical cell unit, a cathode.

Diese Durchgänge 16 dienen dem späteren Ladungstransfer zwischen der photoelektrischen Zelleinheit 2 und der elektrochemischen Zelleinheit 3. So können die Elektronen beispielsweise von der Anode 8 durch den jeweiligen Durchgang 16 in der Isolatorschicht 7 zur ersten elektrischen Kontaktschicht 4 wandern und von dort aus über die zweite elektrische Kontaktschicht 6 in den benachbarten Zellstreifen und durch den dort jeweils angeordneten Durchgang 16 in der Isolatorschicht 7 zur dort angeordneten Kathode 9.These passages 16 serve the later charge transfer between the photoelectric cell unit 2 and the electrochemical cell unit 3 , For example, the electrons can be from the anode 8th through the respective passage 16 in the insulator layer 7 to the first electrical contact layer 4 wander and from there via the second electrical contact layer 6 in the neighboring cell strips and through the respective passage arranged there 16 in the insulator layer 7 to the arranged there cathode 9 ,

Auf die Isolatorschicht 7 werden nachfolgend die Elektroden angeordnet (1h). Diese werden bevorzugt streifenartig aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen, Sputtern, elektrochemisch oder vorzugsweise durch einen Tintenstrahldrucker. Die Elektroden weisen beispielsweise eine rechteckige oder quadratische Grundfläche auf.On the insulator layer 7 Subsequently, the electrodes are arranged ( 1h) , These are preferably applied in strips, for example by vapor deposition, sputtering, electrochemical or preferably by an inkjet printer. The electrodes have, for example, a rectangular or square base.

Es wird eine Mehrzahl parallel angeordneter Gräben zur Ausbildung und Trennung einer hierzu entsprechenden Mehrzahl streifenförmiger Elektroden gebildet, so dass die Anoden 8 und Kathoden 9 selbst nicht flächig miteinander kontaktiert sind. Zur Erzeugung von Freiräumen/Gräben zwischen Anode und Kathode kann beispielsweise das nach dem Stand der Technik bekannte Lift-Off Verfahren verwendet werden oder die Gräben können mittels Verwendung der nach dem Stand der Technik bekannten Maskentechnologie erzeugt werden.A plurality of parallel trenches for forming and separating a corresponding plurality of strip-shaped electrodes is formed so that the anodes 8th and cathodes 9 not even contacted with each other flatly. to For example, creation of free spaces / trenches between the anode and the cathode may employ the lift-off technique known in the art, or the trenches may be formed using the mask technology known in the art.

Die Anoden 8/ Kathoden 9 bestehen aus leitfähigem Material, wie beispielsweise Platin, Nickel, Kobalt, Iridiumoxid, Rutheniumoxid oder Cobalt-Phosphat.The anodes 8th / Cathodes 9 consist of conductive material, such as platinum, nickel, cobalt, iridium oxide, ruthenium oxide or cobalt phosphate.

Die Elektrodenflächen mit der Isolatorschicht 7 und der Schichtstruktur der photoelektrischen Zelleinheit 2 werden innerhalb einer Elektrolytkammer 10 mit dem entsprechenden Elektrolyten 11 angeordnet.The electrode surfaces with the insulator layer 7 and the layer structure of the photoelectric cell unit 2 be inside an electrolyte chamber 10 with the appropriate electrolyte 11 arranged.

2 zeigt eine mögliche bevorzugte Ausführungsform einer photoelektrochemischen Zelle 1 mit einer photoelektrischen Zelleinheit 2 und einer elektrochemischen Zelleinheit 3, die in einem gemeinsamen Schichtaufbau integriert sind. Die photoelektrische Zelleinheit 2 weist in diesem Beispiel eine Superstratkonfiguration auf. 2 shows a possible preferred embodiment of a photoelectrochemical cell 1 with a photoelectric cell unit 2 and an electrochemical cell unit 3 , which are integrated in a common layer structure. The photoelectric cell unit 2 has a superstrate configuration in this example.

2 zeigt eine photoelektrochemische Zelle 1, die eine photoelektrische Zelleinheit 2 und eine elektrochemische Zelleinheit 3 aufweist. Mit der photoelektrochemischen Zelle 1 kann eine lichtgetriebene Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser oder aus einem anderen auf wässriger Lösung basierenden Elektrolyten 11, der sich in einer Elektrolytkammer 10 befindet, realisiert werden. Die photoelektrische Zelleinheit 2 mit mehreren in Serie verschalteten einzelnen Solarmodulen, in 2 als Superstratkonfiguration dargestellt, umfasst im wesentlichen einen Schichtaufbau wenigstens einer Solarzelle mit einer ersten elektrischen Kontaktschicht 4, je nach Konfiguration auch als Frontkontakt bezeichnet, einer Halbleiterschicht 5 sowie einer zweiten elektrischen Kontaktschicht 6, auch als Rückkontakt bezeichnet. 2 shows a photoelectrochemical cell 1 , which is a photoelectric cell unit 2 and an electrochemical cell unit 3 having. With the photoelectrochemical cell 1 For example, light-driven generation of hydrogen and oxygen from water or from other aqueous solution-based electrolytes 11 who is in an electrolyte chamber 10 is realized. The photoelectric cell unit 2 with several solar modules interconnected in series, in 2 shown as superstrate configuration, essentially comprises a layer structure of at least one solar cell having a first electrical contact layer 4 , also referred to as a front contact, depending on the configuration, of a semiconductor layer 5 and a second electrical contact layer 6 , also referred to as back contact.

Die elektrochemische Zelleinheit 3 umfasst eine Schichtanordnung aus Anoden 8 und Kathoden 9, wenigstens eine Elektrolytkammer 10, gefüllt mit Elektrolyt 11, sowie Separatoren 12 zur getrennten Ableitung der entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Erfindungsgemäß sind die Kathoden 9 und Anoden 8 innerhalb einer Schichtebene alternierend nebeneinander auf der Zelleinheit der photoelektrischen Zelleinheit 2 in einer Ebene angeordnet. Zwischen den Elektroden befindet sich jeweils ein elektrodenfreier Raum/ eine Aussparung oder auch Freiraum. Eine Isolatorschicht 7 (nichtleitende, korrosionshemmende Schicht) ist zwischen der elektrochemischen Zelleinheit 3 und der photoelektrischen Zelleinheit 2 angeordnet und weist jeweils an den Kathoden 9/Anoden 8 wenigstens einen Durchgang 16 für die Übertragung von Ladungsträgern aus der photoelektrischen Schicht 2 zu den Elektroden der elektrochemischen Schicht 3 auf.The electrochemical cell unit 3 comprises a layer arrangement of anodes 8th and cathodes 9 , at least one electrolyte chamber 10 , filled with electrolyte 11 , as well as separators 12 for the separate discharge of the resulting gases hydrogen and oxygen. According to the invention, the cathodes 9 and anodes 8th within a layer plane alternately side by side on the cell unit of the photoelectric cell unit 2 arranged in a plane. Between the electrodes is in each case an electrode-free space / a recess or free space. An insulator layer 7 (non-conductive, corrosion-inhibiting layer) is between the electrochemical cell unit 3 and the photoelectric cell unit 2 arranged and points respectively to the cathodes 9 / Anodes 8 at least one passage 16 for the transfer of charge carriers from the photoelectric layer 2 to the electrodes of the electrochemical layer 3 on.

Innerhalb der Elektrolytkammer 10 befinden sich Separatoren 12, die jeweils über oder in dem elektrodenfreien Raum/den Aussparungen bzw. Freiräumen zwischen den Kathoden 9 bzw. Anoden 8 angeordnet sind, wobei diese Separatoren 12 jeweils oberhalb der Isolatorschicht 7 in den oder oberhalb der Gräben/Freiräume zwischen den Elektroden enden und nicht mit der Isolatorschicht 7 bündig abschließen oder kontaktiert sind, so dass ein Austausch von beispielsweise Wasser/Elektrolyt und Ladungsträgern auch in diesem Bereich über den Gräben/Freiräumen zwischen den Elektroden weiterhin möglich ist. Durch die Separatoren 12 werden Reaktionsräume/Reaktionsbereiche für die jeweilige Reaktion der Elektrolyse oberhalb der jeweiligen Elektroden gebildet. Die Separatoren 12 dienen dazu, dass die durch die Elektrolyse in den Reaktionsräumen oberhalb der jeweiligen Elektroden gebildeten Gase, vorzugsweise Wasserstoff und Sauerstoff, sich nicht über die gesamte Elektrolytkammer 10 ungehindert vermischen können, so dass getrennte Reaktionsbereiche für die Bildung von Wasserstoff im Reaktionsbereich oberhalb bzw. an den Kathodenflächen und für die Bildung von Sauerstoff im Bereich oberhalb bzw. an den Anodenflächen entstehen, aber gleichzeitig eine barrierefreie Verteilung des Elektrolyten erhalten bleibt. Da die PEZ in der Regel senkrecht bzw. in einem schräg nach oben zur Lichtquelle hin ausgerichteten Winkel aufgestellt wird, steigen in Folge des Gasauftriebs auch die Produktgase entlang der Separatoren 12 nach oben und können dort getrennt, vorzugsweise in speziell dafür vorgesehenen Gasauslassöffnungen oder Gasableitungssystemen, abgeführt werden. Die Separatoren 12 sind vorzugsweise an einer Rückabdeckung 13 befestigt und weisen vorzugsweise eine wandähnliche Ausgestaltung auf.Inside the electrolyte chamber 10 there are separators 12 , each above or in the electrode-free space / recesses or spaces between the cathodes 9 or anodes 8th are arranged, these separators 12 each above the insulator layer 7 in the or above the trenches / spaces between the electrodes and not with the insulator layer 7 flush or contacted, so that an exchange of, for example, water / electrolyte and charge carriers in this area over the trenches / spaces between the electrodes is still possible. Through the separators 12 Reaction spaces / reaction areas for each reaction of the electrolysis are formed above the respective electrodes. The separators 12 serve that the gases formed by the electrolysis in the reaction chambers above the respective electrodes, preferably hydrogen and oxygen, not over the entire electrolyte chamber 10 can mix freely, so that separate reaction areas for the formation of hydrogen in the reaction area above or at the cathode surfaces and for the formation of oxygen in the area above or at the anode surfaces arise, but at the same time a barrier-free distribution of the electrolyte is maintained. Since the PEZ is usually positioned vertically or in an angle oriented obliquely upwards to the light source, as a result of the gas buoyancy, the product gases also rise along the separators 12 upwards and can be separated there, preferably in specially provided gas outlet or gas discharge systems discharged. The separators 12 are preferably on a back cover 13 attached and preferably have a wall-like configuration.

Alternativ können die Separatoren 12 jedoch auch im Bereich der Freiräume zwischen den Elektroden auf der Isolatorschicht 7 angeordnet bzw. befestigt sein, wobei in diesem Fall auch hier Durchtrittsbereiche für die Verteilung des flüssigen Elektrolyten verbleiben und zwar dort wo die Separatoren an die Rückabdeckung 13 grenzen, aber hier nicht flüssigkeitsdicht mit dieser abschließen bzw. verbunden sind.Alternatively, the separators 12 but also in the area of the free spaces between the electrodes on the insulator layer 7 be arranged or fixed, in which case passage areas for the distribution of the liquid electrolyte remain here and where the separators to the back cover 13 borders, but here are not liquid-tight with this complete or connected.

Die Separatoren 12 sind so über dem elektrodenfreien Raum/den Aussparungen bzw. Gräben und den Elektroden angeordnet, dass sie einen Elektrolytaustausch und damit auch Ladungsträgeraustausch über die gesamte Elektrolysekammer 10 zulassen, aber den Austausch und die Verteilung der jeweiligen Produktgase außerhalb ihres jeweiligen Reaktionsraums verhindern.The separators 12 are so arranged above the electrode-free space / the recesses or trenches and the electrodes that they exchange electrolyte and thus also charge carrier exchange over the entire electrolysis chamber 10 but prevent the replacement and distribution of the respective product gases outside their respective reaction space.

An die elektrochemische Zelleinheit 3 grenzt eine Rückwand 13, auf der zur Elektrolytkammer 10 gewandten Seite die Separatoren 12 angeordnet sind und auf deren Seite, die von der Elektrolytkammer 10 abgewandt ist, ein Leitungssystem für Wasser/Elektrolyteinlass sowie Wasserstoff-/Sauerstoffauslass angeordnet ist. Wie zuvor schon erläutert, können die Separatoren jedoch auch auf der Isolatorschicht 7 auf dem elektrodenfreien Raum befestigt sein und in der Elektrolytkammer 10 enden, ohne mit der gegenüberliegenden Rückwand 13 verbunden zu sein. To the electrochemical cell unit 3 borders a back wall 13 , on the electrolyte chamber 10 facing side the separators 12 are arranged and on their side, by the electrolyte chamber 10 is remote, a conduit system for water / electrolyte inlet and hydrogen / oxygen outlet is arranged. However, as already explained above, the separators can also be applied to the insulator layer 7 be attached to the electrode-free space and in the electrolyte chamber 10 ends, without the opposite back wall 13 to be connected.

Die photoelektrische Zelleinheit 2 und die elektrochemische Zelleinheit 3 sind erfindungsgemäß zu einer photoelektrochemischen Zelle 1 zusammengefasst. Eine Isolatorschicht 7 zwischen der photoelektrischen Zelleinheit 2 und der elektrochemischen Zelleinheit 3 dient dem Schutz der Halbleiterschichten 5 und der elektrischen Kontaktschichten 4 und 6 vor Korrosion durch den Elektrolyt 11 sowie der elektrischen Isolation.The photoelectric cell unit 2 and the electrochemical cell unit 3 are according to the invention to a photoelectrochemical cell 1 summarized. An insulator layer 7 between the photoelectric cell unit 2 and the electrochemical cell unit 3 serves to protect the semiconductor layers 5 and the electrical contact layers 4 and 6 against corrosion by the electrolyte 11 as well as the electrical insulation.

Durch das Licht, welches durch die Frontabdeckung 14 auf die Halbleiterstrukturen 5 fällt, werden Elektronen-Lochpaare erzeugt, die zur Erzeugung einer Photospannung in den Halbleiterschichten 5 führen. Diese Photospannung wird an die Kathoden 9 bzw. Anoden 8 abgeleitet. Die in der photoelektrischen Zelleinheit 2 erzeugten Ladungsträger bauen dadurch ein Potential zwischen Kathode 9 und Anode 8 auf, wodurch die Wasserstofferzeugungsreaktion angetrieben wird. In der Elektrolytkammer 10 wird daher an der Grenzfläche der Anode 8 mit dem Elektrolyten 11 (Reaktionsraum der Anode) Sauerstoff und an der Grenzfläche der Kathode 9 (Reaktionsraum der Kathode) mit dem Elektrolyten 11 Wasserstoff gebildet. Die zwischen den einzelnen Reaktionsräumen der Anoden 8 und Kathoden 9 angeordneten Separatoren 12 führen dazu, dass es zu keiner oder nur geringfügigen Vermischung der in den jeweiligen Reaktionsräumen gebildeten Gase kommt. Die Gase steigen innerhalb der jeweiligen Reaktionsräume nach oben und werden mit Hilfe von Wasserstoff/Sauer-stoffauslasssystemen abgeleitet. In einer vorteilhaften Ausführung der photoelektrochemischen Zelle 1 kann zusätzlich zu den jeweiligen Separatoren 12 jeweils auch eine semipermeable Membran angeordnet werden, die sich senkrecht unterhalb der Separatoren 12 bis zur Isolatorschicht in den elektrodenfreien Raum/den Graben zwischen den Anoden 8 und Kathoden 9 erstreckt bzw. unterhalb der Separatoren 12 bis zur Rückabdeckung 13. Diese semipermeablen Membranen können neben den Separatoren 12 zu einer verbesserten Trennung von Sauerstoff und Wasserstoff im Elektrolyt 11 oder im Wasser führen.By the light passing through the front cover 14 on the semiconductor structures 5 falls, electron-hole pairs are generated, which generate a photovoltage in the semiconductor layers 5 to lead. This photo voltage is applied to the cathodes 9 or anodes 8th derived. The in the photoelectric cell unit 2 generated charge carriers thereby build a potential between the cathode 9 and anode 8th , whereby the hydrogen generation reaction is driven. In the electrolyte chamber 10 is therefore at the interface of the anode 8th with the electrolyte 11 (Reaction space of the anode) oxygen and at the interface of the cathode 9 (Reaction space of the cathode) with the electrolyte 11 Hydrogen formed. The between the individual reaction spaces of the anodes 8th and cathodes 9 arranged separators 12 lead to no or only slight mixing of the gases formed in the respective reaction spaces. The gases rise upwards within the respective reaction spaces and are discharged by means of hydrogen / oxygen outlet systems. In an advantageous embodiment of the photoelectrochemical cell 1 can in addition to the respective separators 12 in each case also a semipermeable membrane are arranged, which are perpendicular below the separators 12 to the insulator layer in the electrode-free space / the trench between the anodes 8th and cathodes 9 extends or below the separators 12 to the back cover 13 , These semipermeable membranes can be next to the separators 12 to an improved separation of oxygen and hydrogen in the electrolyte 11 or in the water.

Dadurch, dass es in der Elektrolytkammer 10 keine getrennten, geschlossenen Reaktionskammern für die Anoden 8 bzw. Kathoden 9 gibt und die Kathoden 9 und Anoden 8 jeweils benachbart angeordnet sind, kann es zu einem schnellen Ladungsausgleich im Elektrolyten 11 zwischen den Elektroden ohne große Diffusionsbarrieren kommen. Diese erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht daher eine Aufskalierung der photoelektrochemischen Zelle ohne den Nachteil, dass die Strecke, die die Ladungsträger zum Ladungsausgleich bis zur jeweiligen Elektrode zurücklegen müssen, immer größer wird, da durch die benachbart angeordneten Elektrodenflächen der Weg, den die Ladungsträger zum Ausgleich der Ladung zurücklegen müssen, unverändert bleibt, egal mit welcher Flächenausdehnung die jeweilige photoelektrochemische Zelle ausgestaltet wird.Because it is in the electrolyte chamber 10 no separate, closed reaction chambers for the anodes 8th or cathodes 9 there and the cathodes 9 and anodes 8th are arranged adjacent to each other, there may be a rapid charge balance in the electrolyte 11 come between the electrodes without large diffusion barriers. This arrangement according to the invention therefore makes it possible to scale up the photoelectrochemical cell without the disadvantage that the distance which the charge carriers have to cover to equalize the charge to the respective electrode becomes ever greater, since the path which the charge carriers compensate for the charge is formed by the adjacent electrode surfaces must remain unchanged, no matter what surface area the respective photo-electrochemical cell is designed.

3 zeigt beispielhaft die Anordnung und Strukturierung der photoelektrischen Zelleinheit sowie das Aufbringen der Isolatorschicht und der Elektroden, bei der die photoelektrische Zelleinheit 2 eine Substratkonfiguration aufweist. 3 shows by way of example the arrangement and structuring of the photoelectric cell unit and the application of the insulator layer and the electrodes, wherein the photoelectric cell unit 2 has a substrate configuration.

Diese Anordnung kann wie folgt erfolgen:This arrangement can be done as follows:

Auf der Isolatorschicht 7, die hier beispielsweise als Glasplatte ausgestaltet ist, wird eine elektrische Kontaktschicht 6, in der Substratkonfiguration auch als Rückkontaktschicht 6 bezeichnet, angeordnet (3a).On the insulator layer 7 , which is designed here for example as a glass plate, becomes an electrical contact layer 6 , in the substrate configuration also as a back contact layer 6 designated, arranged ( 3a) ,

Für die elektrische Kontaktschicht 6 können Materialien wie beispielsweise Silber/ZnO- oder auch Molybdän-Schichten verwendet werden.For the electrical contact layer 6 For example, materials such as silver / ZnO or molybdenum layers may be used.

Sodann werden eine Mehrzahl parallel angeordneter Gräben durch die Strukturierungsschritte P3a, P3b gebildet (3b). Die hier gebildeten Gräben dienen der Isolation und der Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den im Weiteren noch aufzubringenden elektrischen Kontaktschichten. Die Ausbildung der Gräben kann, wie schon zuvor erläutert, mittels geeigneter Wahl an Lasern mit verschiedenen Wellenlängen und in Abhängigkeit der zu entfernenden Materialien selektiv vollzogen werden. In den Gräben wird das Material der elektrischen Kontaktschicht 6 entfernt und dadurch jeweils die Oberfläche der Isolatorschicht 7 freigelegt.Then, a plurality of parallel trenches through the patterning steps P3a . P3b educated ( 3b) , The trenches formed here serve to isolate and avoid short-circuits between the electrical contact layers to be applied later. The formation of the trenches can, as explained above, be carried out selectively by means of a suitable choice of lasers with different wavelengths and depending on the materials to be removed. In the trenches, the material of the electrical contact layer 6 removes and thereby respectively the surface of the insulator layer 7 exposed.

In den Gräben wird die Oberfläche der Isolatorschicht 7 über die Länge der photovoltaischen Elemente z. B. streifenförmig freigelegt.In the trenches, the surface of the insulator layer 7 over the length of the photovoltaic elements z. B. exposed in a strip.

Anschließend werden auf die elektrische Kontaktschicht 6 aktive Halbleiterschichten 5, insbesondere p-n, n-p, p-i-n oder beispielsweise p-i-n-p-i-n oder entsprechende n-i-p Strukturen übereinander ganzflächig angeordnet (3c).Subsequently, on the electrical contact layer 6 active semiconductor layers 5 , in particular pn, np, pin or, for example, pinpin or corresponding nip structures are arranged over one another over the entire surface ( 3c) ,

Als p-i-n-Struktur wird beispielsweise eine Struktur aus amorphem Silizium verwendet. Als p-i-n-p-i-n-Struktur kommt beispielsweise eine Struktur aus amorphem Silizium und mikrokristallinem Silizium in Betracht.As a pin structure, for example, an amorphous silicon structure is used. As a npin structure, for example, a structure of amorphous silicon and microcrystalline silicon into consideration.

Diese Halbleiterschichten 5 werden in weiteren Strukturierungsschritten P2a, P2b ebenfalls mit einer Mehrzahl an parallel angeordneten Gräben versehen (3d).These semiconductor layers 5 will be in further structuring steps P2a . P2b also provided with a plurality of parallel trenches ( 3d) ,

In den Strukturierungsschritten P2a und P2b werden parallel angeordnete Gräben gebildet, in dem Halbleitermaterial 5 so weit entfernt wird, dass über die Länge der photovoltaischen Elemente/der Zellestreifen die Oberfläche der elektrischen Kontaktschicht 6 z. B. streifenförmig freigelegt wird.In the structuring steps P2a and P2b parallel trenches are formed in the semiconductor material 5 is removed so far that over the length of the photovoltaic elements / the cell strip, the surface of the electrical contact layer 6 z. B. is exposed in strip form.

Der Strukturierungsschritt P2a findet parallel, nahe neben, alternierend jeweils einmal rechts und links, zu dem durch den Strukturierungsschritt P3a erzeugten Gräben statt. Durch den Strukturierungsschritt P2a kann über die Gräben IIa nachfolgend die Serienverschaltung der einzelnen Solarzellen untereinander erfolgen.The structuring step P2a takes place parallel, next to each other, alternately once each right and left, to the through the structuring step P3a created trenches instead. Through the structuring step P2a can be done via the trenches IIa below the series connection of the individual solar cells with each other.

Im Strukturierungsschritt P2b wird ein weiterer Graben zur Kontaktierung der elektrischen Kontaktschicht 6 mit den nachfolgend darüber anzuordnenden Elektroden (Anoden bzw. Kathoden) ermöglicht. Auch hier wird die Oberfläche der elektrischen Kontaktschicht 6 z. B. streifenförmig freigelegt. Die P2b Strukturierung erfolgt dabei beispielsweise in der Mitte des jeweils durch die Strukturierung P3b entstandenen Zellstreifens. Dabei erfolgt die P2b Strukturierung nicht für jeden Zellstreifen, sondern, je nach Spannung des jeweiligen Zellstreifens, alternierend immer für beispielsweise jeden zweiten Zellstreifen (z. B.: B, D, ...), in jedem Fall jedoch jeweils dort, wo ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Kontaktschicht der Solarzelle mit der entsprechenden Elektrode (d. h. entweder jeweils dort, wo Anoden oder dort, wo jeweils Kathoden angeordnet werden) stattfinden soll.In the structuring step P2b becomes another trench for contacting the electrical contact layer 6 with the subsequently arranged electrodes (anodes or cathodes) allows. Again, the surface of the electrical contact layer 6 z. B. exposed in a strip. The P2b Structuring takes place, for example, in the middle of each by the structuring P3b resulting cell strip. In doing so, the P2b Structuring not for each cell strip, but, depending on the voltage of each cell strip, always alternating, for example, every second cell strip (eg: B, D, ...), but in each case where electrical contact between the cell electrical contact layer of the solar cell with the corresponding electrode (ie, either where anodes or where each cathode is arranged to take place).

In einem weiteren Schritt wird auf den aktiven Halbleiterschichten 5 eine elektrische Kontaktschicht 4, in der Substratkonfiguration auch als Frontkontakt bezeichnet, angeordnet (3e). Dadurch wird eine photoelektrische Zelleinheit 2, umfassend eine Substratschicht, mit oder ohne eine nicht-leitfähige Zwischenschicht, eine hierauf angeordnete elektrische Kontaktschicht 6, eine hierauf angeordnete Halbleiterstruktur 5 sowie eine hierauf angeordnete weitere elektrische Kontaktschicht 4 bereitgestellt.In a further step, on the active semiconductor layers 5 an electrical contact layer 4 , also referred to as front contact in the substrate configuration ( 3e) , Thereby, a photoelectric cell unit becomes 2 comprising a substrate layer, with or without a non-conductive intermediate layer, an electrical contact layer arranged thereon 6 , a semiconductor structure arranged thereon 5 and a further electrical contact layer disposed thereon 4 provided.

Zur Abscheidung der elektrischen Kontaktschicht kann beispielsweise ein PECVD-Verfahren oder Sputterverfahren oder Photo-CVD- oder HWCVD- oder ein vergleichbares Verfahren genutzt werden.For example, a PECVD method or sputtering method, or a photo-CVD or HWCVD method or a comparable method can be used for depositing the electrical contact layer.

In weiteren Strukturierungsschritten P1 werden weitere parallel angeordnete Gräben gebildet, in dem Material der elektrischen Kontaktschicht 4 und Halbleitermaterial 5 so weit entfernt wird, dass über die Länge der photovoltaischen Elemente die Oberfläche der elektrischen Kontaktschicht 6 z. B. streifenförmig freigelegt wird (3f). Der Strukturierungsschritt P1 erfolgt parallel, nahe neben, jeweils alternierend rechts oder links, zum zweiten Strukturierungsschritt P2a. Durch den Strukturierungsschritt P1 werden eine Mehrzahl parallel angeordneter Gräben zur Ausbildung und Trennung einer hierzu entsprechenden Mehrzahl streifenförmiger photovoltaischer Elemente (A, B, C...) gebildet. Strukturierungsschritt P1 ist ein allgemein nach dem Stand der Technik bekannter Strukturierungsschritt für die integrierte Serienverschaltung von Solarmodulen. Durch die Serienverschaltung werden die im Modul entstehenden elektrischen Verluste minimiert. In einem üblicherweise 3-stufigen Strukturierungsprozess werden die einzelnen Schichten eines Solarmoduls, transparent leitfähige Oxidschicht, Siliziumabsorber und Metallrückkontakt, nach deren jeweiliger Deposition gezielt unterbrochen, so dass am Ende eine Serienverschaltung einzelner Solarzellen entsteht. Das Stromniveau in den leitenden Schichten wird hierdurch reduziert und die ohmschen Verluste in den Kontaktschichten nehmen ab.In further structuring steps P1 further parallel trenches are formed in the material of the electrical contact layer 4 and semiconductor material 5 is removed so far that over the length of the photovoltaic elements, the surface of the electrical contact layer 6 z. B. is exposed in strips ( 3f) , The structuring step P1 takes place parallel, next to, respectively alternately right or left, to the second structuring step P2a , Through the structuring step P1 a plurality of parallel trenches for forming and separating a corresponding thereto plurality of strip-shaped photovoltaic elements (A, B, C ...) are formed. patterning step P1 is a well-known in the prior art structuring step for the integrated series connection of solar modules. Series connection minimizes the electrical losses in the module. In a usually 3-stage structuring process, the individual layers of a solar module, transparent conductive oxide layer, silicon absorber and metal back contact, selectively interrupted after their respective deposition, so that at the end of series connection of individual solar cells. The current level in the conductive layers is thereby reduced and the ohmic losses in the contact layers decrease.

Die parallel angeordneten Gräben unterteilen die photoelektrische Zelleinheit 2 in eine entsprechende Mehrzahl parallel angeordneter z. B. streifenförmiger photovoltaischer Elemente. Jedes photovoltaische Element umfasst die Schichtenfolge aus Substrat, gegebenenfalls Zwischenschicht, elektrischer Kontaktschicht 6, aktiver Halbleiterschichten 5 sowie weiterer elektrischer Kontaktschicht 4. Die photovoltaischen Elemente liegen entsprechend der Strukturierungen parallel nebeneinander vor.The parallel trenches divide the photoelectric cell unit 2 in a corresponding plurality of parallel z. B. strip-shaped photovoltaic elements. Each photovoltaic element comprises the layer sequence of substrate, optionally intermediate layer, electrical contact layer 6 , active semiconductor layers 5 and further electrical contact layer 4 , The photovoltaic elements are parallel next to each other in accordance with the structuring.

Das Verfahren sieht bei der Substratkonfiguration vor, sodann eine Verkapselungsschicht 15 ganzflächig anzuordnen, so dass das Verkapselungsmaterial sowohl die Oberfläche der elektrischen Kontaktschicht 4 bedeckt, als auch die Gräben, die durch den Strukturierungsschritt P1 entstanden sind sowie weiterhin eine Frontabdeckung 14 aufzubringen (3g). Das Aufbringen des Verkapselungsmaterials kann z. B. durch Sprühen oder vorzugsweise durch einen Tintenstrahldrucker erfolgen. Die Verkapselungsschicht 15 kann auch photolithographisch angeordnet werden. Der Drucker kann computergesteuert das gesamte Verfahren weiter beschleunigen.The method provides substrate configuration, then an encapsulation layer 15 To arrange over the entire surface, so that the encapsulation material both the surface of the electrical contact layer 4 covered, as well as the trenches, through the structuring step P1 have emerged and continue to have a front cover 14 to raise 3g) , The application of the encapsulation material may, for. B. by spraying or preferably by an ink jet printer. The encapsulation layer 15 can also be arranged photolithographically. The printer can computer-accelerate the entire process further.

Die Isolatorschicht 7 wird nun gemäß Strukturierungsschritt P4a, P4b an den Stellen, an denen im nachfolgenden Verfahrensschritt die Kathoden 9 bzw. Anoden 8 aufgebracht werden, mit Durchgängen 16 versehen (3h). Die Durchgänge 16 zur elektrischen Kontaktschicht 6 für beispielsweise die Kathoden 9 können in dem Zellstreifenbereich zwischen den durch die Strukturierungsschritte P3b entstandenen Gräben eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C,...) angeordnet sein. Die Durchgänge 16 für die Anoden 8 sind beispielsweise, vorzugsweise mittig, jeweils zwischen den durch die Strukturierungsschritte P3a, innerhalb eines photovoltaischen Elements, erzeugten Gräben angeordnet. Diese Durchgänge 16 dienen dem späteren Ladungstransfer zwischen der photoelektrischen Zelleinheit 2 und der elektrochemischen Zelleinheit 3. So können die Elektronen beispielsweise von der Anode 8 durch den jeweiligen Durchgang 16 in der Isolatorschicht 7 zur elektrischen Kontaktschicht 6 wandern und von dort aus über die elektrische Kontaktschicht 4 in den benachbarten Zellstreifen und durch den dort jeweils angeordneten Durchgang 16 in der Isolatorschicht 7 zur dort angeordneten Kathode 9. Die Anordnung der Anoden und Kathoden, die oberhalb der Durchgänge 16 angeordnet werden, ist, wie schon zuvor für die Superstratkonfiguration erörtert, von der Anordnung/Dotierung, der sich darunter befindenden Halbleiterschicht 5, abhängig. Die Durchgänge 16 können hier beispielsweise durch Bohrungen in der Isolatorschicht 7 erzeugt werden. Diese Bohrungen/Durchgänge 16 können beispielsweise punktuell erfolgen und innerhalb des Bereichs einer gesamten Zellstreifenbreite und Zellstreifenlänge eines jeweiligen Zellstreifens (A, B, C,...) bzw. wie schon zuvor beschrieben in dem Zellstreifenbereich zwischen den durch die Strukturierungsschritte P3a, P3b entstandenen Gräben eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C,...) angeordnet sein.The insulator layer 7 will now according to structuring step P4a . p4b at the locations where the cathodes in the subsequent process step 9 or anodes 8th be applied, with passages 16 Mistake ( 3h) , The passages 16 to electrical contact layer 6 for example, the cathodes 9 may be in the cell stripe area between those through the structuring steps P3b resulting trenches of a respective photovoltaic element (A, B, C, ...) may be arranged. The passages 16 for the anodes 8th are, for example, preferably in the middle, in each case between the through the structuring steps P3a , arranged inside a photovoltaic element, created trenches. These passages 16 serve the later charge transfer between the photoelectric cell unit 2 and the electrochemical cell unit 3 , For example, the electrons can be from the anode 8th through the respective passage 16 in the insulator layer 7 to the electrical contact layer 6 wander and from there via the electrical contact layer 4 in the neighboring cell strips and through the respective passage arranged there 16 in the insulator layer 7 to the arranged there cathode 9 , The arrangement of the anodes and cathodes, above the passageways 16 As discussed previously for the superstrate configuration, the array / doping of the underlying semiconductor layer is 5 , dependent. The passages 16 can here for example by drilling in the insulator layer 7 be generated. These holes / passages 16 For example, it may be pointwise and within the range of an entire cell stripe width and cell stripe length of a respective cell stripe (A, B, C, ...) or, as previously described, in the cell stripe area between those through the structuring steps P3a . P3b resulting trenches of a respective photovoltaic element (A, B, C, ...) may be arranged.

Auf die Isolatorschicht 7 werden nachfolgend, entsprechend beispielsweise des zuvor beschriebenen Verfahrens für die Superstratkonfiguration, die Elektroden angeordnet (3i).On the insulator layer 7 Subsequently, according to, for example, the above-described method for the superstrate configuration, the electrodes are arranged ( 3i) ,

4 zeigt eine mögliche Ausführung einer photoelektrochemischen Zelle 1, bei der die Photovoltaikzelle eine Substratkonfiguration aufweist. 4 shows a possible embodiment of a photoelectrochemical cell 1 in which the photovoltaic cell has a substrate configuration.

Die photoelektrische Zelleinheit 1, in 4 mit einer Substratkonfiguration dargestellt, umfasst auch hier im wesentlichen einen Schichtaufbau einer Solarzelle mit einer ersten elektrischen Kontaktschicht 4, einer Halbleiterschicht 5 sowie einer zweiten elektrischen Kontaktschicht 6.The photoelectric cell unit 1 , in 4 shown here with a substrate configuration, here too essentially comprises a layer structure of a solar cell having a first electrical contact layer 4 , a semiconductor layer 5 and a second electrical contact layer 6 ,

Die elektrochemische Zelleinheit 3 umfasst eine Schichtanordnung aus Anoden 8 und Kathoden 9, wenigstens eine Elektrolytkammer 10, gefüllt mit Elektrolyt 11, sowie Separatoren 12 zur getrennten Ableitung der entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Erfindungsgemäß sind auch hier die Kathoden 9 und Anoden 8 innerhalb einer Schichtebene alternierend nebeneinander auf der Zelleinheit der photoelektrischen Zelleinheit 2 in einer Ebene angeordnet. Zwischen den Elektroden befindet sich jeweils ein elektrodenfreier Raum/eine Aussparung oder auch Freiraum. Eine Isolatorschicht 7 (nichtleitende, korrosionshemmende Schicht), in diesem Beispiel eine Glasplatte, trennt die photoelektrische Zelleinheit 2 von der elektrochemischen Zelleinheit 3 und weist jeweils an der Grenzfläche zu den Kathoden 9/Anoden 8 Durchgänge 16 für die Übertragung von Ladungsträgern aus der photoelektrischen Schicht 2 zu den Elektroden der elektrochemischen Schicht 3 auf. Innerhalb der Elektrolytkammer 10 befinden sich Separatoren 12, die sich jeweils über dem elektrodenfreien Raum/den Aussparungen bzw. Gräben zwischen den Kathoden 9 bzw. Anoden 8 befinden. Die Separatoren 12 sind so über dem elektrodenfreien Raum/ den Aussparungen bzw. Gräben und den Elektroden angeordnet, dass sie, wie schon zuvor bei der Superstratkonfiguration näher erläutert, einen Elektrolytaustausch und damit auch Ladungsträgeraustausch innerhalb der gesamten Elektrolysekammer 10 zulassen.The electrochemical cell unit 3 comprises a layer arrangement of anodes 8th and cathodes 9 , at least one electrolyte chamber 10 , filled with electrolyte 11 , as well as separators 12 for the separate discharge of the resulting gases hydrogen and oxygen. According to the invention, the cathodes are also here 9 and anodes 8th within a layer plane alternately side by side on the cell unit of the photoelectric cell unit 2 arranged in a plane. Between the electrodes is in each case an electrode-free space / a recess or free space. An insulator layer 7 (nonconductive, corrosion inhibiting layer), in this example a glass plate, separates the photoelectric cell unit 2 from the electrochemical cell unit 3 and faces each at the interface with the cathodes 9 / Anodes 8 passes 16 for the transfer of charge carriers from the photoelectric layer 2 to the electrodes of the electrochemical layer 3 on. Inside the electrolyte chamber 10 there are separators 12 extending respectively above the electrode-free space / recesses or trenches between the cathodes 9 or anodes 8th are located. The separators 12 are arranged above the electrode-free space / the recesses or trenches and the electrodes such that, as explained in detail earlier in the superstrate configuration, they exchange electrolyte and thus also charge carrier exchange within the entire electrolysis chamber 10 allow.

An die elektrochemische Zelleinheit 3 grenzt eine Rückwand 13, aus beispielsweise Glas, auf der zur Elektrolytkammer 10 gewandten Seite die Separatoren 12 angeordnet sind und auf deren Seite, die von der Elektrolytkammer 10 abgewandt ist, ein Leitungssystem für Wasser/Elektrolyteinlass sowie Wasserstoff-/Sauerstoffauslass angeordnet ist.To the electrochemical cell unit 3 borders a back wall 13 , made of glass, for example, on the electrolyte chamber 10 facing side the separators 12 are arranged and on their side, by the electrolyte chamber 10 is remote, a conduit system for water / electrolyte inlet and hydrogen / oxygen outlet is arranged.

Durch das Licht, welches durch die Frontabdeckung 14 (z. B. aus Glas) auf die Halbleiterschichten 5 fällt, werden Elektronen-Lochpaare erzeugt, die zur Erzeugung einer Photospannung in den Halbleiterschichten 5 führen. Diese Photospannung wird an die Kathoden 9 bzw. Anoden 8 abgeleitet. Die in der photoelektrischen Zelleinheit 2 erzeugten Ladungsträger bauen dadurch ein Potential zwischen Kathode 9 und Anode 8 auf, wodurch die Wasserstofferzeugungsreaktion angetrieben wird. In der Elektrolytkammer 10 wird daher an der Grenzfläche der Anode 8 mit dem Elektrolyten 11 (Reaktionsraum der Anode) Sauerstoff und an der Grenzfläche der Kathode 9 (Reaktionsraum der Kathode) mit dem Elektrolyten 11 Wasserstoff gebildet.By the light passing through the front cover 14 (eg of glass) on the semiconductor layers 5 falls, electron-hole pairs are generated, which generate a photovoltage in the semiconductor layers 5 to lead. This photo voltage is applied to the cathodes 9 or anodes 8th derived. The in the photoelectric cell unit 2 generated charge carriers thereby build a potential between the cathode 9 and anode 8th , whereby the hydrogen generation reaction is driven. In the electrolyte chamber 10 is therefore at the interface of the anode 8th with the electrolyte 11 (Reaction space of the anode) oxygen and at the interface of the cathode 9 (Reaction space of the cathode) with the electrolyte 11 Hydrogen formed.

Zwischen der Frontabdeckung 14 und der ersten elektrischen Kontaktschicht 4 ist vorzugsweise noch eine Verkapselungsschicht 15 angeordnet, welche die elektrischen und Halbleiterschichten vor Korrosion und Umwelteinflüssen schützt.Between the front cover 14 and the first electrical contact layer 4 is preferably still an encapsulation layer 15 arranged, which protects the electrical and semiconductor layers from corrosion and environmental influences.

5 zeigt eine Übersicht eines möglichen Leitungssystems für Wasser (Elektrolyt), Wasserstoff und Sauerstoff einer photoelektrochemischen Zelle 1. 5 shows an overview of a possible conduit system for water (electrolyte), hydrogen and oxygen of a photoelectrochemical cell 1 ,

In 5 ist die photoelektrochemische Zelle 1 so dargestellt, dass die Zellschichten, wie z. B. die belichtete Halbleiterschicht 5, sich in der gleichen Ebene wie die Papierebene befinden und sich über den quadratisch dargestellten Rahmen erstreckt. In Aufsicht sind das Wassereinlasssystem 18, das Wasserstoffauslasssystem 19 und das Sauerstoffauslasssystem 20 zu erkennen. Neben den in der Papierebene vertikal verlaufenden Separatoren 12 sind im 90° Winkel dazu verlaufende horizontale Kammerabtrennungen 17 zu erkennen. Durch diese horizontalen Kammerabtrennungen 17 wird die photoelektrochemische Zelle 1, neben der vertikalen Trennung durch die Separatoren 12, auch horizontal in Bereiche untereilt, in denen sowohl der bereits gebildete Wasserstoff als auch Sauerstoff gesammelt und abgeführt werden können, als auch Wasser/Elektrolyte zugeführt werden kann. Dafür weisen die jeweiligen Wasserstoffauslasssysteme 19 bzw. Sauerstoffauslasssysteme 20 im Bereich dieser Kammerabtrennung 17 einen Gassammelraum 19a, 20a auf. Mit Hilfe dieser Gassammelräume 19a/20a ist es möglich die Produktgase nicht nur zentral im Kopfbereich 21 der PEZ 1, sondern auch schon im Zwischenbereich der PEZ 1 abzuführen. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig, so dass es ebenfalls möglich ist, die gebildeten Gase jeweils nur zentral im Kopfbereich 21 der PEZ 1 abzuführen. Das Wassereinlasssystem 18 weist sowohl im Fußbereich 22 der PEZ 1 als auch im Bereich der horizontal verlaufenden Separatoren 17 verbreiterte Einströmelemente 18a des Leitungssystems 18 auf, an denen das Einströmen und die Zufuhr von Wasser/Elektrolyt in die PEZ 1 stattfindet.In 5 is the photoelectrochemical cell 1 shown so that the cell layers, such. B. the exposed semiconductor layer 5 to be in the same Level as the paper plane and extends over the square frame shown. In supervision are the water intake system 18 , the hydrogen outlet system 19 and the oxygen outlet system 20 to recognize. In addition to the separators running vertically in the paper plane 12 are at 90 ° angle to horizontal horizontal chamber separations 17 to recognize. Through these horizontal chamber partitions 17 becomes the photo-electrochemical cell 1 , in addition to the vertical separation through the separators 12 , Also horizontal in areas undiluted, in which both the already formed hydrogen and oxygen can be collected and removed, and water / electrolytes can be supplied. This is shown by the respective hydrogen outlet systems 19 or oxygen outlet systems 20 in the area of this chamber separation 17 a gas storage room 19a . 20a on. With the help of these gas collection rooms 19a / 20a It is possible not only the product gases centrally in the head area 21 the PEZ 1 , but also in the intermediate area of the PEZ 1 dissipate. However, this is not absolutely necessary, so that it is also possible, the gases formed only centrally in the head area 21 the PEZ 1 dissipate. The water intake system 18 points both in the foot area 22 the PEZ 1 as well as in the area of horizontal separators 17 widened inflow elements 18a of the pipe system 18 on which the inflow and the supply of water / electrolyte into the PEZ 1 takes place.

Weiterhin sind in 5 drei verschiedene Schnittebenen A-A', B-B' und C-C' eingezeichnet, die in den folgenden Figuren ausschnittweise vergrößert und als Seitenansicht dargestellt sind.Furthermore, in 5 three different cutting planes A - A ' . B - B ' and C - C ' drawn, which are enlarged in sections in the following figures and shown as a side view.

6 zeigt gemäß Schnittebene A-A' aus 5 die Anordnung der photoelektrochemischen Zelle 1 in Kombination mit dem Wassereinlasssystem 18 und dem Wasserstoff- 19 bzw. Sauerstoffauslasssystem 20 in dieser Schnittebene 6 shows according to cutting plane A - A ' out 5 the arrangement of the photoelectrochemical cell 1 in combination with the water inlet system 18 and the hydrogen 19 or oxygen outlet system 20 in this section plane

7 zeigt gemäß Schnittebene B-B' aus 5 die Anordnung der photoelektrochemischen Zelle 1 in Kombination mit dem Wassereinlasssystem 18 und dem Wasserstoff- 19 bzw. Sauerstoffauslasssystem 20 in dieser Schnittebene 7 shows according to cutting plane B - B ' out 5 the arrangement of the photoelectrochemical cell 1 in combination with the water inlet system 18 and the hydrogen 19 or oxygen outlet system 20 in this section plane

8 zeigt gemäß Schnittebene C-C' aus 5 die Anordnung der photoelektrochemischen Zelle 1 in Kombination mit dem Wassereinlasssystem 18 und dem Wasserstoff- 19 bzw. Sauerstoffauslasssystem 20 in dieser Schnittebene 8th shows according to cutting plane C - C ' out 5 the arrangement of the photoelectrochemical cell 1 in combination with the water inlet system 18 and the hydrogen 19 or oxygen outlet system 20 in this section plane

6 zeigt eine Seitenansicht der photoelektrochemischen Zelle 1 gemäß Schnittebene A-A'. In dieser Schnittebene erstrecken sich die Wasserstoffsammelräume 19a des Wasserstoffauslasssystems 19 und die Sauerstoffgassammelräume 20a des Sauerstoffauslasssystems 20 mit ihrer Oberfläche vorteilhaft über die gesamte angrenzende Fläche an die Elektrolytkammer 10 und können so direkt die Gase, die an den Grenzflächen der Anoden 8/Kathoden 9 gebildet werden und in die Elektrolytkammer 10 entweichen, entnehmen und abführen. In einer vorteilhaften Ausführung der PEZ 1 erstrecken sich die Wasserstoffauslasssysteme 19 und die Sauerstoffauslasssysteme 20 über die separatorenfreie, an die Elektrolytkammer 10 angrenzende Fläche. Da zwischen den alternierend aufgebrachten Anoden 8 und Kathoden 9 jeweils immer ein Separator 12 angeordnet ist, bildet sich an den jeweiligen Grenzschichten der Anode 8/Kathode 9 das jeweilige Gas und entweicht entlang der Separatoren 12 durch die Elektrolytkammer 10 nach oben und wird dort von dem Wasserstoffauslasssystem 19 bzw. dem Sauerstoffauslasssystem 20 getrennt abgeführt. 6 shows a side view of the photoelectrochemical cell 1 according to section plane A-A '. In this sectional plane, the hydrogen collecting spaces extend 19a the hydrogen outlet system 19 and the oxygen gas storage rooms 20a of the oxygen outlet system 20 with its surface advantageous over the entire adjacent surface to the electrolyte chamber 10 and so can direct the gases that are at the interfaces of the anodes 8th / cathode 9 be formed and into the electrolyte chamber 10 escape, remove and discharge. In an advantageous embodiment of the PEZ 1 extend the hydrogen outlet systems 19 and the oxygen outlet systems 20 via the separator-free, to the electrolyte chamber 10 adjacent area. As between the alternately applied anodes 8th and cathodes 9 always a separator 12 is arranged forms at the respective boundary layers of the anode 8th / Cathode 9 the respective gas and escapes along the separators 12 through the electrolyte chamber 10 up and gets there from the hydrogen outlet system 19 or the oxygen outlet system 20 discharged separately.

7 zeigt eine Seitenansicht der photoelektrochemischen Zelle 1 gemäß Schnittebene B-B'. Die Leitungen der Wasserstoffauslass- 19 und Sauerstoffauslasssysteme 20 und des Wassereinlasssystems 18 verlaufen in diesem Bereich der Schnittebene vertikal im 90° Winkel zur Papierebene. In diesem Bereich der Schnittebene stehen die Wasserstoffauslass- 19 und Sauerstoffauslasssysteme 20 sowie das Wassereinlasssystem 18 in keinem direkten Kontakt mit der photoelektrochemischen Zelle 1. 7 shows a side view of the photoelectrochemical cell 1 according to cutting plane B - B ' , The lines of the hydrogen outlet 19 and oxygen outlet systems 20 and the water intake system 18 run in this area of the cutting plane vertically at 90 ° to the paper plane. In this area of the cutting plane are the hydrogen outlet 19 and oxygen outlet systems 20 as well as the water intake system 18 in no direct contact with the photoelectrochemical cell 1 ,

8 zeigt eine Seitenansicht der photoelektrochemischen Zelle 1 gemäß Schnittebene C-C'. Hier ist erkennbar, dass die verbreiterten Einströmelemente 18a des Wassereinlasssystems 18 in direktem Kontakt mit der Elektrolytkammer 10 stehen. Das Wasser kann, über die sich an dieser Stelle der PEZ 1 verbreiterten Einströmelemente 18a, direkt in die Elektrolytkammer 10 eingeleitet werden. 8th shows a side view of the photoelectrochemical cell 1 according to cutting plane C - C ' , Here it can be seen that the widened inflow elements 18a of the water intake system 18 in direct contact with the electrolyte chamber 10 stand. The water can, over which at this point the PEZ 1 widened inflow elements 18a , directly into the electrolyte chamber 10 be initiated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Photoelektrochemische ZellePhotoelectrochemical cell
22
photoelektrische Zelleinheitphotoelectric cell unit
33
elektrochemische Zelleinheitelectrochemical cell unit
44
elektrische Kontaktschicht (Frontkontakt)electrical contact layer (front contact)
55
HalbleiterschichtSemiconductor layer
66
elektrische Kontaktschicht (Rückkontakt)electrical contact layer (back contact)
77
Isolatorschichtinsulator layer
88th
Anodeanode
99
Kathodecathode
1010
Elektrolytkammerelectrolyte chamber
1111
Elektrolytelectrolyte
1212
Separatorseparator
1313
Rückabdeckungrear cover
1414
Frontabdeckungfront cover
1515
Verkapselungencapsulation
1616
Durchgangpassage
1717
Horizontale KammerabtrennungHorizontal chamber separation
1818
WassereinlasssystemWater intake system
18a18a
Einströmelement des Wassereinlasssystems 18Inflow element of the water inlet system 18th
1919
WasserstoffauslasssystemWasserstoffauslasssystem
19a19a
WasserstoffgassammelraumHydrogen gas collection chamber
2020
SauerstoffauslasssystemSauerstoffauslasssystem
20a20a
SauerstoffgassammelraumOxygen gas collection space
2121
Kopfbereich des photoelektrochemischen Zelle 1Head portion of the photo-electrochemical cell 1
2222
Fußbereich der photoelektrochemischen Zelle 1Foot portion of the photo-electrochemical cell 1

Claims (6)

Photoelektrochemische Zelle (1) zur lichtgetriebenen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser oder aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten, umfassend eine photoelektrische Zelleinheit (2) und eine elektrochemische Zelleinheit (3), die zusammen in einen gemeinsamen Schichtaufbau integriert sind und elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die photoelektrische Zelleinheit (2), wenigstens eine Schichtanordnung einer Solarzelle mit Substrat, erster elektrischer Kontaktschicht (4), Halbleiterschicht (5) sowie zweiter elektrischer Kontaktschicht (6) umfasst, wobei die Solarzelle in eine Mehrzahl an streifenförmigen photovoltaischen Elementen (A, B, C,..) unterteilt ist, die parallel nebeneinander liegen und serienverschaltet sind, und wobei die photoelektrische Zelleinheit (2) auf der lichtzugewandten Seite des Schichtaufbaus der photoelektrochemischen Zelle (1) angeordnet ist, und bei der die elektrochemische Zelleinheit (3) auf der lichtabgewandten Seite des Schichtaufbaus der photoelektrochemischen Zelle (1) angeordnet ist, wobei die elektrochemische Einheit eine Isolatorschicht (7) mit Durchgängen (16) zwischen elektrochemischer Zelleinheit (3) und photoelektrischer Zelleinheit (2) aufweist, sowie Anoden (8) und Kathoden (9) umfasst, die jeweils alternierend, parallel nebeneinander, ohne jeweils untereinander flächig kontaktiert zu sein, in einer Ebene angeordnet sind und in direktem Kontakt mit dem Wasser oder mit dem aus einem anderen auf einer wässrigen Lösung basierenden Elektrolyten (11) stehen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils immer oberhalb eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C..) eine Anode (8) oder eine Kathode (9) angeordnet ist und die Anode (8) oder die Kathode (9) über den Durchgang (16) mit dem jeweiligen photovoltaischen Element (A, B, C,..) kontaktiert ist.Photoelectrochemical cell (1) for the light-driven generation of hydrogen and oxygen from water or from another aqueous solution-based electrolyte, comprising a photoelectric cell unit (2) and an electrochemical cell unit (3) integrated together in a common layer structure and electrically are conductively connected to each other, wherein the photoelectric cell unit (2), at least one layer arrangement of a solar cell with substrate, first electrical contact layer (4), semiconductor layer (5) and second electrical contact layer (6), wherein the solar cell in a plurality of strip-shaped photovoltaic Is subdivided parallel to each other and are connected in series, and wherein the photoelectric cell unit (2) on the light-facing side of the layer structure of the photoelectrochemical cell (1) is arranged, and in which the electrochemical Cell unit (3) on the left the electrochemical unit has an insulator layer (7) with passages (16) between the electrochemical cell unit (3) and the photoelectric cell unit (2), as well as anodes (8) and cathodes (9 ), which are each arranged alternately, parallel to one another, without being in contact with each other in a planar manner, are arranged in one plane and are in direct contact with the water or with another aqueous solution-based electrolyte (11), characterized in each case an anode (8) or a cathode (9) is always arranged above a respective photovoltaic element (A, B, C ..) and the anode (8) or the cathode (9) is connected via the passage (16) to the respective photovoltaic element (A, B, C, ..) is contacted. Photoelektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleinheit (3) Reaktionsräume über den Anoden (8) und Kathoden (9) aufweist, in denen die jeweiligen Elektrolyseprodukte gebildet werden, und wobei diese Reaktionsräume Separatoren (12) aufweisen.Photoelectrochemical cell (1) after Claim 1 , characterized in that the electrochemical cell unit (3) has reaction spaces above the anodes (8) and cathodes (9) in which the respective electrolysis products are formed, and wherein these reaction spaces have separators (12). Photoelektrochemische Zelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die photoelektrochemische Zelle (1) wenigstens eine Gasauslassöffnung aufweist.Photoelectrochemical cell (1) according to one of Claims 1 to 2 , characterized in that the photoelectrochemical cell (1) has at least one gas outlet opening. Photoelektrochemische Zelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Leitungssystem zur Zufuhr von Wasser oder von auf einer wässrigen Lösung basierendem Elektrolyten sowie zur Ableitung der Produktgase aufweist.Photoelectrochemical cell (1) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that it comprises a conduit system for supplying water or electrolyte based on an aqueous solution and for discharging the product gases. Verfahren zur Herstellung einer photoelektrochemischen Zelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei dem eine photoelektrische Zelleinheit (2) und eine elektrochemische Zelleinheit (3) in einem Schichtaufbau integriert werden, mit den Schritten: - Aufbringen, integrierte Serienverschaltung und Strukturierung der Schichtstruktur einer Solarzelle der photoelektrischen Zelleinheit (2), umfassend Substrat, erste elektrische Kontaktschicht (4), aktive Halbleiterschicht (5) sowie zweite elektrische Kontaktschicht (6), wobei die Schichtstruktur der Solarzelle durch die Strukturierung in streifenförmige photovoltaische Elemente (A, B, C,...) unterteilt wird, - Aufbringen einer Isolatorschicht (7) und Anbringen von Durchgängen (16) in die Isolatorschicht (7) jeweils in dem streifenförmigen Bereich eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C,...), - Aufbringen von Anoden (8) oder Kathoden (9) oberhalb der Durchgänge (16) jeweils in dem streifenförmigen Bereich eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C,..), - Anordnen der Elektrodenflächen der elektrochemischen Zelleinheit (3) mit der Isolatorschicht (7) und der Schichtstruktur der photoelektrischen Zelleinheit (2) in eine Elektrolytkammer (10) mit dem entsprechenden Elektrolyten (11).Process for the preparation of a photoelectrochemical cell (1) according to one of the Claims 1 to 4 in which a photoelectric cell unit (2) and an electrochemical cell unit (3) are integrated in a layer structure, comprising the steps of: - applying, integrated series connection and structuring of the layer structure of a solar cell of the photoelectric cell unit (2) comprising substrate, first electrical contact layer ( 4), active semiconductor layer (5) and second electrical contact layer (6), wherein the layer structure of the solar cell is divided by the structuring in strip-shaped photovoltaic elements (A, B, C, ...), - applying an insulator layer (7) and Attaching passages (16) into the insulator layer (7) in each case in the strip-shaped region of a respective photovoltaic element (A, B, C,...), - applying anodes (8) or cathodes (9) above the passages (16 ) each in the strip-shaped region of a respective photovoltaic element (A, B, C, ..), - arranging the electrode surfaces of the electrochemical cell device (3) with the insulator layer (7) and the layer structure of the photoelectric cell unit (2) in an electrolyte chamber (10) with the corresponding electrolyte (11). Verfahren zur lichtgetriebenen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser oder einem anderen auf wässriger Lösung basierenden Elektrolyten, mit einer photoelektrischen Zelleinheit (2) und einer elektrochemischen Zelleinheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine photoelektrochemische Zelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 eingesetzt wird.Process for the light-driven generation of hydrogen and oxygen from water or another aqueous solution-based electrolyte, comprising a photoelectric cell unit (2) and an electrochemical cell unit (3), characterized in that a photoelectrochemical cell (1) according to any one of Claims 1 to 4 is used.
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