DE4227963C2 - Granulat - Google Patents

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.

Ausführungsbeispiel

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.