DE2924079A1 - Durch lichteinstrahlung aufladbares galvanisches element - Google Patents
Durch lichteinstrahlung aufladbares galvanisches elementInfo
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Description
- Durch Lichteinstrahlung aufladbares galvanisches
- Element Gegenstand der Erfindung ist ein durch LichteinstrahOung aufladbares galvanisches Element mit festem Elektrolyten.
- Wiederaufladbare Batterien mit einem Festelektrolyten sind bekannt. So beschreibt die US-PS 4 007 122 eine wiederaufladbare Batterie mit einer Lithiumanode, einem Festelektrolyten aus Lithiumjodid sowie einer jodidhaltigen Kathode.
- Es ist ferner bekannt, mit Hilfe von Halbleiter-Fotoelementen die Energie von Lichtstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln und in Akkumulatoren zu speichern.
- So beschreibt die DE-OS 21 61 932 eine elektrisch betriebene Uhr, deren Zifferblatt aus einem eine Solarzelle bildenden Halbleiterkörper mit einem Dn-Ubergang besteht, dessen Anschlußelektroden an die beiden Halbleiterzonen mit einem Akkumulator elektrisch verbunden sind.
- Derartige Anordnungen sind von der Konstruktion und Fertigung her verhältnismäßig aufwendige So müssen jeweils eigene Halterungen für Fotoelement und Akkumulator vorgesehen werden. Auch ist die Auswechselbarkeit von defekten Elementen verhältnismäßig schwierig, da Fotoelement und galvanische Zelle jeweils für sich geprüft und gegebenenfalls ausgewechselt werden müssen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein durch Lichteinstrahlung aufladbares Festelektrolytelement anzugeben, das mit dem Fotoelement eine bauliche Einheit bildet Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Festelektrolyt element wenigstens einen Übergang aus p-leitendem und n-leitendem Material enthält, der für Lichteinstrahlung zugänglich ist.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist der p-leitende Bereich des Übergangs mit der positiven Elektrode des Festelektrolytelements und der n-leitende Bereich mit der negativen Elektrode elektrisch verbunden.
- Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1 - 9 näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren 1, 2 und 3 den pn-Übergang im Zusammenhang mit der positiven Elektrode, während die Figuren 7, 8 und 9 den pn-Übergang im Zusammenhang mit der negativen Elektrode darstellen.
- In den Figuren 4, 5 und 6 ist der pn-Übergang im Zusammen hang mit dem Festelektrolyten dargestellt.
- Die wiederaufladbare Festelektrolytzelle besteht gemäß Figur 1 aus der positiven Elektrode 1, der negativen Elektrode 2 und dem zwischen diesen Elektroden angeordneten Festelektrolyten 3. Die Elektroden 1 und 2 sind über die Klemmen 4 und 5 mit dem Verbraucher 6 verbunden. Die negative Elektrode 2 besteht aus einem Leichtmetall, vorzugsweise aus Lithium. Als Material für den Festelektrolyten 3 dient Lithiumnitrit. Die positive Elektrode 1 besteht vorzugsweise aus Yttriumsulfid (y2s3). Es ist jedoch auch möglich, andere Verbindungen, beispielsweise Yttriumfluorid (YF) oder Lanthansulfid (La2S3), als Elektrodenmaterialien einzusetzen. Die positive Elektrode 1 ist auf ihrer dem Festelektrolyten entgegengesetzten Seite mit einem pn-Übergang 7, 8 versehen, welcher als Fotoelement ausgebildet ist. Auf die äußere Schicht 8 des pn-Übergangs ist zur Stromableitung eine dünne Metalldecke 9 aufgetragen. Das zum Betrieb des Foto elements erforderliche Licht muß sowohl die Metalldecke 9 als auch die n-Schicht 8 durchdringen. Äls n-leitende Schicht 8 wird vorzugsweisc---ait Bor dotiertes Silicium eingesetzt. Es ist jedoch auch möglich, andere Materialien, wie beispielsweise Seien, zu verwenden.
- Die Metalldecke 9 wird als dünne Goldw oder Platinschicht aufgedampft Die Metalldecke 9 ist über Strombegrenzungswiederstand 10 und Rückstromsperrdiode 11 mit der negativen Elektrode bunden, während die positive Elektrode 1 mechanisch und elektrisch direkt mit der p-leitenden Schicht 7 verbunden ist. Die Leerlaufspannung des Fotoelements kann bis zu 0,5 V ansteigen. Zur Begrenzung des Ladestroms dient Widerstand 10. Die Leerlaufklemmenspannung des Feststoffelements beträgt beim Einsatz einer Yttriumsulfidkathode 0,34 V. Es ist somit möglich, eine ausreichende Ladespannung zu erzielen.
- Figur 2 zeigt eine Festelektrolytzelle' die in ihrer Funktionsweise im wesentlichen der in Figur 1 dargestellten Zelle entspricht. Das Aktivmaterial der positiven Elektrode 1 dient hier jedoch zum Teil als p-leitendes Halbleitermaterial 7, auf das eine n-leitende Halbleiterschicht 8 aufgetragen ist. Es erweist sich dabei als besonders zweckmäßig, durch Materialauswahl und Schichtstärke eine möglichst intensive Beleuchtung des als Fotoelement dienenden pbergangs zu erzielen. Zwischen den Klemmen 4 und 5 befindet sich der Verbraucherwiderstand, während zwischen dem Stromableiter 9 und der Klemme 5 ein Strombegrenzungswiderstand 10 sowie eine Rückstromsperrdiode 11 geschaltet ist.
- Gemäß Figur 3 enthält die positive Elektrode 1 jeweils eine p-leitende Schicht 7 und eine n-leitende Schicht 8.
- Als besonders zweckmäßig erweist sich hierbei ein Elek trodenmaterial,das auch als p-Leiter bzw. n-Leiter dotiert werden kann. Die Leerlaufspannung des als Fotoelement dienenden pn-Übergangs kann bis zu 0,68 V ansteigen. Sie liegt damit oberhalb der Spannung des Festelektrolytsystems Li/Y2S3.
- Figur 4 zeigt ein Festelektrolytelement, bei dem der n-Bereich 8 und p-Bereich 7 auf die negative Elektrode 2 aufgebracht sind. Entsprechend der in Figur 3 dargestellten Anordnung lassen sich auch hier jeweils optimale Eigenschaften für die als Ionenspender dienende Elektrode 2 sowie für die als Fotoelement arbeitenden Halbleiterbereiche erzielen. Zur Ableitung des Fotostroms ist der p-leitend3 Bereich mit einem St;omabnehmer 9 versehen.
- Figur 5 zeigt eine Anordnung, in der die Elektrode 2 die n-leitende Schicht bildet, während die p-leitende Schicht 7 des Fotoelements von außen aufgebracht ist.
- Die Lichteinstrahlung auf den pn-Übergang wird dabei nur geringfügig durch die verhältnismäßig dünne p-leitende Schicht und den weitgehend lichtdurchlässigen Stromabnehmer 9 behindert.
- Nach der in Figur 6 angegebenen Festelektrolytzelle dient der in der Elektrode 2 angeordnete pn-Übergang zur Fotostromerzeugung. Aufbau und Funktlonsweise sind mit der in Figur 1 dargestellten Anordnung vergleichbar. Im Gegensatz hierzu dient allerdings Elektrode 2 als lonenspender. Die äußere Schicht, durch welche das Licht auf den pn-Übergang fällt, ist die p-leitende Schicht 7.
- Die folgenden Figuren 7, 8, 9 beziehen sich auf Anordnungen, bei denen der pn-Übergang ganz oder teilweise vom Festelektrolyten gebildet wird. Da die einfallende LichtstrskJung zum Teil durch den Festelektrolyten bzw.
- durch das Elektrodenmaterial absorbiert wird, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, einen Teil der Lichtstrahlung durch optische Sammelsysteme dem pn-Übergang zuzufüliren.
- Gemäß Figur 7 ist der p-leitende Bereich 12 des Festelektrolyten 3 an die positive Elektrode 1 nageschlossen, während der n-leitende Bereich 13 des Festelektrolyten an die negative Elektrode 2 grenzt. Über die Klemmen 4 und 5 sind die Elektroden mit dem Verbraucher 6 verbunden. Bei Lichteinstrahlung werden die im pn-Übergang befindlichen Ladungsträgerpaare durch die beider seits des pn-Übergangs befindlichen Raumladungen von einander getrennt. Die negative Raumladung der Sperrschicht im p-Leiter drückt die Elektroden zum n-Leiter hinüber, während die positive Raumladung auf der Seite des n-Leiters die Defektelektronen zum p-Leiter treibt.
- Auf diese Weise werden der negativen Elektrode Elektronen zugeführt. Elektrolyt 3 ist jedoch gleichzeitig für die aus der negativen Elektrode austretenden Ionen durchlässig.
- Die Figuren 8 und 9 zeigen Anordnungen, bei denen der pn-Übergang durch Festelektrolyt und Elektrodenmaterial gebildet wird. Nach Figur 8 besitzt die positive Elektrode 1 einen p-leitenden Bereich 14, der an einen n-leitenden Festelektrolyten 15 angrenzt. Die negative Elektrode 2 besitzt keine Halbleitereigenschaften.
- Figur 9 stellt eine galvanische Zelle mit einem p-leitenden Festelektrolyten 16 dar, der zusammen mit dem n-leitenden Bereich 17 der negativen Elektrode 2 einen pn-Übergang bildet.
- Nach Figur 8 werden der negativen Elektrode 2 bei Lichteinstrahlung über den Festelektrolyten 15 Elektronen zugeführt. Dagegen werden nach der in Figur 9 dargestellten Anordnung bei Lichteinstrahlung der positiven Elektrode 1 über Festelektrolyt 16 Defektelektronen zugeführt.
Claims (10)
- PatentansprUche Durch Lichteinstrahlung aufladbares galvanisches Element mit festem Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß das Festelektrolytelement wenigstens einen Übergang aus p-leitendem und n-leitendem Material enthält, der für Lichteinstrahlung zugänglich ist.
- 2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der p-leitende Bereich mit der positiven Elektrode (1) und der n-leitende Bereich mit der negativen Elektrode (2) elektrisch verbunden ist.
- 3. Galvanisches Element nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt aus Lithiunnitrid besteht.
- 4. Galvanisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode aus Lithium besteht.
- 5. Galvanisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode aus einer Yttriumverbindung besteht.
- 6. Galvanisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang wenigstens zum Teil aus Elektrodenmaterial besteht, wobei die positive Elektrode (1) p-leitendes Material (7) oder die negative Elektrode (2) n-leitendes Material (8) enthält.
- 7. Galvanisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang aus dem Material nur einer der beiden Elektroden (1, 2) gebildet ist.
- 8. Galvanisches Element nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Schicht des pn-Übergangs auf eine der Elektroden (1 2) aufgebracht ist.
- 9. Galvanisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schichten (7, 8) des pn-Übergangs auf eine der Elektroden (1, 2) aufgebracht sind.
- 10. Galvanisches Elemenc nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang sich im Festelektrolyten befindet.110 Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang durch eine der Elektroden (1, 2) und den Festelektrolyten gebildet wird, wobei der an die positive Elektrode (1) angrenzende Elektrolyt (13) n-leitend oder der an die negative Elektrode (2) angrenzende Elektrolyt (14) p-leitend ist.
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