DE4306410A1

DE4306410A1 - Verfahren zur Herstellung einer photoelektrochemischen Zelle

Info

Publication number: DE4306410A1
Application number: DE4306410A
Authority: DE
Inventors: Heidemarie Gutzeit; Hans Dr Nienburg; Volker Feik; Andreas Dr Belzner; Reinhard Dr Knoedler
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1993-03-02
Filing date: 1993-03-02
Publication date: 1994-09-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel lung einer photoelektrochemischen Zelle gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruches 1.

Solche photoelektrochemischen Zellen kommen dort zum Ein satz, wo Licht, insbesondere Sonnenlicht unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt werden soll. Aus der deu tschen Patentanmeldung P 42 07 659.5 ist eine photoelekt rochemische Zelle bekannt, die ein photoaktive Schicht auf weist, welche zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten angeordnet sind, die als Stromabnehmer dienen. Die photoak tive Schicht wird durch eine Titandioxidschicht mit sehr hoher Porosität gebildet, in welche ein flüssiger Elektro lyt und ein Farbstoff bzw. ein Chromophor eingelagert ist. Die beiden Funktionen der Lichtabsorption und der Ladungs trägertrennung erfolgen in dieser photoaktiven Schicht ge trennt. Das Licht wird von dem Chromophor absorbiert, wo durch es zur Elektronenanregung kommt. Die von dem Chromo phor abgegebenen Elektronen wandern über das Titandioxid in die zweite elektrisch leitende Schicht. Das Chromophor gleicht seinen Ladungsdefizit mit Elektronen aus der Jod /Jodidlösung des Elektrolyten aus. Diesem fließen wiederum Elektronen aus der ersten elektrisch leitenden Schicht zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem photoaktive Schichten mit einer genau vorgegebenen Dicke, rißfrei und einfach hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können photoaktive Schichten, die eine Dicke zwischen 5 µm und 20 µm aufwei sen sollen, mit einer Genauigkeit von ± 2 µm hergestellt werden. Das Verfahren ermöglicht es, die photoaktiven Schichten mit einer sehr hohen Porosität auszubilden. Diese hohe Porosität wird dadurch erreicht, daß die photoaktiven Schichten aus einer Paste hergestellt werden. Die Paste wird aus einem organischen Lösungsmittel, einem organischen Bindemittel und einem Dispergiermittel unter Verwendung von pulverförmigem Titandioxid gefertigt. Die in dieser Paste enthaltenen Teilchen sind soweit wie möglich deagglome riert. Die photoaktiven Schichten werden dadurch homogeni siert, so daß sie eine effektivere Leitfähigkeit aufweisen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der photoelektrochemischen Zellen verbessert. Die Paste wird anschließend mittels Sieb- oder Schablonendruck auf eine der beiden elektrisch leitende Schicht aufgetragen, zwischen denen die photoak tive Schicht angeordnet ist. Soll die photoaktive Schicht einige µm dick ausgebildet werden, so besteht die Möglich keit, die Schicht in mehreren Schritten auszubilden. Hier für wird zunächst eine Schicht mit einer Dicke von 10 µm ausgebildet. Diese Schicht wird anschließend getrocknet. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Paste ist ein riß freies Trocknen dieser Schicht problemlos möglich. Auf die getrocknete Schicht kann dann zur Vergrößerung ihrer Dicke nochmals mit der Paste gedruckt werden. Die bisher be kannten Verfahren erlauben eine solche Zwischentrocknung nicht. Solche photoaktive Schichten, die anschließend bei 300°C gesintert werden, erweisen sich als voll funktions fähig. Photoelektrochemische Zellen, die mit photoaktiven Schichten versehen sind, welche eine Dicke von 10 µm auf weisen, haben einen Wirkungsgrad von 8% bei einer Strom dichte von 18 Milliampere/cm². Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt eine photoelektrochemische Zelle 1 im Schnitt. Sie wird im wesentlichen durch eine photoaktive Schicht 2, eine erste und eine zweite elektrisch leitende Schicht 3 und 4, eine Schicht aus getempertem Glas 5 und einer als Halterung dienenden Schicht 6 aus einem flexiblem Material, vorzugs weise einem Kunststoff gebildet. Die photoaktive Schicht 2 wird aus Titandioxid gefertigt und weist eine sehr hohe Porosität auf. In ihr ist ein flüssiger Elektrolyt eingela gert, der durch Jod/Jodid in Ethylen-/Propylencarbonat ge bildet wird. Als Farbstoff werden beispielsweise Komplexe von Ruthenium und Osmium sowie Phorphyrine oder Cyanide verwendet. Zur Herstellung der photoaktiven Schicht 2 wird zunächst eine Paste gebildet. Hierfür wird ein Lö sungsmittel in Form von Terpineol oder ein Gemisch aus Ter pineol, einem Alkohol oder einem Glykol benutzt. Bei Ver wendung eines solchen Gemisches aus Terpineol und Alkohol oder Ethylenglykol werden dem Terpineol 20 bis 40 Gew.% Alkohol oder die entsprechende Menge an Ethylenglykol bezo gen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittels beigemischt. Anschließend erhält das Lösungsmittel ein Bindemittel in Form Ethylcellulose als weiteren Zusatz. Vorzugsweise werden 1 bis 5 Gew.% Ethylcellulose in 95 bis 99 Gew.% Lösungsmittel aufgelöst. Um eine bessere Lösung des Binde mittels zu bewirken, erfolgt das Auflösen des Bindemittels bei einer Temperatur von etwa 50°C. Dem soweit vorbe reiteten Lösungsmittel werden 0,1 bis 2 Gew.% Dispergier mittel beigemischt, das in einem Alkohol oder Ethylenglykol enthalten ist. Das Gewichtsverhältnis zwischen dem vorbe reiteten Lösungsmittel und dem Alkohol bzw. Ethylenglykol, der das Dispergiermittel enthält, beträgt 3 : 1. Als Disper giermittel werden p-OH-Benzoesäure, Akrylsäure-Copolymere oder deren Na bzw. NH₄⁺ Salze verwendet. Die so herge stellte Lösung wird in Titandioxidpulver eingeknetet, das eine Korngröße von 5 bis 50 nm aufweist. Der Paste wird so lange von dem vorbereiteten Lösungsmittel zugemischt, bis diese eine Viskosität aufweist, welche für den Sieb- oder Schablonendruck geeignet ist. Beim Einkneten der Lösung wird die Paste mehrmals gewalzt. Anschließend wird die Pa ste entweder auf die elektrisch leitende Schicht 3 bzw. 4 aufgetragen. Die Dicke der photoaktiven Schicht beträgt vorzugsweise 5 bis 20 µm. Soll eine photoaktive Schicht 2 mit einer größeren Dicke aufgebracht werden, so wird die Paste zunächst soweit aufgetragen, daß eine Schicht von etwa 10 µm gebildet wird. Anschließend wird diese Schicht getrocknet. Auf diese getrocknete Schicht kann nochmals ge druckt werden, so daß sich eine Schicht mit der gewünschten Dicke problemlos herstellen läßt. Anschließend wird die zur Schicht 2 auf getragene Paste bei 300°C gesintert. Die Fer tigstellung der photoelektrochemischen Zelle 1 kann dann fortgesetzt werden, indem entweder auf die photoaktive Schicht eine der elektrisch leitenden Schichten aufgebracht wird, je nachdem, ob die photoaktive Schicht 2 auf die er ste oder zweite elektrisch leitende Schicht 3 bzw. 4 aufge tragen wurde.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer photoelektrochemi schen Zelle (1) mit wenigstens einer photoaktiven Schicht (2), die zwischen einer ersten und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht (3, 4) angeordnet ist, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Herstellung der photoaktive Schicht (2) eine Paste mittels Sieb- oder Schablonendruck auf die erste oder zweite elektrisch leitende Schicht aufgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste aus wenigstens einem organisches Lö sungsmittel, wenigstens einem organischen Bindemittel und einem organischen Dispergiermittel sowie einem pulver förmigen Titandioxid, das eine Primärteilchengröße von 5 bis 50 nm aufweist, hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Paste ein Lösungsmittel in Form von Terpineol oder einem Gemisch aus Terpineol und Alkohol oder Ethylenglykol verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel aus einem Gemisch aus Terpineol und 20 bis 40 Gew.% Alkohol oder Ethylenglykol bezogen auf-das Gesamtgewicht des Lösungsmittels gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Alkohol oder Ethylenglykol, dem 0,1 bis 2 Gew.% eines Dispergiermittels bezogen auf das Gesamtge wicht des Alkohols oder des Ethylenglykols beigemischt sind, mit dem Lösungsmittel vermischt wird, wobei das Ver hältnis Lösungsmittel zu Alkohol bzw. Etyhlenglykol 3 : 1 ge wählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, als Dispergiermittel p-OH-Benzoesäure, Akrylsäure-Copolymere oder deren Na- oder NH₄⁺-Salze ver wendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel, in das pulverförmige Titandioxid eingeknetet wird, welches eine Teilchengröße zwischen 5 und 50 nm aufweist, und daß die Paste während ihrer Herstellung mehrere Male gewalzt und solange Lösungs mittel zugesetzt wird, bin die Viskosität der zu bildenden Paste für einen Sieb- oder Schablonendruck erreicht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die photoaktive Schicht durch Auftragen der Paste und anschließendes Sintern bei 300°C gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste bis zu einer Dicke von 10 µm aufgetragen und anschließend getrocknet und daraufhin die getrocknete Schicht nochmals mit Paste bedruckt und die ge samte photoaktive Schicht (2) anschließend bei 300°C gesin tert wird.