DE60303300T2

DE60303300T2 - Verfahren und vorrichtung zum füllen einer farbstoffsensibilisierten solarzelle mit elektrolyt

Info

Publication number: DE60303300T2
Application number: DE60303300T
Authority: DE
Inventors: Roberto Danny MAHIEU; Petrus Nicolaas VAN DER BURG
Original assignee: Energieonderzoek Centrum Nederland ECN
Current assignee: Energieonderzoek Centrum Nederland ECN
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: WO2003102984A8; JP2005528789A; ES2253679T3; ATE316289T1; AU2003238711A1; WO2003102984A1; DE60303300D1; AU2003238711B2; NL1020750C2; EP1509934B1; EP1509934A1; JP4657712B2; US20050217719A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Füllen eines Halbfabrikats für ein flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element mit Flüssigkeit, und dieses Halbfabrikat umfasst zumindest eine plattenförmige Arbeitselektrode und eine mit Hilfe von einem dampf- und flüssigkeitsdichten Ümfangsrand daran geheftete, plattenförmige Gegenelektrode, wobei zwischen der Arbeitselektrode, de Gegenelektrode und dem Umfangsrand ein Raum zur Aufnahme einer Flüssigkeit verschafft ist.
Ein flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element ist aus dem amerikanischen Patent Nr. 5,350,644 bekannt. Das bekannte 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 das erste Substrat bildet, besteht, eine auf der ersten elektrisch leitenden Schicht aufgetragene Schicht von kristallinem Metalloxid-Halbleitermaterial, eine Gegenelektrode, die aus einer auf einem transparenten zweiten Substrat aufgetragenen transparenten zweiten elektrisch leitenden Schicht besteht, und eine zwischen der Schicht von Halbleitermaterial und der zweiten elektrisch leitenden Schicht gehaltene Elektrolytflüssigkeit. In der Praxis wird für das erste und zweite Substrat gewöhnlich eine Glasplatte verwendet.
Während der Herstellung eines flüssigkeitshaltigen photovoltaischen Elements muss dieses mit der Elektrolytflüssigkeit, die leicht viskose Eigenschaften hat, gefüllt werden. Das Füllen geschieht, nachdem das erste und zweite Substrat mit den jeweiligen darauf aufgetragenen Schichten mit Hilfe von einem dampf- und flüssigkeitsdichten Umfangsrand von einem thermoplastischen Klebstoffmaterial aneinander geheftet sind, wobei zwischen den beiden Substraten und dem Umfangsrand ein Raum zur Aufnahme der Flüssigkeit entstanden ist.
Das Füllen geschieht gemäß dem Stand der Technik durch Anbringen von zwei Löchern in einem der Substrate, Injizieren der Elektrolytflüssigkeit in den Raum durch ein erstes Loch und Entweichenlassen von Luft durch das zweite Loch, bis der Raum ganz gefüllt ist, und anschließend Dichten beider Löcher. Das Anbringen von zwei Löchern in einem der Substrate ist mechanisch unerwünscht und wirkt sich dazu ungünstig auf den Selbstkostenpreis des photovoltaischen Elements aus.
Aus der amerikanischen Patentanmeldung Nr. US 2001/004901 ist ein Verfahren zum Füllen eines Halbfabrikats für ein flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element mit einem flüssigen Elektrolyt bekannt. Das Halbfabrikat umfasst eine plattenförmige Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode, die mit Hilfe von einem dampf- und flüssigkeitsfesten Umfangsrand daran geheftet ist. Der so gebildete Raum wird gefüllt, indem eine Einlass- und eine Auslassöffnung geschaffen werden und der Elektrolyt mit einer Pumpe durch ein Glasrohr, das nach vollendetem Füllen geschlossen wird, injiziert wird.
Gemäß eines alternativen bekannten Verfahrens wird in einem der Substrate ein Loch angebracht und danach wird das zu füllende Element, mit dem mit dem Loch versehenen Substrat nach oben gerichtet, in eine Vakuum zu pumpende Vakuumkammer gelegt. Dann wird ein an seiner Unterseite offener und mit Elektrolytflüssigkeit zu füllender Behälter auf das Substrat rundum das Loch gelegt, die Vakuumkammer wird Vakuum gepumpt, wobei der Raum zwischen den Substraten ebenfalls Vakuum gepumpt wird, und schließlich wird Luft in die Vakuumkammer eingelassen, wobei Elektrolytflüssigkeit aus dem Behälter durch das Loch in den Raum zwischen den Substraten gepresst wird. Dieses Verfahren ist zeitintensiv und wirkt sich durch den inhärenten Gebrauch einer teuren Vakuumpumpe, die oxidierenden Bestandteilen in der Elektrolytflüssigkeit ausgesetzt ist, ungünstig auf den Selbstkostenpreis des photovoltaischen Elements aus.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Füllen eines Halbfabrikats für ein photovoltaisches Element mit einer Elektrolytflüssigkeit zur Verfügung zu stellen, gemäß welchem es möglich ist, sich zum Einlassen der Flüssigkeit in den Raum zwischen den Substraten auf das Anbringen eines Loches in einem der Substrate des Halbfabrikats zu beschränken, ohne dabei diesen Raum Vakuum pumpen zu müssen.
Es ist ein weiteres Ziel, ein solches Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die Herstellung eines Halbfabrikats auf schnelle und kosteneinsparende Weise ermöglicht.
Diese Ziele werden mit einem Verfahren des in der Präambel beschriebenen Typs erreicht, und dieses Verfahren umfasst gemäß der Erfindung die Schritte: (iii) das Legen des Halbfabrikats, mit der Füllöffnung nach oben gerichtet, auf eine horizontal angebrachte, rotierbare Scheibe, auf solche Weise, dass die Füllöffnung sich innerhalb eines Kreises mit einem vorher bestimmten Radius R um die Rotationsachse der Scheibe erstreckt, (iv) das um die Füllöffnung auf dem Halbfabrikat Anbringen eines an seiner Unterseite flachen und mit einer Öffnung versehenen Behälters, wobei die Öffnung zumindest einen Innendurchmesser 2R hat und der Außendurchmesser des Behälters an seiner Unterseite kleiner als die kleinste Oberflächendimension des Halbfabrikats ist, (v) das Zuführen von Flüssigkeit in den Behälter und das in Rotation Versetzen der Scheibe mit dem darauf gelegten Halbfabrikat und dem darauf angebrachten Behälter mit einer solchen Rotationsgeschwindigkeit und während eines solchen Zeitabschnitts, dass der Raum in dem Halbfabrikat unter Einfluss der auf die Flüssigkeit einwirkenden Zentrifugalkräfte und der Schwerkraft völlig mit Flüssigkeit gefüllt wird, und (vi) das Dichten der Füllöffnung.
Um einen guten mechanischen Kontakt zwischen der Unterseite des in Schritt (iv) anzubringenden Behälters und dem Halbfabrikat zu erzielen, wird gemäß einer Ausführung des Verfahrens der Behälter unter Vordruck auf dem Halbfabrikat angebracht.
In einer vorteilhaften Ausführung wird während des Anbringens des Behälters in Schritt (iv) eine flüssigkeitsdichte Dichtung zwischen der Unterseite des Behälters und dem Halbfabrikat verschafft, so dass keine Flüssigkeit aus dem Behälter unter Einfluss einer Zentrifugalkraft zwischen der Unterseite des Behälters und dem Halbfabrikat lecken kann.
Die Rotationsgeschwindigkeit in Schritt (v) eines Verfahrens gemäß der Erfindung beträgt zum Beispiel zumindest 2000 rpm (Umdrehungen pro Minute) und beträgt vorzugsweise zumindest 4000 rpm. Bei dieser letzten Rotationsgeschwindigkeit wird einerseits das Füllen des Halbfabrikats in einer genügend kurzen Zeit durchgeführt, während andererseits die auf die Bestandteile des Halbfabrikats einwirkenden Zentrifugalkräfte nicht so groß sind, dass diese Kräfte zu einer Beschädigung des Halbfabrikats führen können.
In einer anderen Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird während des Zuführens der Flüssigkeit in den Behälter in Schritt (v) in dem Behälter ein pulsierender Unterdruck angewendet. Festgestellt wurde, dass durch Anwendung eins pulsierenden Unterdrucks in dem Behälter der Durchfluss der Flüssigkeit durch die Füllöffnung, im Vergleich zum Durchfluss bei Abwesenheit dieses pulsierenden Unterdrucks, erhöht wird, bei im Übrigen gleichen Bedingungen. In einer vorteilhaften Ausführung beträgt der Unterdruck etwa 10 kPa.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist besonders geeignet zum Füllen eines Halbfabrikats, das zumindest ein Glassubstrat umfasst.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen, erfundenen Verfahrens, und diese Vorrichtung umfasst eine in Betriebszustand horizontal angebrachte, rotierbare Scheibe, um darauf ein Halbfabrikat zu legen, und besagtes Halbfabrikat hat eine nach oben gerichtete Füllöffnung, und besagte Vorrichtung umfasst weiter einen rotierbaren Flüssigkeitsbehälter, der um die Füllöffnung auf dem Halbfabrikat angebracht werden kann und der an seiner Unterseite flach ist und mit einer Öffnung versehen ist, wobei der Außendurchmesser des Behälters an seiner Unterseite kleiner als die kleinste Oberflächendimension des Halbfabrikats ist, auf solche Weise, dass der Außendurchmesser des Behälters sich nicht außerhalb der Oberfläche des Halbfabrikats erstreckt, und die Füllöffnung völlig innerhalb der Öffnung des Behälters fällt.
In einer Ausführung ist der Behälter um eine Symmetrieachse symmetrisch und kann der Behälter auf solche Weise angebracht werden, dass die Symmetrieachse mit der Rotationsachse der Scheibe zusammenfällt.
Ein symmetrischer Behälter hat den Vorteil, dass er während des Rotierens im Gleichgewicht ist und keine Vibrationen in dem darunter liegenden Halbfabrikat erzeugt.
Der Behälter hat zum Beispiel 2-fache, 4-fache oder 6-fache Symmetrie, d.h. dass der Behälter bei einer Rotation in einem Winkel von 2π/2, 2π/4 oder 2π/6 in sich selbst überführt wird.
Der Behälter ist vorzugsweise rotationssymmetrisch.
In einem Behälter einer Ausführung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung hat das Innere des Behälters in einem Längsschnitt einen sich nach unten erweiternden, konischen Verlauf. Ein solcher konischer Verlauf bietet den Vorteil, dass dem Phänomen, dass die Flüssigkeit entlang der Innenwand des Behälters unter Einfluss von Zentrifugalkräften nach oben gedrückt wird, entgegengewirkt wird.
In einer anderen Ausführung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist der Behälter mit Federmitteln versehen, um den Behälter unter Vordruck auf dem Halbfabrikat anzubringen, wodurch ein guter mechanischer Kontakt zwischen der Unterseite des Behälters und des Halbfabrikats erzielt wird.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der Behälter an seiner Unterseite mit Dichtungsmitteln versehen, um eine flüssigkeitsfeste Dichtung zwischen der Unterseite des Behälters und einem Halbfabrikat zu verschaffen.
Die Erfindung wird im Nachfolgenden auf Basis von einer Ausführung einer Vorrichtung mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt.
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematisch in einem senkrechten Schnitt ein Halbfabrikat für eine flüssigkeitshaltige Solarzelle, auf dem ein konischer Behälter angebracht ist, und
2 in vereinfachtem senkrechten Schnitt eine Ausführung einer Komponente mit einem rotierbaren Flüssigkeitsbehälter von einer Vorrichtung zum Füllen eines Halbfabrikats für eine Solarzelle.
In den Zeichnungen werden übereinstimmende Teile mit denselben Verweiszahlen angedeutet.
1 zeigt ein Halbfabrikat 1 für eine flüssigkeitshaltige Solarzelle, mit einer plattenförmigen Arbeitselektrode 2 und einer mit Hilfe von einem dampf- und flüssigkeitsdichten Umfangsrand 3 daran gehefteten, plattenförmigen Gegenelektrode 4, wobei die Arbeitselektrode 2, die Gegenelektrode 4 und der Umfangsrand 3 einen Raum 5 zur Aufnahme einer Flüssigkeit umschließen, und in der Gegenelektrode 4 eine Füllöffnung 6 angebracht ist. Auf der Gegenelektrode 4 ist rundum die Füllöffnung 6 ein sich nach unten erweiternder, konischer und an seiner Unterseite offener Behälter 7 angebracht, wobei die Abmessungen so gewählt sind, dass der Außendurchmesser des Behälters 7 sich nicht außerhalb der Oberfläche der Arbeitselektrode 4 erstreckt und die Füllöffnung 6 völlig innerhalb der Öffnung des Behälters 7 liegt. Wenn der Raum 5 gemäß der Erfindung mit einer Elektrolytflüssigkeit gefüllt wird, werden das Halbfabrikat 1 und der Behälter 7 simultan gemäß Pfeil 8 um eine senkrechte Rotationsachse 9 rotiert, wobei die Flüssigkeit in Behälter 7 und Halbfabrikat 1 eingelassen wird, wobei die Flüssigkeit unter Einfluss der Zentrifugalkräfte in radialer Richtung gemäß Pfeilen 11 in Raum 5 getrieben wird, während gleichzeitig anwesende Luft verdrängt wird, die durch die Füllöffnung 6 entweicht (wie durch Pfeil 12 abgebildet).
2 zeigt einen Füllkopf 13 einer Vorrichtung zum Füllen eines Halbfabrikats für eine Solarzelle, und dieser Füllkopf 13 ist aus einem statischen und einem rotierbaren Teil zusammengefügt. Das rotierbare Teil umfasst unter anderem einen rotations-symmetrischen, konischen und sich innen nach unten erweiternden Flüssigkeitsbehälter 7 mit Fuß 14, ein in einen Inserthalter 16 gehängtes Insert 15, das mit einem durchgehenden Axialloch 17, das in den Flüssigkeitsbehälter 7 ausmündet, versehen ist. Das statische Teil umfasst unter anderem ein Gehäuse, das aus den Teilen 18, 19, die mit einem Bolzen 25 aneinander befestigt sind, zusammengefügt ist, und das mit einer oberen Kappe 20, die mit einem Bolzen 32 an Gehäuse 19 befestigt und mit einer Flüssigkeitseinlassöffnung 21 versehen ist, geschlossen wird. Das statische Teil ist mit einer oberen statischen Dichtung 33 versehen, die in einem Stator 35 eingeschlossen ist und mit einer unteren rotierbaren Dichtung 34 zusammenarbeitet. Der Inserthalter 16 ist mit Lagern 22 an das Gehäuse 18, 19 montiert, der Flüssigkeitsbehälter 7 ist mit Hilfe von einem Anbauflansch 23 und Bolzen 24 an dem Inserthalter 16 befestigt. In Fuß 14 befindet sich eine Auslassöffnung 26, die mit einem unter Vordruck einer Druckfeder 27 eingeschlossenen und an seiner Oberseite mit einer Sicherungsmutter 28 versehenen Absperrorgan 29 geschlossen wird. Der Fuß 14 ist mit mehreren Dichtungen 30 und einem Tragring 31 aus einem geeigneten Material, zum Beispiel Gummi, versehen. In einer Füllvorrichtung gemäß der Erfindung ist der Füllkopf 13 über einer horizontal aufgestellten rotierbaren Scheibe oder einem horizontal aufgestellten Drehtisch (nicht abgebildet) auf solche Weise in vertikaler Richtung verstellbar, dass die Rotationsachse 9 des Flüssigkeitsbehälters 7 und die des Drehtisches zusammenfallen. Um ein Halbfabrikat 1 zu füllen, wird es auf den Drehtisch gelegt, wobei darauf geachtet wird, dass sich die Füllöffnung 6 in dem Halbfabrikat 1 um das rotierende Zentrum des Drehtisches erstreckt. Dann wird der Füllkopf 13 auf das Halbfabrikat 1 gesenkt, wobei Absperrorgan 29 und Schließfeder 27 eingedrückt werden, und wird Flüssigkeit, die durch Flüssigkeitseinlass 21 und Axialloch 17 zugeführt wird, nachdem der Drehtisch, das Halbfabrikat 1 und die rotierbaren Teile des Füllkopfes in Rotation versetzt worden sind, aus dem Flüssigkeitsbehälter 7 durch Auslassöffnung 26 und Füllöffnung 6 in den Raum 5 in Halbfabrikat 1 eingelassen, wo sich die Flüssigkeit auf die oben in der Beschreibung von 1 erläuterte Weise verteilt. Die rotierbaren Teile des Füllkopfes werden von dem sich mit dem Drehtisch rotierenden Halbfabrikat 1 mit Hilfe von dem Trägerring 31 aus Gummi in Füllkopf 14 in Rotation versetzt. Ein Statorstift 36 sichert den Stator 35 und die obere Dichtung 33 gegen Rotation. Um unerwünschtes Lecken der Flüssigkeit auf die Lager 22 zu verhüten, bilden ein auf dem oberen Teil von Insert 15 angebrachter rotierbarer Umfangsrand 37 und ein mit Gehäuse 19 verbundener, komplementär geformter, zusammenarbeitender statischer Umfangsrand 38 ein Labyrinth, und sind in der oberen Kappe 20 und dem Gehäuse 19 Drains 39 angebracht.
Es ist zu bemerken, dass dieses Verfahren die Möglichkeit des simultanen Füllens von mehreren Halbfabrikaten bietet, wenn der Umfang dieser Halbfabrikate ein regelmäßiges Polygon ist und die Füllöffnungen dieser Halbfabrikate so angeordnet sind, dass sie alle in dem Zentrum des Drehtisches positioniert werden können.

Claims

Verfahren zum Füllen eines Halbfabrikats (1) für ein flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element mit Flüssigkeit, und dieses Halbfabrikat (1) umfasst zumindest eine plattenförmige Arbeitselektrode (2) und eine mit Hilfe von einem dampf- und flüssigkeitsdichten Umfangsrand (3) daran geheftete, plattenförmige Gegenelektrode (4), wobei zwischen der Arbeitselektrode (2), der Gegenelektrode (4) und dem Umfangsrand (3) ein Raum (5) zur Aufnahme einer Flüssigkeit verschafft ist, und dieses Verfahren umfasst die Schritte: (i) das Verschaffen besagten Halbfabrikats (1), (ii) das Anbringen einer Füllöffnung (6), je nach Wunsch in der Arbeitselektrode (2) oder in der Gegenelektrode (4), gekennzeichnet durch die Schritte: (iii) das Legen des Halbfabrikats (1), mit der Füllöffnung (6) nach oben gerichtet, auf eine horizontal angebrachte, rotierbare Scheibe, auf solche Weise, dass die Füllöffnung (6) sich innerhalb eines Kreises mit einem vorher bestimmten Radius R um die Rotationsachse der Scheibe erstreckt, (iv) das um die Füllöffnung (6) auf dem Halbfabrikat Anbringen eines an seiner Unterseite (14) flachen und mit einer Öffnung (26) versehenen Behälters (7), wobei die Öffnung (26) zumindest einen Innendurchmesser 2R hat und der Außendurchmesser des Behälters (7) an seiner Unterseite (14) kleiner als die kleinste Oberflächendimension des Halbfabrikats (1) ist, (v) das Zuführen von Flüssigkeit in den Behälter (7) und das in Rotation Versetzen der Scheibe mit dem darauf gelegten Halbfabrikat (1) und dem darauf angebrachten Behälter (7) mit einer solchen Rotationsgeschwindigkeit und während eines solchen Zeitabschnitts, dass der Raum (5) in dem Halbfabrikat (1) unter Einfluss der auf die Flüssigkeit einwirkenden Zentrifugalkräfte und der Schwerkraft völlig mit Flüssigkeit gefüllt wird, und (vi) das Dichten der Füllöffnung (6).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt (iv) anzubringende Behälter (7) unter Druck auf dem Halbfabrikat angebracht wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Anbringens des Behälters (7) in Schritt (iv) eine flüssigkeitsdichte Dichtung (30) zwischen der Unterseite (14) des Behälters (7) und dem Halbfabrikat verschafft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit in Schritt (v) zumindest 2000 rpm (Umdrehungen pro Minute) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit in Schritt (v) zumindest 4000 rpm (Umdrehungen pro Minute) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zuführens der Flüssigkeit in den Behälter (7) in Schritt (v) in dem Behälter (7) ein pulsierender Unterdruck angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck etwa 10 kPa beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Halbfabrikat (1) zumindest ein Glassubstrat umfasst.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die eine in Betriebszustand horizontal angebrachte, rotierbare Scheibe umfasst, um darauf ein Halbfabrikat (1) zu legen, und besagtes Halbfabrikat hat eine nach oben gerichtete Füllöffnung (6), und besagte Vorrichtung umfasst weiter einen rotierbaren Flüssigkeitsbehälter (7), der um die Füllöffnung (6) auf dem Halbfabrikat (1) angebracht werden kann und der an seiner Unterseite (14) flach ist und mit einer Öffnung (26) versehen ist, wobei der Außendurchmesser des Behälters (7) an seiner Unterseite (14) kleiner als die kleinste Oberflächendimension des Halbfabrikats ist, auf solche Weise, dass der Außendurchmesser des Behälters (7) sich nicht außerhalb der Oberfläche des Halbfabrikats erstreckt, und die Füllöffnung (6) völlig innerhalb der Öffnung des Behälters (7) fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (7) um eine Symmetrieachse symmetrisch ist und auf solche Weise auf einem Halbfabrikat (1) angebracht werden kann, dass die Symmetrieachse mit der Rotationsachse der Scheibe zusammenfällt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter rotationssymmetrisch ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Behälters (7) in einem Längsschnitt einen sich nach unten erweiternden, konischen Verlauf hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9–12, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (7) mit Federmitteln (27) versehen ist, um den Behälter (7) unter Vordruck auf dem Halbfabrikat anzubringen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (7) an seiner Unterseite (14) mit Dichtungsmitteln (30) versehen ist, um eine flüssigkeitsfeste Dichtung zwischen der Unterseite des Behälters (14) und dem Halbfabrikat (1) zu verschaffen.