DE60302662T2

DE60302662T2 - Verfahren und vorrichtung zum färben einer schicht aus nanokristallinem material

Info

Publication number: DE60302662T2
Application number: DE60302662T
Authority: DE
Inventors: Martin SPÄTH; Petrus Nicolaas VAN DER BURG; Roberto Danny MAHIEU; Mathieu Paul SOMMELING
Original assignee: Energieonderzoek Centrum Nederland ECN
Current assignee: Energieonderzoek Centrum Nederland ECN
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: NL1020748C2; EP1509935A1; EP1509935B1; US7709051B2; JP4418365B2; AU2003238710B2; US20060107471A1; AU2003238710A1; JP2005528749A; WO2003102985A8; DE60302662D1; WO2003102985A1; WO2003102985A9; ATE312407T1; ES2253680T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Färben einer Schicht von einem nanokristallinen Material auf einem Substrat mit einem flüssigen Farbstoff.
Ein Beispiel für eine Schicht von nanokristallinem Material auf einem Substrat ist die Arbeitselektrode eines flüssigkeitshaltigen photovoltaischen Elements.
Ein flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element ist aus dem amerikanischen Patent Nr. 5,350,644 bekannt. Das bekannte flüssigkeitshaltige photovoltaische Element umfasst eine Arbeitselektrode, die aus einer Schichtstruktur von zumindest einer ersten elektrisch leitenden Schicht, die zum Beispiel auf einem ersten Substrat aufgetragen ist oder sogar ein erstes Substrat bildet, einer auf der ersten elektrisch leitenden Schicht aufgetragenen Schicht von nanokristallinem Metalloxid-Halbleitermaterial, einer Gegenelektrode, die von einer auf einem transparenten zweiten Substrat aufgetragenen, transparenten zweiten elektrisch leitenden Schicht gebildet wird, und einer sich zwischen der Schicht von Halbleitermaterial und der zweiten elektrisch leitenden Schicht befindenden Elektrolytflüssigkeit besteht. In der Praxis wird für das erste und zweite Substrat gewöhnlich von einer Glasplatte Gebrauch gemacht. Das nanokristalline Metalloxid-Halbleitermaterial ist mit einem organischen Farbstoff gefärbt, der das Halbleitermaterial für auf das photovoltaische Element einfallendes Licht sensibilisiert, um mit diesem einfallenden Licht einen photovoltaischen Effekt zu verursachen, mit dem Resultat, dass ein negativer und ein positiver elektrischer Ladungsträger (ein Elektron beziehungsweise ein Loch) entstehen.
Während der Herstellung einer Arbeitselektrode muss diese mit einem organischen Farbstoff gefärbt werden.
Bei dem bekannten Stand der Technik findet das Färben je nach Wahl schub- oder stückweise, jedoch in beiden Fällen manuell statt. Hier wird die Oberfläche einer Arbeitselektrode nacheinander mit dem organischen Farbstoff in Kontakt gebracht, erhitzt und mit einem Ethanol gespült und getrocknet.
Manuelles Färben von Arbeitselektroden hat den Nachteil, dass es arbeitsintensiv, zeitaufwendig und teuer ist. Außerdem ist es schwierig, während des manuellen Färbens die Prozessparameter, wie Farbstoffkonzentration, Prozesstemperatur und Dauer des Färbeprozesses zu kontrollieren.
Aus US 2001/004901 ist ein Verfahren zum Färben einer Schicht von einem nanokristallinen Material auf einem Substrat mit einem flüssigen Farbstoff bekannt, bei dem der flüssige Farbstoff in einem abgeschlossenen Raum, der von gegenüberliegenden Substraten gebildet wird, von denen eines mit nanokristallinem Material versehen ist, in Zirkulation gebracht wird. Die Substrate werden mit einer Glasurmasse mit einem Zwischenraum zusammengekittet, und es werden Einlass- und Auslassöffnungen in dem abgeschlossenen Raum gebildet, durch welche die Farbstofflösung durch Pumpen in Zirkulation gebracht wird. Die Zirkulation wird von einer Pumpe und über einen Schlauch und einen Vorratsbehälter für den flüssigen Farbstoff bewirkt.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, nach dem eine Schicht von einem nanokristallinen Material auf einem Substrat, und insbesondere einer Arbeitselektrode, in kurzer Zeit gefärbt werden kann.
Es ist ein weiteres Ziel, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, nach dem die für den Färbeprozess wichtigen Prozessparameter auf reproduzierbare Weise und innerhalb der vorher festgelegten Toleranzen eingestellt werden können.
Diese Ziele werden mit einem Verfahren des in der Präambel beschriebenen Typs erreicht, und dieses Verfahren umfasst gemäß der Erfindung die aufeinander folgenden Schritte: (i) das Verschaffen besagter Schicht auf einem Substrat, (ii) das Verschaffen einer Vorrichtung zum Färben besagter Schicht, und diese Vorrichtung umfasst zumindest einen Vorratsbehälter für den flüssigen Farbstoff, einen verschließbaren Substratbehälter für ein Substrat, das mit einer Schicht von nanokristallinem Material versehen ist, und der Substratbehälter ist mit zumindest einem Einlass und zumindest einem Auslass versehen, die über eine Zirkulationsleitung an den Vorratsbehälter angeschlossen sind, und diese Vorrichtung umfasst weiter Leitungs- und Zirkulationsmittel, um den flüssigen Farbstoff durch den Vorratsbehälter und den Substratbehälter zirkulieren zu lassen und gegen die Schicht von nanokristallinem Material strömen zu lassen, (iii) das Legen des Substrats mit besagter Schicht in den Substratbehälter und das Schließen des Substratbehälters, und das Verschaffen eines flüssigen Farbstoffs in dem Vorratsbehälter und (iv) den flüssigen Farbstoff aus dem Vorratsbehälter während einer bestimmten Zeit durch den Substratbehälter zirkulieren lassen und gegen die Schicht von nanokristallinem Material strömen lassen.
Vorzugsweise ist der in Schritt (ii) zur Verfügung zu stellende Substratbehälter mit Heizmitteln versehen, und werden in dem vierten Schritt (iv) das Substrat und der flüssige Farbstoff während der Zirkulation des flüssigen Farbstoffs mit Hilfe dieser Heizmittel erhitzt.
Die Adhäsion des flüssigen Farbstoffs an dem nanokristallinen Material wird durch Erhitzen des flüssigen Farbstoffs und des Substrats verbessert.
In einem Verfahren gemäß der Erfindung wird der flüssige Farbstoff während der Durchführung des vierten Schrittes (iv) in dem Substratbehälter in Turbulenz gebracht, so dass der flüssige Farbstoff in einer so kurz wie möglichen Zeit mit der ganzen Oberfläche des zu färbenden nanokristallinen Materials in Kontakt gebracht wird und die Prozesszeit auf diese Weise so kurz wie möglich gehalten wird.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des hier oben beschriebenen Verfahrens, und diese Vorrichtung gemäß der Erfindung umfasst einen Vorratsbehälter für einen flüssigen Farbstoff, einen verschließbaren Substratbehälter für ein mit einer Schicht von nanokristallinem Material versehenes Substrat, und der Substratbehälter ist mit zumindest einem Einlass und zumindest einem Auslass versehen, die über eine Zirkulationsleitung an den Vorratsbehälter angeschlossen sind, und diese Vorrichtung umfasst weiter Leitungs- und Zirkulationsmittel, um den flüssigen Farbstoff von dem Vorratsbehälter durch den Substratbehälter zirkulieren zu lassen und gegen die Schicht von nanokristallinem Material strömen zu lassen.
In einer praktisch vorteilhaften Ausführung umfasst der Substratbehälter gemäß der Erfindung eine Plattform, um darauf das Substrat zu legen, und diese Plattform ist mit zumindest einem mit dem Einlass zusammenarbeitenden Einlasskanal, der mit Abflussöffnungen versehen ist, die auf ein auf die Plattform gelegtes Substrat gerichtet sind, und mit zumindest einem mit dem Auslass zusammenarbeitenden Auslasskanal, der mit Zuflussöffnungen versehen ist, versehen.
In dieser letzteren Ausführung ist die Plattform zum Beispiel aus einem chemisch inerten Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt.
Der Substratbehälter ist vorzugsweise mit Heizmitteln zum Erhitzen von einem in den Substratbehälter gelegten Substrat und durch diesen Behälter zirkulierenden Farbstoff versehen.
In einer Ausführung umfassen solche Heizmittel ein induktives Element.
In einer anderen Ausführung umfassen solche Heizmittel ein Widerstandselement, das zum Beispiel aus einem transparenten leitenden Oxid (TCO) hergestellt ist, das auf einer Platte angebracht ist, die sich in Betriebszustand über ein in den Substratbehälter gelegtes Substrat erstreckt.
Die Erfindung wird im Nachfolgenden auf Basis eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung und mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt.
In den Zeichnungen zeigen:
1 in Draufsicht eine Ausführung eines Substratbehälters für eine Vorrichtung zum Färben einer Arbeitselektrode für eine Solarzelle, und
2 einen vertikalen Querschnitt entlang der Linie II-II durch den in 1 abgebildeten Substratbehälter.
In den Zeichnungen werden übereinstimmende Teile mit denselben Verweiszahlen angedeutet.
1 zeigt einen Substratbehälter 1, der mit Einlässen 2 und Auslässen 3 versehen ist, die über eine Zirkulationsleitung (nicht abgebildet) an einen Vorratsbehälter (nicht abgebildet) für einen flüssigen Farbstoff, der mit Gebrauch einer Pumpe (nicht abgebildet) in Richtung der Pfeile 4 durch den Substratbehälter 1 und den Vorratsbehälter in Zirkulation gebracht werden kann, angeschlossen sind. In Substratbehälter 1 ist eine Platte eingelegt, die eine Plattform 5 bildet, auf die ein Substrat gelegt werden kann, und diese Plattform 5 ist mit jeweiligen Einlasskanälen 6, die an Einlässe 3 angeschlossen sind und die mit Ausflussöffnungen 7 versehen sind, die auf ein auf Plattform 5 gelegtes Substrat gerichtet sind und aus denen flüssiger Farbstoff fließen kann (symbolisch angedeutet mit Pfeilen 10), und mit jeweiligen Auslasskanälen 8, die an Auslässe 3 angeschlossen und mit Zuflussöffnungen 9 versehen sind, versehen.
2 zeigt den Substratbehälter 1 in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie II-II in 1, mit, zusätzlich zu den bereits beschriebenen Komponenten, einer Heizplatte 15, die an ihrer Unterseite mit einem Abstandsring 13 mit einer Dichtung 14 aus einem geeigneten Siliconmaterial versehen ist. In Heizplatte 15 ist eine Widerstandsschicht von einem transparenten leitenden Oxid (TCO) angebracht, die mit elektrischen Anschlüssen (nicht abgebildet) versehen ist. Im Betriebszustand wird die Heizplatte mit Hilfe eines pneumatischen Presselements (nicht abgebildet) auf eine Arbeitselektrode 16 gepresst, deren zu färbende Schicht von nanokristallinem Material nach unten gerichtet ist und von der ein nicht mit nanokristallinem Material bedeckter Umfangsrand auf Dichtung 14, mit der die Arbeitselektrode auf der Plattform 5 abgedichtet wird, ruht. Während des Färbens fließt flüssiger Farbstoff, der vorzugsweise auf eine Temperatur von zum Beispiel 60°C vorgeheizt ist, über Einlässe 2, Einlasskanäle 6 und Ausflussöffnungen 7 gemäß Pfeilen 10 gegen die Arbeitselektrode 16, die mit Hilfe der Heizplatte 15 auf eine Temperatur von maximal 60°C erhitzt wird.

Claims

Verfahren zum Färben einer Schicht von einem nanokristallinen Material auf einem Substrat (16) mit einem flüssigen Farbstoff, und dieses Verfahren umfasst die aufeinander folgenden Schritte: (i) das Verschaffen besagter Schicht auf einem Substrat (16), (ii) das Verschaffen einer Vorrichtung zum Färben besagter Schicht, und diese Vorrichtung umfasst zumindest einen Vorratsbehälter für den flüssigen Farbstoff, einen verschließbaren Substratbehälter (1) für ein Substrat (16), das mit einer Schicht von nanokristallinem Material versehen ist, und der Substratbehälter (1) ist mit zumindest einem Einlass (2) und zumindest einem Auslass (3) versehen, die über eine Zirkulationsleitung an den Vorratsbehälter angeschlossen sind, und diese Vorrichtung umfasst weiter Leitungs- und Zirkulationsmittel (6, 7, 8, 9), um den flüssigen Farbstoff durch den Vorratsbehälter und den Substratbehälter (1) zirkulieren zu lassen und gegen die Schicht von nanokristallinem Material (16) strömen zu lassen, (iii) das Legen des Substrats (16) mit besagter Schicht in den Substratbehälter (1) und das Schließen des Substratbehälters (1), und das Verschaffen eines flüssigen Farbstoffs in dem Vorratsbehälter und (iv) den flüssigen Farbstoff aus dem Vorratsbehälter während einer bestimmten Zeit durch den Substratbehälter (1) zirkulieren lassen und gegen die Schicht von nanokristallinem Material (16) strömen lassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt (ii) eine Vorrichtung verschafft wird, die einen Substratbehälter (1) umfasst, der mit Heizmitteln (15) versehen ist, und in dem vierten Schritt (iv) das Substrat (16) und der flüssige Farbstoff während der Zirkulation des flüssigen Farbstoffs mit Hilfe der besagten Heizmittel (15) erhitzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Farbstoff während der Durchführung des vierten Schrittes (iv) in dem Substratbehälter (1) in Turbulenz gebracht wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, und diese Vorrichtung umfasst zumindest einen Vorratsbehälter für einen flüssigen Farbstoff, einen verschließbaren Substratbehälter (1) für ein mit einer Schicht von nanokristallinem Material versehenes Substrat (16), und der Substratbehälter (1) ist mit zumindest einem Einlass (2) und zumindest einem Auslass (3) versehen, die über eine Zirkulationsleitung an den Vorratsbehälter angeschlossen sind, und diese Vorrichtung umfasst weiter Leitungs- und Zirkulationsmittel (6, 7, 8, 9), um den flüssigen Farbstoff durch den Vorratsbehälter und den Substratbehälter (1) zirkulieren zu lassen und gegen die Schicht von nanokristallinem Material (16) strömen zu lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratbehälter (1) eine Plattform (5) umfasst, um darauf das Substrat (16) zu legen, und diese Plattform (5) ist mit zumindest einem mit dem Einlass (2) zusammenarbeitenden Einlasskanal (6), der mit Abflussöffnungen (7) versehen ist, die auf ein auf die Plattform (5) gelegtes Substrat (16) gerichteten sind, und mit zumindest einem mit dem Auslass (3) zusammenarbeitenden Auslasskanal (8), der mit Zuflussöffnungen (9) versehen ist, versehen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (5) aus einem chemisch inerten Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (5) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4–7 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratbehälter (1) mit Heizmitteln (15) zum Erhitzen von einem in den Substratbehälter (1) gelegten Substrat (16) und durch diesen Behälter zirkulierenden Farbstoff versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel ein induktives Element umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15) ein Widerstandselement umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (15) aus einem transparenten leitenden Oxid (TCO) hergestellt ist, das auf einer Platte angebracht ist, die sich in Betriebszustand über ein in den Substratbehälter (1) gelegtes Substrat (16) erstreckt.