DE4227963C2 - Granulat - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Granulat gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Solarzellen aus halbleitenden Materialien wie beispielswei
se Silicium oder III-V-Halbleiterverbindungen in kri
stalliner oder amorpher Form werden seit langem benutzt, um
Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Große Anstrengun
gen werden unternommen, um den Wirkungsgrad der Solarzellen
zu erhöhen und die Herstellungskosten möglichst niedrig zu
halten. Dabei werden Wirkungsgrade von bis zu 30% er
reicht.
Im Falle der Energieerzeugung mit Hilfe von Solarzellen
dringt das Licht in einer Fläche in den Halbleiter ein, die
auch für die elektrische Kontaktierung benötigt wird. Diese
Seite der Solarzelle wird dazu entweder nur teilweise mit
einem Kontaktmetall überzogen oder es wird als Kontaktmetall
ein Material wie beispielsweise Zinkoxid gewählt, das
lichtdurchlässige Eigenschaften besitzt. Beide Alternativen
erschweren die Ausbeute der Umwandlung von Licht in elek
trische Energie und wirken sich auch nachteilig durch einen
erhöhten Aufwand bei der Herstellung solcher Solarzellen
aus. Schließlich erhöhen sich in nachteiliger Weise damit
auch die Herstellungskosten solcher Energieumwandlungssys
teme.
Insofern insbesondere bei der Elektrolyse von Wasser Solar
zellen eingesetzt werden, werden diese als Solarzellenbat
terien außerhalb des Elektrolyten beschaltet und führen von
solchen Batterien Leitungen zu den im Elektrolyten befind
lichen Elektroden, an denen die Elektrolyse stattfindet.
Insgesamt zeigt sich bei solchen Elektrolyseverfahren nach
teilig ein erhöhter Aufwand von Beschaltungen solcher Bat
terien und Einsatz von separaten Elektroden.
Als Stand der Technik sind Granulate mit einzelnen Parti
keln, z. B. aus US 43 81 233 A, bekannt, die aus einer mit
wenigstens einem p-n-Übergang enthaltenden Schichtenfolge
bestehen. Nachteilig weisen die einzelnen Partikel dieses
Granulats eine stark begrenzte Effektivität hinsichtlich
der Umsetzung der Lichtenergie in elektrische Energie auf.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Granulat der eingangs ge
nannten Art zu schaffen, das eine erhöhte Effektivität der
Lichtumwandlung in elektrische Energie aufweist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Granulat mit
der Gesamtheit der in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale ge
löst. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsfor
men finden sich in den rückbezogenen Ansprüchen 2 bis 4.
Zur Elektrolyse der Flüssigkeit ist es dabei notwendig, daß
das Material mit Solarzellenfunktion eine bestimmte Min
destspannung bei Lichteinstrahlung erzeugt. Beispielsweise
beträgt diese Mindestspannung im Falle des Wassers als
Elektrolyten 1,23 Volt.
Während im Falle des Einsatzes einer üblichen Solarzelle
das Licht nur von einer Seite in die den p-n-Übergang auf
weisende Schichtenfolge eintreten kann, tiefer gelegene
Schichten zunehmend nicht mehr effektiv an die Energieum
setzung von Licht in elektrische Energie teilnehmen können,
wird im Falle eines Granulats erreicht, daß das Licht nicht
nur aus einer Orientierung in die aktive p-n-Zone, sondern
auch seitlich bis zu diesem Bereich vordringen kann.
Um so kleiner die lateralen Längsausdehnungen zumindest in
einer zur Normalen der Substratoberfläche senkrechten, aus
gezeichneten Richtung in den einzelnen Partikeln des Granu
lats gegenüber der Dicke der aktiven Schichtenfolge sind,
um so mehr tritt das Licht auch seitlich in eine solche ak
tive Zelle ein.
Gemäß Anspruch 1 weist das Granulat einzelne Partikel auf,
deren laterale Ausdehnung zumindest in einer zur Normalen
der Substratoberfläche senkrechten, ausgezeichneten Rich
tung das 5fache der Dicke der Schichtenfolge nicht über
steigt. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens wird nach Anspruch 2 eine laterale
Ausdehnung zumindest in einer zur Normalen der Substrato
berfläche senkrechten, ausgezeichneten Richtung gewählt,
die kleiner als die Dicke der Schichtenfolge ist.
Es kann nach Anspruch 3 vorteilhaft sein, als Material we
nigstens eine der in der Schichtenfolge zur Bildung der
Kontakte vorgesehenen metallischen Schichten, ein solches
Material zu wählen, das bei der Elektrolyse im Falle der
Bildung eines Gases dieses Gas gettern kann. Für den Fall,
daß das Granulat zur Elektrolyse von Wasser eingesetzt
wird, ist es zweckmäßig Kontakte vorzusehen, an denen bei
der Elektrolyse Wasserstoff entsteht, z. B. aus Palladium
oder Titan.
Verfahrensmäßig kann im Falle der Elektrolyse von Wasser
das an den Kontakten gebildete Sauerstoff- bzw. Wasser
stoffgas an der Wasseroberfläche in ein System zur Trennung
der beiden Gaskomponenten geleitet werden, wobei in be
sonderer Weise eine mit flüssigem Stickstoff betriebene
Kühlfalle zur Trennung der beiden Komponenten eingesetzt
wird. Dabei wird das H₂/O₂-Gemisch bis unter den Siedepunkt
von O₂ abgekühlt. Im Ergebnis kann damit der verflüssigte
Sauerstoff sehr leicht vom gasförmigen Wasserstoff getrennt
werden.
Um im Falle der Elektrolyse von Wasser die Trennung der
beiden Gase zu umgehen, kann eine der beiden Elektroden der
Solarzellen so ausgebildet werden, daß sie das an ihr ent
stehende Gas bindet. So ist z. B. Titan oder Palladium als
Kathode geeignet, den Wasserstoff zu binden. Dieses ge
getterte Gas kann zu einem selbstgewählten Zeitpunkt später
durch Erhitzen des Materials mit Solarzellenfunktion, ins
besondere durch Erhitzen des Granulats, gezielt wieder
freigegeben werden.
Im übrigen löst Titan bis zu 1 Atom-% Wasserstoff bei Raum
temperatur, außerdem wird Wasserstoff von Titan stark ge
gettert (etwa 5 cm³ Wasserstoff pro mg Titan). In Palladium
ist die Löslichkeit von Wasserstoff mit ca. 10 Atom-% sogar
noch wesentlich höher. Im übrigen versteht sich von selbst,
daß eine andere Möglichkeit auch darin besteht, einen ge
eigneten Zusatz zum Elektrolyten zu geben, der eines der
beiden Gase an sich bindet.
Insofern das Material mit Solarzellenfunktion als Granulat
ausgebildet ist, tritt das Licht um so wahrscheinlicher
auch seitlich in die Schichtenfolge ein, um so geringer die
laterale Längsausdehnung des einzelnen Partikels gegenüber
der Dicke der Schichtenfolge ist. In dem Falle, daß in der
Schichtenfolge mehrere als aktive Zonen vorgesehene p-n-
Übergänge vorhanden sind (bei Stapelzellen) kann jede die
ser Zonen ausreichend belichtet werden. Es wird an dieser
Stelle erwähnt, daß in vorteilhafter Weise die Kontaktsei
ten ganzflächig mit Kontaktmetall beschichtet werden kön
nen, ohne daß dieses Material lichtdurchlässig sein muß.
Die Wahl dieses Materials kann nach anderen Gesichtspunkten
erfolgen. Die Seitenwände der einzelnen Partikel können
z. B. mit SiO₂ passiviert werden. Damit wird erreicht, daß
Leck- und Kriechströme, die nicht zur Elektrolyse beitra
gen, unterbunden werden.
Insgesamt handelt es sich beim erfindungsgemäßen Granulat
um eine sehr einfache und billige Möglichkeit, Lichtener
gie in chemische Energie umzuwandeln. Ein solches Verfahren
ist von großer Bedeutung für die Wasserstofftechnologie,
bei der Wasserstoff als umweltfreundlicher Energieträger
benutzt wird.
In der Fig. 1a ist der Querschnitt eines einzelnen Parti
kels des erfindungsgemäßen Granulats dargestellt. Sie zeigt
eine abwechselnde Schichtenfolge von p+-dotierten, intrin
sischen, n+-dotierten, Si-halbleitenden Schichten (p+, i,
n+, p+, i, n+, . . . ). In dieser Stapelanordnung mehrerer ak
tiven Zonen sind die äußeren halbleitenden Schichten mit
jeweils einer der beiden kontaktbildenden metallischen
Schichten abgedeckt. Die so gebildete Schichtenfolge hat
eine Dicke D von etwa 20-500 µm, während wie in der Figur
dargestellt, die laterale Ausdehnung L etwa nur 1/5 dieser
Dicke beträgt.
In der Fig. 1b ist der Querschnitt eines einzelnen Parti
kels des Granulats gezeigt, bei dem die Schichtenfolge meh
rere Einzelzellen mit zwei innenliegenden Metallschichten
als Kontakt aufweist.
Das Substratmaterial wurde in den schematischen Darstel
lungen der Fig. 1a und 1b nicht eingezeichnet. Es ist
nicht notwendig, daß das Material mit Solarzellenfunktion,
insbesondere das Granulat Substratmaterial aufweist. Genau
so gut kann das Material in der hier beschriebenen Weise
als Schichtenfolge ohne Substratmaterial eingesetzt werden.
Durch den seitlichen Eintritt der Lichteinstrahlung wird
jede aktivierte Zone dem Licht ausgesetzt. Die Hinterein
anderschaltung mehrerer Einzelzellen innerhalb eines Parti
kels bewirkt im Ergebnis eine Spannungsvervielfachung der
Ausgangsspannung des Materials mit Solarzellenfunktion.
Claims (4)
1. Granulat mit einzelnen Partikeln, die aus einer
mit wenigstens einem p-n-Übergang enthaltenden
Schichtenfolge bestehen,
dadurch gekennzeichnet,
daß im einzelnen Partikel die laterale Ausdehnung
(L) zumindest in einer zur Normalen der Schich
tenfolge senkrechten, ausgezeichneten Richtung
das 5fache der Dicke (D) der Schichtenfolge nicht
übersteigt.
2. Granulat nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im einzelnen Partikel die laterale Ausdehnung
(L) zumindest in einer zur Normalen der Schich
tenfolge senkrechten, ausgezeichneten Richtung
kleiner als die Dicke (D) der Schichtenfolge ist.
3. Granulat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Material wenigstens einer der in der
Schichtenfolge zur Bildung der Kontakte vorgesehe
nen, metallischen Schichten ein solches gewählt
wird, das bei Elektrolyse im Falle der Bildung ei
nes Gases dieses Gas gettert.
4. Granulat nach Anspruch 1, 2 oder 3
gekennzeichnet durch
Palladium oder Titan als Material für den Kon
takt.
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