DE60303301T2

DE60303301T2 - Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches element

Info

Publication number: DE60303301T2
Application number: DE60303301T
Authority: DE
Inventors: Adrianus Johannes VAN ROOSMALEN; Roberto Danny MAHIEU
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: ES2253681T3; ATE316290T1; DE60303301D1; WO2003102986A1; AU2003238712A1; NL1020744C2; US7253354B2; JP4594083B2; EP1509936A1; JP2005528750A; AU2003238712B2; EP1509936B1; US20060118165A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element, das eine plattenförmige Arbeitselektrode und eine mit Hilfe von einem dampf- und flüssigkeitsfesten Umfangsrand daran geheftete, plattenförmige Gegenelektrode umfasst, wobei eine Flüssigkeit in einem Raum zwischen der Arbeitselektrode, der Gegenelektrode und dem Umfangsrand aufgenommen ist, wobei auf der leitenden Schicht von jedem der Substrate für die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode ein System von miteinander verbundenen elektrischen Leitern verschafft ist, und diese Systeme von Leitern haben in Bezug aufeinander eine spiegelsymmetrische Form, und diese Leiter sind mit einer Schicht von einem elektrisch isolierenden Material versehen.
Ein solches flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element ist aus der internationalen Patentanmeldung WO-A-0048212 bekannt. Das bekannte photovoltaische Element umfasst eine Arbeitselektrode, die aus einer Schichtstruktur von zumindest einer ersten elektrisch leitenden Schicht, die auf einem ersten Substrat aufgetragen ist, besteht, eine auf der ersten elektrisch leitenden Schicht aufgetragene Schicht von nanokristallinem Metalloxid-Halbleitermaterial, eine Gegenelektrode, die aus einer auf einem transparenten zweiten Substrat aufgetragenen transparenten zweiten elektrisch leitenden Schicht besteht, und eine sich zwischen der Schicht von Halbleitermaterial und der zweiten elektrisch leitenden Schicht befindende Elektrolytflüssigkeit. In der Praxis wird für das erste und zweite Substrat gewöhnlich eine Glasplatte verwendet.
Es ist ein Nachteil des aus EP-A-0855726 bekannten flüssigkeitshaltigen photovoltaischen Elements, dass die Kontakte zur Stromentnahme aus dem Element auf Randzonen des Elements angebracht sind, wobei in allen Fällen eine erste Randzone auf einem ersten Substrat, auf dem sich ein erster Kontakt befindet, sich nicht gegenüber dem zweiten Substrat erstreckt, und umgekehrt eine zweite Randzone auf einem zweiten Substrat, auf dem sich ein zweiter Kontakt befindet, sich nicht gegenüber dem ersten Substrat erstreckt. Das Substrat für die Arbeitselektrode und das Substrat für die Gegenelektrode sind in dem bekannten flüssigkeitshaltigen photovoltaischen Element in Bezug aufeinander versetzt, um so Raum für die elektrischen Kontakte zu schaffen. Das in Bezug aufeinander Versetzen der Substrate führt zu einer Verminderung der verfügbaren effektiven Oberfläche des photovoltaischen Elements und damit zu einer dieser Verminderung entsprechenden Abnahme der maximalen Leistung dieses Elements.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element zur Verfügung zu stellen, dessen Arbeitselektrode und Gegenelektrode auf effektive und dauerhafte Weise miteinander verbunden sind und in welches die Elektrolytflüssigkeit auf einfache Weise eingegeben ist.
Es ist ein weiteres Ziel, ein solches Element zur Verfügung zu stellen, in dem die elektrischen Kontakte auf solche Weise angeordnet sind, dass die Substrate für Arbeitselektrode und Gegenelektrode einander völlig bedecken.
Diese Ziele werden mit einem flüssigkeitshaltigen photovoltaischen Element des in der Präambel beschriebenen Typs erreicht, wobei gemäß der Erfindung in der Schicht von einem elektrisch isolierenden Material zumindest eine Aussparung für einen elektrischen Kontakt auf einem Leiter verschafft ist, und wobei das elektrisch isolierende Material ein Klebstoffmaterial ist, zum Beispiel ein Heißschmelz-Kunststoffmaterial.
Ein photovoltaisches Element, von dem die Leiter auf den gegenüberliegenden Elektroden mit einer Schicht von Klebstoffmaterial versehen sind, kann auf einfache und Kosten sparende Weise hergestellt werden, indem die gegenüberliegenden Klebeschichten in haftenden und abdichtenden Kontakt miteinander gebracht werden. Ein so hergestelltes Element hat zudem den Vorteil, dass es mechanisch besonders stabil und robust ist.
Außerdem bietet ein photovoltaisches Element gemäß der Erfindung die Möglichkeit, die Kontakte („Tabs") zur Stromentnahme aus dem Element auf Randzonen des Elements anzubringen, ohne dass es zu diesem Zweck notwendig ist, dass das Substrat für die Arbeitselektrode und das Substrat für die Gegenelektrode in Bezug aufeinander versetzt sind. Die spiegelsymmetrische Form der Systeme von Leitern impliziert, dass die Oberflächen zwischen den Leitern, auf jeweils der Arbeitselektrode (mit der Schicht von Halbleitermaterial) und der Gegenelektrode auch eine spiegelsymmetrische Form haben. In einem photovoltaischen Element, in dem die Systeme von Leitern auf jeweils der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode gegenüberliegend sind, sind die Teile mit einer Schicht von Halbleitermaterial und entsprechende Teile auf der Arbeitselektrode auch gegenüberliegend, was den Wirkungsgrad eines photovoltaischen Elements erhöht.
Die Systeme von Leitern auf den jeweiligen Elektroden haben vorzugsweise eine kongruente Form, so dass bei der Herstellung der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode von einem Substrat eines Typs Gebrauch gemacht werden kann, das mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, auf der das System von miteinander verbundenen elektrischen Leitern verschafft worden ist.
In einer Ausführung eines photovoltaischen Elements gemäß der Erfindung sind die elektrischen Leiter in jedem der Systeme auf zumindest einem Teil einer Randzone der jeweiligen Substrate für die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode miteinander verbunden.
Diese Ausführung bietet die Möglichkeit, auf zwei gemeinsamen, gegenüberliegenden Substraten eine Anzahl von photovoltaischen Zellen zu bilden, wobei jeweils auf dem Teil einer Randzone, auf dem die Leiter miteinander verbunden sind, ein Kontakt zur Stromentnahme angebracht werden kann.
In einer folgenden Ausführung sind die elektrischen Leiter in jedem der Systeme an einer sich über den Umfang der jeweiligen Substrate für die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode erstreckenden Randzone miteinander verbunden.
In dieser Ausführung ist eine photovoltaische Zelle auf zwei gegenüberliegenden Substraten gebildet, wobei auf jedem der Substrate ein Kontakt an einer frei zu wählenden Stelle auf der Randzone verschafft werden kann.
Die Substrate für jeweils die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode haben vorzugsweise in Bezug aufeinander eine spiegelsymmetrische Form, noch vorteilhafter die Form eines Rechtecks oder eines regelmäßigen Polygons, am vorteilhaftesten eine quadratische Form.
Ein photovoltaisches Element mit quadratischen Substraten kann auf besonders zweckmäßig Weise und dabei zu verhältnismäßig geringen Kosten hergestellt werden und mit übereinstimmenden Elementen zu photovoltaischen Tafeln zusammengefügt werden.
In einer praktisch vorteilhaften Ausführung erstrecken sich die Leiter von einer Randzone parallel über einen Abstand, der kleiner als die halbe Breite besagter Substrate ist.
Ein photovoltaisches Element gemäß dieser letzten Ausführung bietet bei der Herstellung besondere Vorteile, da der Raum zwischen den jeweiligen Elektroden in einem Element mit solchen Leitern auf schnelle Weise mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt werden kann. Das Füllen findet zum Beispiel statt, indem im Zentrum eines der Substrate eine temporäre Füllöffnung angebracht wird, das Element auf eine rotierbare Scheibe gelegt wird, wobei die Füllöffnung mit der Rotationsachse der Scheibe übereinstimmt, und die Flüssigkeit bei simultaner Drehung der Scheibe durch die Füllöffnung in den besagten Raum geleitet wird, wo die Flüssigkeit unter Einfluss der Zentrifugalkraft in radiale Richtung getrieben wird.
Die Erfindung wird im Nachfolgenden auf Basis von einer Ausführung mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt.
In den Zeichnungen zeigen
1 in Draufsicht eine erste Ausführung eines photovoltaischen Elements gemäß der Erfindung,
2 das in 1 abgebildete Element in einem ersten vertikalen Querschnitt entlang Linie II-II in 1,
3 das in 1 abgebildete Element in einem zweiten vertikalen Querschnitt entlang Linie III-III in 1,
4 in Draufsicht ein Muster von Leitern in dem in 1 abgebildeten Element,
5 in Draufsicht ein Muster einer Dichtungsfolie in dem in 1 abgebildeten Element,
6 in Draufsicht ein Muster von auf den Substraten für Arbeitselektrode und Gegenelektrode gebildeten Schichten in dem in 1 abgebildeten Element,
7 in Draufsicht die Gegenelektrode des in 1 abgebildeten Elements während einer Herstellungsphase,
8 in Draufsicht eine zweite Ausführung eines photovoltaischen Elements gemäß der Erfindung,
9 in Draufsicht ein Muster von Leitern in dem in 8 abgebildeten Element,
10 in Draufsicht ein Muster einer Dichtungsfolie in dem in 8 abgebildeten Element,
11 in Draufsicht ein Muster von auf den Substraten für Arbeitselektrode und Gegenelektrode gebildeten Schichten in dem in 8 abgebildeten Element,
12 in Draufsicht das Substrat für die mit jeweils einer TCO-Schicht versehenen Arbeitselektroden und Gegenelektroden des in 8 abgebildeten Elements, und
13 in Draufsicht die Gegenelektrode des in 8 abgebildeten Elements während einer Herstellungsphase.
In den Zeichnungen werden übereinstimmende Teile mit denselben Verweiszahlen angedeutet. Es ist zu bemerken, dass deutlichkeitshalber Komponenten im Bezug aufeinander nicht maßstabgerecht abgebildet sind.
1, 2, 3 zeigen ein flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element 1, das aus quadratischen Glasplatten 2, 2' zusammengefügt ist, auf denen nacheinander eine TCO-Schicht 3, 3' von dem transparenten, leitenden, mit Fluor dotierten Zinndioxid (SnO₂:F) und ein Muster von Leitern 4, 4' aus Silber (Ag), die mit zu einer Schicht verschmolzenen isolierenden Schichten 5, 5' aus einer Heißschmelz-Polymerfolie, zum Beispiel ein im Handel erhältliches Produkt von Dupont unter dem Markennamen Surlyn^®, bedeckt sind, angebracht sind. Auf der obersten Glasplatte 2, 3, 4 ist ein Muster 6 von farbstoffsensibilisiertem nanokristallinem Titandioxid (TiO₂) zwischen den isolierten Ag-Leitern 4 angebracht, auf der unteren Glasplatte 2', 3', 4' ist ein Muster 7 von einer dünnen Schicht Platin (Pt) zwischen den isolierten Ag-Leitern 4' angebracht. Das obere Substrat 2 mit TCO-Schicht 3, AG-Muster 4 und TiO₂-Muster 6 bildet die Arbeitselektrode, das untere Substrat 2' mit TCO-Schicht 3', Ag-Muster 4' und Pt-Muster 7' bildet die Gegenelektrode. In dem Raum zwischen Arbeitselektrode und Gegenelektrode ist eine Elektrolytflüssigkeit 8 von zum Beispiel einer Lithiumiodid-Iod-Lösung (LiI-I) aufgenommen. Die Ag-Leiter 4, 4' sind durch jeweilige Leiter, die sich entlang dem Umfang erstrecken und auf denen Tabs 9, 9' zur Stromentnahme von Element 1 angebracht sind, miteinander verbunden.
4 zeigt ein Muster von Ag-Leitern 4, 4' auf jeweils der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode des in 1 abgebildeten Elements 1. Die Muster 4, 4' sind spiegelsymmetrisch und kongruent, die elektrischen Leiter 4, 4' auf der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode sind auf einer Randzone, die sich entlang dem ganzen Umfang der jeweiligen Substrate 2, 2' erstreckt, miteinander verbunden, wobei die Leiter 4, 4' sich von einer Randzone über einen Abstand, der kleiner als die halbe Breite der Substrate 2, 2' ist, parallel erstrecken.
5 zeigt ein Muster einer Dichtungsfolie 5, 5', in der Aussparungen 11, 11' für die jeweiligen Tabs 9, 9' auf solche Weise angebracht sind, dass ein auf einer Arbeitselektrode angebrachter Tab 9 von der Folie 5 über den Leitern 4 auf dieser Arbeitselektrode unbedeckt gelassen wird und von der Folie 5' über den Leitern 4' auf der Gegenelektrode bedeckt wird, und ein auf einer Gegenelektrode angebrachter Tab 9' von der Folie 5' über den Leitern 4' auf dieser Gegenelektrode unbedeckt gelassen wird und von der Folie 5 über den Leitern 4 auf der Arbeitselektrode bedeckt wird.
6 zeigt ein Muster von der TiO₂-Schicht 6 und der mit dieser spiegelsymmetrischen und kongruenten Pt-Schicht 7' auf den Substraten 2, 2' für jeweils die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode.
7 zeigt die Gegenelektrode (Substrat 2', Abmessung 10 cm × 10 cm mit Pt-Schicht 7') während einer Phase im Herstellungsprozess vor dem Füllen des Elements mit Flüssigkeit, versehen mit einer zentral angebrachten, nach dem Füllen zu schließenden Füllöffnung 32. Die zentrale Lage der Füllöffnung 32 und das Anbringen der Leiter 4, 4', die sich von einer Randzone über einen Abstand, der kleiner als die halbe Breite der Substrate 2, 2' ist, parallel erstrecken, machen es möglich, Flüssigkeit unter Einfluss einer von der Füllöffnung 32 aus radial gerichteten Zentrifugalkraft in den Raum zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode einzugeben.
8 zeigt ein flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element 10, das aus vier photovoltaischen Monozellen 20 zusammengesetzt ist, die in Reihe geschaltet sind und die auf Quadranten von gemeinsamen quadratischen Glasplatten 2, 2' gefertigt sind, auf denen nacheinander eine TCO-Schicht 13, 13' von SnO₂:F und jeweilige Muster von AG-Leitern 14, 14', die mit Isolierschichten 15, 15' von einer zu jeweiligen Schichten verschmolzenen Heißschmelz-Polymerfolie bedeckt sind, angebracht sind. Auf der oberen Glasplatte 12, 13, 14 sind zwischen den isolierten AG-Leitern 14 die jeweiligen Muster 16 von farbstoffsensibilisiertem nanokristallinem TiO₂ angebracht, auf der unteren Glasplatte 12', 13', 14' sind zwischen den isolierten Ag-Leitern 14' die jeweiligen Muster 17 von einer dünnen Pt-Schicht angebracht. Die jeweiligen TCO-Schichten 13, AG-Muster 14 und TiO₂-Muster 16 auf dem oberen Substrat 12 bilden die jeweiligen Arbeitselektroden, die jeweiligen TCO-Schichten 13', AG-Muster 14' und Pt-Muster 17' auf dem unteren Substrat 12' bilden die jeweiligen Gegenelektroden. In den Räumen zwischen den jeweiligen Arbeitselektroden und Gegenelektroden ist eine Elektrolytflüssigkeit aufgenommen. Die AG-Leiter 14, 14' sind durch jeweilige Leiter miteinander verbunden, die sich entlang einem Teil des Umfangs erstrecken und auf denen Verbindungen (nicht abgebildet) zwischen den einzelnen Monozellen 20, um diese in Reihe zu schalten, und Tabs 9, 9' zur Stromentnahme von Element 10 angebracht sind.
9 zeigt Muster von Ag-Leitern 14, 14' auf jeweils den Arbeitselektroden und den Gegenelektroden der Monozelle 20 des in 8 abgebildeten Elements 10. Die Muster 14, 14' sind für jede Monozelle separat und für Element 10 spiegelsymmetrisch, die elektrischen Leiter auf den Arbeitselektroden und den Gegenelektroden sind miteinander auf einer sich entlang einem Teil des Umfangs der jeweiligen Substrate erstreckenden Randzone verbunden, wobei die Leiter sich von einer Randzone über einen Abstand, der kleiner als die halbe Breite der Substrate ist, parallel erstrecken.
10 zeigt ein Muster einer Dichtungsfolie 15, 15', in der Aussparungen 21, 21' für jeweilige Reihenschaltungen (nicht abgebildet) und jeweilige Tabs 19, 19' auf solche Weise angebracht sind, dass ein auf einer Arbeitselektrode angebrachter Tab 19 von Folie 15 über den Leitern 14 auf dieser Arbeitselektrode unbedeckt gelassen wird und von der Folie 15' über den Leitern 14' auf der Gegenelektrode bedeckt wird, und ein auf einer Gegenelektrode angebrachter Tab 19' von Folie 15' über den Leitern 14' auf dieser Gegenelektrode unbedeckt gelassen wird und von Folie 15 über den Leitern 14 auf der Arbeitselektrode bedeckt wird.
11 zeigt ein Muster der jeweiligen TiO₂-Schichten und den damit spiegelsymmetrischen und kongruenten Pt-Schichten 17' auf den Substraten für jeweils die Arbeitselektroden und Gegenelektroden.
12 zeigt Substrat 12, 12' für die jeweiligen Arbeitselektroden und die Gegenelektroden, das mit einer TCO-Schicht 13, 13' versehen ist, in der mit Hilfe von Laser elektrische Isolationsrillen 22, 22' zwischen den Monozellen 20 angebracht sind, und
13 zeigt die Gegenelektroden (Substrat 12', Abmessungen 30 cm × 30 cm mit Pt-Schicht 17') während einer Phase im Herstellungsprozess vor dem Füllen des Elements mit Flüssigkeit, versehen mit vier zentral angebrachten, nach dem Füllen zu schließenden Füllöffnungen 42. Die zentrale Lage der Füllöffnungen 42 und das Anbringen der Leiter 14, 14', die sich von einer Randzone über einen Abstand, der kleiner als die halbe Breite der Substrate 12, 12' ist, parallel erstrecken, machen es möglich, Flüssigkeit unter Einfluss einer von den Füllöffnungen 42 aus radial gerichteten Zentrifugalkraft in die Räume zwischen den jeweiligen Arbeitselektroden und Gegenelektroden der Monozellen 20 einzugeben.

Claims

Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element (1; 10, 20), das eine plattenförmige Arbeitselektrode und eine mit Hilfe von einem dampf- und flüssigkeitsfesten Umfangsrand daran geheftete, plattenförmige Gegenelektrode umfasst, wobei die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode beide auf einem mit einer elektrisch leitenden Schicht (3, 3'; 13, 13') versehenen, flachen Substrat (2, 2'; 12, 12') angebracht sind und wobei eine Flüssigkeit (8) in einem Raum zwischen der Arbeitselektrode, der Gegenelektrode und dem Umfangsrand aufgenommen ist, wobei auf der leitenden Schicht (3, 3'; 13, 13') von jedem der Substrate (2, 2'; 12, 12') für die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode ein System von miteinander verbundenen elektrischen Leitern (4, 4'; 14, 14') verschafft ist, und diese Systeme von Leitern (4, 4'; 14, 14') haben in Bezug aufeinander eine spiegelsymmetrische Form, und diese Leiter (4, 4'; 14, 14') sind mit einer Schicht (5, 5'; 15, 15') von einem elektrisch isolierenden Material versehen, dadurch gekennzeichnet, dass in besagter isolierender Schicht (5, 5'; 15, 15') zumindest eine Aussparung (11, 11'; 21, 21') für einen elektrischen Kontakt (9, 9'; 19, 19') auf einem Leiter (4, 4'; 14, 14') verschafft ist, und dass das elektrisch isolierende Material ein Klebstoffmaterial (5, 5'; 15, 15') ist.
Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element (1; 10, 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebstoffmaterial ein Heißschmelz-Kunststoffmaterial (5, 5'; 15, 15') ist.
Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element (1; 10, 20) nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Systeme von Leitern (4, 4'; 14, 14') auf den jeweiligen Elektroden eine kongruente Form haben.
Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element (1; 10, 20) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (4, 4'; 14, 14') in jedem der Systeme auf zumindest einem Teil einer Randzone der jeweiligen Substrate (2, 2'; 12, 12') für die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode miteinander verbunden sind.
Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (4, 4') in jedem der Systeme an einer sich über den Umfang der jeweiligen Substrate (2, 2') für die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode erstreckenden Randzone miteinander verbunden sind.
Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element (1; 10, 20) nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (2, 2'; 12, 12') für jeweils die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode in Bezug aufeinander eine spiegelsymmetrische Form haben.
Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element (1; 10, 20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (2, 2'; 12, 12') die Form eines regelmäßigen Polygons haben.
Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element (1; 10, 20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (2, 2'; 12, 12') eine quadratische Form haben.
Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate eine rechteckige Form haben.
Flüssigkeitshaltiges photovoltaisches Element (1; 10, 20) nach einem der Ansprüche 8–9, dadurch gekennzeichnet, dass Leiter (4, 4'; 14, 14') sich von einer Randzone der jeweiligen Substrate (2, 2'; 12, 12') über einen Abstand, der kleiner als die halbe Breite besagter Substrate (2, 2'; 12, 12') ist, parallel erstrecken.