DE4416247A1 - Monolithische, serienverschaltete, farbstoffsensibilisierte photovoltaische Module - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft monolithische, serienverschaltete, farbstoffsensibilisierte photovoltaische Module, die aus farbstoffsensibilisierten nanoporösen Halbleiterelektroden als Photoelektroden auf elektrisch leitendem, durchsichtigem Substrat, einem Elektronen übertragenden Elektrolyten und Gegenelektroden bestehen. Photovoltaische Einzelzellen dieser Art sind bereits beschrieben worden (Journal of the American Chemical Society, Band 115, Jahrgang 1993, Seiten 6382-6390). Danach wird Zinnoxid beschichtetes Glas als elektrisch leitendes, durchsichtiges Substrat mit einer porösen Halbleiterschicht aus nanokristallinem Titandioxid als Photoelektrode versehen und durch Adsorption eines Farbstoffes für sichtbares Licht sensibilisiert. Der durch Lichtabsorption angeregte Farbstoff injiziert Elektronen in das Titandioxid, die über das leitende Substrat in den äußeren Stromkreis gelangen und dort elektrische Arbeit leisten können. Der oxidierte Farbstoff wird durch einen Elektronen übertragenden Elektrolyten reduziert, der die Poren der Photoelektrode und den Zwischenraum bis zur Gegenelektrode ausfüllt. Die Gegenelektrode besteht meist ebenfalls aus Zinnoxid beschichtetem Glas, das mit Platin katalytisch aktiviert ist, um die aus dem äußeren Stromkreis ankommenden Elektronen auf den Elektrolyten zurück zu übertragen.

Die Herstellung großflächiger Zellen ist bisher mit Schwierigkeiten verbunden, da der Abstand zwischen Photo- und Gegenelektrode aufgrund von Unebenheiten der separaten Substrate schnell zu groß wird (< 20 µm), so daß Ohmsche Verluste und sogar Diffusionsbegrenzung des Photostromes in der Elektrolytschicht auftreten. Zudem reicht die Leitfähigkeit des Substrates nicht aus um die von großflächigen Zellen erzeugten Photoströme abzuleiten. Als Lösung bietet sich die von amorphen Siliziumzellen her bekannte Serienschaltung von streifenförmigen Einzelzellen zu Modulen an, bei der die Gegenelektrode einer Zelle mit der Photoelektrode der nächsten Zelle elektrisch verbunden ist (Solar Energy, Band 23, Jahrgang 1979, Seiten 145-147). Bei dem gegenwärtigen Aufbau der farbstoffsensibilisierten photovoltaischen Zelle würde dies jedoch eine elektrisch leitende Brücke erfordern, die vom leitenden Substrat durch den Elektrolyten zum anderen Substrat reicht. Abgesehen von Materialproblemen in Gegenwart des korrosiven Elektrolyten ist die Herstellung linienförmiger Kontakte zwischen den aufeinanderliegenden Substraten bei Temperaturen die nicht zur Zerstörung des Farbstoffes führen schwer zu verwirklichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Abstand von Photo- und Gegenelektrode auch bei großflächigen Zellen klein zu halten und mehrere Zellen zu einem photovoltaischen Modul in Serie zu verschalten.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere Photoelektroden auf demselben Substrat in parallelen Streifen angeordnet sind und, eventuell getrennt durch eine poröse Isolatorschicht, mit porösen Gegenelektroden so beschichtet sind, daß diese das leitende Substrat der nächsten Photoelektrode kontaktieren. Der Farbstoff läßt sich anschließend durch die porösen Gegenelektroden hindurch auf den Photoelektroden adsorbieren. Die Poren der Beschichtungen werden schließlich mit Elektrolyt gefüllt und das Modul mit einer Deckschicht versiegelt. Diese Anordnung ist weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die poröse Isolatorschicht besteht vorzugsweise aus einem feinkörnigen Glas- oder Keramikpulver.

Für die poröse Gegenelektrode eignen sich insbesondere Metallpulver, elektrisch leitende Keramikpulver, Kohlenstoffpulver oder Kohlenstoffilz, sowie elektrisch leitend Polymere. Die poröse Oberfläche der Gegenelektrode kann durch Abscheidung eines Platinmetalls katalytisch aktiviert werden.

Vorzugsweise werden benachbarte Gegenelektroden durch einen nichtporösen Isolator, der mit der Deckschicht identisch sein kann, voneinander isoliert.

Die porösen Schichten werden zweckmäßigerweise durch Siebdruck aufgetragen. Die porösen Schichten können auch zunächst ganzflächig aufgetragen und erst nachträglich in parallele Streifen unterteilt werden.

Die Erfindung weist folgende Vorteile auf: Photo- und Gegenelektroden sind übereinander auf demselben Substrat angeordnet, so daß ihr Abstand unabhän­ gig von Unebenheiten des Substrates minimal bleibt. Der Elektrolyt bildet keine zusätzliche Schicht, sondern ist in den porösen Schichten fixiert. Die Gegenelektrode hat aufgrund ihrer porösen Beschaffenheit eine vergrößerte Oberfläche, was ihre Aktivität für den Elektronenaustausch mit dem Elektrolyten erhöht. Die Serienschaltung mehrerer Zellen ergibt sich durch ein­ fache Überlappung der Gegenelektroden mit dem leitenden Substrat der jeweils anschließenden Photoelektrode. Sämtlich elektrischen Verbindungen sind ausgebildet bevor der gegenüber Hitze und Feuchtigkeit empfindliche Farbstoff und Elektrolyt aufgetragen werden. Die Deckschicht dient nur zur Versiegelung und elektrischen Isolierung, hat aber keine stromleitende Funktion.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Abbildung zeigt einen - nicht maßstäblichen - Querschnitt des photovoltaischen Modules. Die transparente, leitfähige Beschichtung 2 (z. B. Fluor dotiertes Zinnoxid, Zinn dotiertes Indiumoxid) auf dem isolierenden Substrat 1 (z. B. Glas, Kunststoff) wird in parallelen Linien 3 in gewünschtem Abstand entfernt (z. B. mechanisch, durch Ätzen oder mit einem Laserstrahl) um die Fläche jeder Einzelzelle zu definieren.

Eine Dispersion von nanokristallinem Halbleiterpulver (z. B. Titandioxid) wird (etwa 10 µm dick, z. B. mittels Siebdruck durch eine geeignete Maske) als Photoelektroden 4 so aufgetragen, daß diese etwas über die eine Kante der leitenden Beschichtungen 2 hinausragen, die andere Kante aber unbedeckt lassen. Die Photoelektroden 4 können auch zunächst ganzflächig aufgetragen und anschließend (z. B. mechanisch, durch Ätzen oder mit einem Laserstrahl) in parallele Streifen unterteilt werden.

Eventuell werden die Photoelektroden 4 mit einer Dispersion von feinkörnigem Glas- oder Keramikpulver (z. B. Aluminiumoxid, Siliziumdioxid) als poröser Isolatorschicht 5 überdeckt (etwa 1 µm dick, z. B. durch Siebdruck), um Kurzschlüsse zu vermeiden, falls das Material der Gegenelektroden 6 einen Ohmschen Kontakt mit den Photoelektroden 4 bildet.

Ein Metallpulver (z. B. ein Platinmetall, Titan, Wolfram, Molybdän, Chrom), elektrisch leitendes Keramikpulver (z. B. Fluor dotiertes Zinnoxid, Zinn dotiertes Indiumoxid), Kohlenstoffpulver oder Kohlenstoffilz, oder ein elektrisch leitendes Polymer (z. B. Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen) eventuell versehen mit einem katalytischen Belag eines Platinmetalles, wird als Gegenelektrode 6 (wenige µm dick) so aufgetragen, daß sie die Photoelektroden 4 und die unbeschichtete Kante der leitenden Beschichtung 2 unter der jeweils nächsten Photoelektrode 4 überdecken. Hierdurch werden die parallel angeordneten Einzelzellen elektrisch zu einem Modul serienverschaltet.

Die Lücken 7 zwischen den Gegenelektroden 6 können sowohl mittels Siebdruck durch eine entsprechende Maske als auch durch nachträgliches Entfernen (z. B. mechanisch, durch Ätzen oder mit einem Laserstrahl) geschaffen werden. Die Lücken 7 sollten mit einem nichtporösen Isolator (z. B. Silikonkautschuk, Glaslot, ein organisches Polymer), der mit der Deckschicht 8 identisch sein kann, ausgefüllt werden, um Querströme durch den Elektrolyten zwischen dem Gegenelektroden 6 zu vermeiden.

Die Schichten 4-6 können zu einem beliebigen Zeitpunkt gefeuert werden um unerwünschte Hilfsmittel (z. B. Lösungsmittel) zu entfernen und die elektrischen und mechanischen Eigenschaften durch Sintern zu verbessern.

Das beschichtete Substrat 1 wird in eine Farbstofflösung getaucht um die Photoelektroden 3 zu sensibilisieren. Nach dem Trocknen werden die Poren der Schichten 4-6 mit Elektrolyt gefüllt. Das Modul wird durch eine Deckschicht 8 (z. B. Glas, Kunststoff, anodisiertes Aluminium, Lack oder einen anderen Isolator) sowie an den Rändern abgedichtet. Das Modul wird an der ersten Gegenelektrode 9 und der letzten Photoelektrode 10 der Serienschaltung elektrisch kontaktiert.

Claims (6)

1. Monolithische, serienverschaltete, farbstoffsensibilisierte photovoltaische Module bestehend aus farbstoffsensibilisierten, nanoporösen Halbleiterschichten als Photoelektroden (4) auf elektrisch leitendem, durchsichtigen Substrat (1), einem Elektronen übertragenden Elektrolyten und Gegenelektroden (6), dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Photoelektroden (4) in parallelen Streifen auf dem zwischen ihnen unterbrochenen elektrischen Belag (2) angeordnet sind und, eventuell getrennt durch eine poröse, elektrisch isolierende Zwischenschicht (5), mit aus porösem, elektrisch leitenden Material bestehen­ den Gegenelektroden (6) in der Weise beschichtet sind, daß diese auf einer Seite den leitenden Belag (2) der benachbarten Photoelektrode (4) kontaktieren und so nach Adsorption des Farbstoffes durch die porösen Gegenelektroden (6) und Zwischenschichten (5) auf den Photoelektroden (4) und Füllen der Poren der porösen Schichten (4-6) mit Elektrolyt und Versiegelung mit einer Deckschicht (8) eine Serienschaltung photovoltaischer Zellen auf einem gemeinsamen Substrat entsteht.

2. Module nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Zwischenschichten (5) aus einem feinkörnigen Glas- oder Keramikpulver (z. B. Aluminiumoxid, Siliziumdioxid) bestehen.

3. Module nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektroden (6) aus einem Metallpulver (z. B. einem Platinmetall, Titan, Wolfram, Molybdän, Chrom), einem elektrisch leitenden Keramikpulver (z. B. Fluor dotiertes Zinnoxid, Zinn dotiertes Indiumoxid), Kohlenstoffpulver oder Kohlenstoffilz, oder einem elektrisch leitenden Polymer (z. B. Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen) bestehen und nötigenfalls mit einem katalytischen Belag eines Platinmetalles versehen sind.

4. Module nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektroden (6) durch einen nichtporösen Isolator (z. B. Silikonkautschuk, Glaslot, ein organisches Polymer), der mit der Deckschicht (8) identisch sein kann, elektrisch voneinander isoliert sind.

5. Module nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Schichten (4-6) durch Siebdruck aufgebracht werden.

6. Module nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Schichten (4-6) zunächst ganzflächig aufgebracht werden (z. B. durch Sprühen), und erst nachträglich mechanisch, durch Ätzen oder mit einem Laserstrahl in parallele Streifen unterteilt werden.