EP1454366A2 - Dünnschichtenergiesystem - Google Patents

Dünnschichtenergiesystem

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EP1454366A2
EP1454366A2 EP02799027A EP02799027A EP1454366A2 EP 1454366 A2 EP1454366 A2 EP 1454366A2 EP 02799027 A EP02799027 A EP 02799027A EP 02799027 A EP02799027 A EP 02799027A EP 1454366 A2 EP1454366 A2 EP 1454366A2
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EP
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thin
energy
film
energy system
converter
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EP02799027A
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Wolfgang Rogler
Christoph Brabec
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Konarka Technologies Inc
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Konarka Technologies Inc
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a thin-film energy system.
  • Thin-film energy systems such as batteries for cell phones, handheld computers or similar mobile electronic components are known.
  • a thin-film energy system u contains at least one energy store such as a rechargeable battery and / or a battery and / or a capacitor in a thin-film construction, that is to say built on a thin substrate with a construction height of the entire energy store in the millimeter range.
  • the associated energy storage devices that is to say rechargeable batteries and / or batteries and / or capacitors, must have a high degree of mechanical flexibility so that they can be used in functional SmartCards such as bank cards or telephone cards with additional functions.
  • An example of such a thin-film energy storage device is a lithium / polymer electrolyte battery with a construction height of approximately 1 ⁇ m to 10 mm.
  • Thin-film energy systems are preferably flexible.
  • a disadvantage of the known systems is that they have a short lifespan in comparison to the devices driven by them and, on the one hand, are practically not rechargeable, because the electrical devices for recharging are space-consuming, complex and expensive and, on the other hand, are also mutually exclusive Does not offer to replace the systems directly because it is difficult to replace these smallest components.
  • the object of the present invention is therefore to provide rechargeable mobile thin-film energy systems.
  • the invention relates to a thin-film energy system with at least one rechargeable thin-film energy store and at least one thin-film energy converter, the energy converter being electrically conductively connected to the rechargeable energy store.
  • the energy converter comprises at least one photovoltaic cell.
  • the photovoltaic cell comprises at least one organic functional polymer.
  • a flexible photovoltaic cell is particularly preferred.
  • organic functional polymer is understood to mean any layer of a semiconductor component that is not made from the material of conventional silicon-based semiconductor technology. There is no restriction to the size of molecules, as the expression “..polymer” would suggest, rather so-called “small molecules” can also fall under this term.
  • the components with organic functional polymers are preferably applied to flexible substrates.
  • a “thin-film energy system” refers to a flexible energy system, for example, which has a height in the range between 1 ⁇ m and 10 mm, preferably between 10 ⁇ m and 1000 ⁇ m.
  • the energy converter is preferably an organic photovoltaic cell that can be produced using the thin-film process and has a height of between 1 ⁇ m and 8 mm. All accumulators / batteries / capacitors whose overall height does not significantly exceed the stated dimensions can be used as an energy store.
  • the photovoltaic cell is integrated directly into the energy store, so that, for example, an electrode is a common electrode and is used by the photovoltaic cell and the energy store.
  • the thin-film energy system is preferably mobile, that is to say it can be operated independently of a network connection.
  • Figure 1 shows an example in which the energy converter, e.g. the photovoltaic cell is placed on one of the storage electrodes.
  • Figure 2 shows an example in which the energy converter, e.g. the photovoltaic cell is connected to the memory by a connection and / or protective layer.
  • FIG. 1 shows the combination of a thin-film energy store 1 with a thin-film solar cell 2.
  • a thin-film energy store 1 When exposed to light, symbolized by the arrows 4, falls on the transparent top electrode 5 (anode or cathode) of the photovoltaic cell 2.
  • the light penetrates as far as the photovoltaically active region ⁇ of the photovoltaic cell 2, which may be a conductive one Polymer layer 7 is connected to the counter electrode 8 (anode or cathode).
  • the electrode 8 is a common electrode of the solar cell 2 and the energy store 1. Accordingly, it borders on the energy gas storage medium 9, which is based, for example, on an electrolyte.
  • Connected to the energy storage medium 9 is the counter electrode of the energy store 10 (anode or cathode), which in turn connects the current collector 13 to the electrodes, which is connected to a charging electronics 11.
  • the entire system is applied to a substrate 12.
  • FIG. 1 shows a combination of an energy store 1, i.e. Battery / accumulator / capacitor system with a thin-film solar cell 2, in which the solar cell 2 is placed on one of the storage electrodes 8.
  • the solar cell 2 and the energy store 1 can be jointly protected and packaged together by a semi-transparent seal.
  • the solar cell 2 can cover only part of the memory 1 or the entire area.
  • the memory 1 can cover the entire area of the solar cell 2 or only part of it.
  • a conductive polymer layer 7 with electrode properties can also be used. Examples include PEDOT, PANI, polypyrrole, etc.).
  • the arrangement of the electrodes of the memory 1 and of the solar cell 2 are selected such that the solar cell 2 charges the memory 1 by means of suitable charging electronics 11, but otherwise does not influence the energy removal from the memory 1.
  • Figure 2 shows the combination of a thin-film energy store 1, e.g. of a rechargeable battery / capacitor - and / or battery system with a thin-film solar cell 2, in which the solar cell 2 is connected to the energy store 1 by a suitable connection layer 3.
  • the solar cell 2 can be produced on this layer 3 or a finished solar cell 2 can be placed on this layer.
  • the common layer 3 can perform other functions, e.g. B. as a sealing and / or protective layer of one of the two
  • Components 1 or 2 or both components can also be used and solar cell 2 are electrically connected to one another within or on the connection layer 3.
  • a semi-transparent sealing / protective / electrically conductive or insulating connection layer 3 can be better.
  • the solar cell 2 is arranged in such a way that the substrate 12 for the solar cell 2 (eg polyester / ITO for organic-based solar cells) is used as a finishing layer to the surface to the outside.
  • the arrangement of the electrodes (anode / cathode) of the energy storage system and the solar cell is selected such that the solar cell 2 charges the energy storage system 1 by means of suitable charging electronics 11, but does not otherwise influence the energy removal from the storage 1.
  • the invention proposes the combination of at least one thin-film energy storage system with at least one thin-film energy converter.
  • Solar cells are preferably used as energy converters, and particularly preferably those that comprise at least one organic functional polymer and / or are flexible.
  • the energy converter should be able to withstand the mechanical stresses of a mobile thin-film energy system and at the same time be as easy as possible to install in the production chain.

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Abstract

Die Erfindung schlägt die Kombination zumindest eines Dünnschichtenergiespeichersystems mit zumindest einem Dünnschichtenergiewandler vor. Es werden vorzugsweise Solarzellen als Energiewandler eingesetzt und insbesondere bevorzugt solche, die zumindest ein organisches Funktionspolymer umfassen und/oder flexibel sind. Der Energiewandler sollte den mechanischen Beanspruchungen eines mobilen Dünnschichtenergiesystems genügen und gleichzeitig möglichst problemlos in die Produktionskette einbaubar sein.

Description

Beschreibung
Dünnschichtenergiesystem
Die Erfindung betrifft ein Dünnschichtenergiesystem.
Es sind Dünnschichtenergiesysteme wie Batterien für Handys, handheld Computers oder ähnliche mobile Elektronikbauteile bekannt.
Ein Dünnschichtenergiesystem u fasst zumindest einen Energiespeicher wie einen Akku und/oder eine Batterie und/oder einen Kondensator in Dünnschichtbauweise, das heißt aufgebaut auf einem dünnen Substrat mit einer Bauhöhe des gesamten Energie- Speichers im Millimeterbereich. Teilweise müssen die dazugehörigen Energiespeicher also Akkus und/oder Batterien und/oder Kondensatoren eine hohe mechanische Flexibilität haben, damit sie in funktioneilen SmartCards wie Bankomatkarten oder Telefonkarten mit zusätzlichen Funktionen eingesetzt werden können. Ein Beispiel für einen solchen Dünnschichtenergiespeicher ist eine Lithium/Polymer Elektrolyt Batterie mit einer Bauhöhe von ca. lμm bis 10 mm. Bevorzugt sind Dünnschichtenergiesysteme flexibel.
Nachteilig an den bekannten Systemen ist, dass sie eine kurze Lebensdauer im Vergleich zu den von ihnen angetriebenen Vorrichtungen haben und einerseits praktisch nicht wiederauflad- bar sind, weil die elektrischen Vorrichtungen für ein Wiederaufladen platzraubend, aufwendig und teuer sind und anderer- seits sich auch ein Auswechseln der Systeme nicht direkt anbietet, weil es schwierig ist, diese kleinsten Bauteile zu ersetzen.
Es besteht daher der Bedarf wiederaufladbare mobile Dünn- Schichtenergiesysteme zu schaffen, die trotz hoher Lebensdauer eine Bauhöhe im Bereich der Dünnschichtenergiesysteme haben. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, wiederauf- ladbare mobile Dünnschichtenergiesysteme zur Verfügung zu stellen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Dünnschichtenergiesystem mit zumindest einem wiederaufladbare Dünnschichtenergiespeicher und zumindest einem Dunnschichtenergiewandler, wobei der Energiewandler mit dem wiederaufladbaren Energiespeicher elektrisch leitend verbunden ist.
Nach einer Ausführungsform umfasst der Energiewandler zumindest eine photovoltaische Zelle.
Nach einer Ausführungsform umfasst die photovoltaische Zelle zumindest ein organisches Funktionspolymer. Insbesondere bevorzugt ist eine flexible photovoltaische Zelle.
Unter dem Begriff "organisches Funktionspolymer" wird jede Schicht eines Halbleiterbauelements verstanden, die nicht aus dem Material der herkömmlichen Halbleitertechnologie auf Siliziumbasis ist. Eine Beschränkung auf Molekülgröße, wie der Ausdruck "..polymer" vermuten ließe, wird nicht vorgenommen, vielmehr können auch sog. "small molecules" unter diesen Beg- riff fallen. Die Bauelemente mit organischen Funktionspolymere sind bevorzugt auf flexiblen Substraten aufgebracht.
Als "Dünnschichtenergiesystem" wird dabei ein beispielsweise flexibles Energiesystem bezeichnet, das eine Bauhöhe im Be- reich zwischen 1 μm und 10 mm, bevorzugt zwischen 10 um und 1000 μm hat.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Energiewandler um eine organische Photovoltaikzelle, die im Dünnschichtverfahren her- stellbar ist und eine Bauhöhe zwischen 1 um bis 8 mm hat. Als Energiespeicher können alle Akkus/Batterien/Kondensatoren eingesetzt werden, deren Bauhöhe die genannten Maße nicht signifikant überschreitet.
Nach einer Ausführungsform ist die photovoltaische Zelle direkt in den Energiespeicher integriert, so dass beispielsweise eine Elektrode eine gemeinsame Elektrode ist und von der photovoltaischen Zelle und dem Energiespeicher genutzt wird.
Nach einer anderen Ausführungsform ist die photovoltaische
Zelle nicht direkt im Energiespeicher integriert, sondern nur in einer gemeinsamen Verpackung kombiniert (Joint packaging) .
Bevorzugt ist das Dünnschichtenergiesystem mobil, also unab- hängig von einem Netzanschluss betreibbar.
Im folgenden wird die Erfindung noch anhand zweier Figuren, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher erläutert:
Figur 1 zeigt ein Beispiel, bei dem der Energiewandler, z.B. die photovoltaische Zelle, auf eine der Speicherelektroden aufgesetzt wird.
Figur 2 zeigt ein Beispiel, bei dem der Energiewandler, z.B. die photovoltaische Zelle durch eine Verbindungs- und/oder Schutzschicht mit dem Speicher verbunden ist.
In Figur 1 ist die Kombination eines Dünnschichtenergiespeichers 1 mit einer Dünnschichtsolarzelle 2 zu sehen. Bei Be- lichtung fällt Licht, symbolisiert über die Pfeile 4, auf die transparente Top-Elektrode 5 (Anode oder Kathode) der photovoltaischen Zelle 2. Das Licht dringt bis zum photovoltaisch aktiven Bereich β der photovoltaischen Zelle 2 vor, die gegebenenfalls durch eine leitfähige Polymerschicht 7 mit der Ge- genelektrode 8 (Anode oder Kathode) verbunden ist. Die Elektrode 8 ist eine gemeinsame Elektrode von der Solarzelle 2 und dem Energiespeicher 1. Entsprechend grenzt sie an das Ener- giespeichermedium 9, das beispielsweise auf einem Elektrolyt basiert, an. Im Anschluss an das Energiespeichermedium 9 befindet sich die Gegenelektrode des Energiespeichers 10 (Anode oder Kathode) , die ihrerseits an den Elektroden Strom Sammler 13 anschließt, der an eine Lade-Elektronik 11 angeschlossen ist. Das ganze System ist auf einem Substrat 12 aufgebracht.
Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform zeigt eine Kombination eines Energiespeichers 1, d.h. Batterie/Akku/Kondensator Systems mit einer Dünnschichtsolarzelle 2, bei der die Solarzelle 2 auf eine der Speicherelektroden 8 aufgesetzt ist. Die Solarzelle 2 und der Energiespeicher 1 können gemeinsam durch eine semitransparente Versiegelung gemeinsam geschützt und verpackt sein. Die Solarzelle 2 kann dabei nur einen Teil des Speichers 1 oder die gesamte Fläche bedecken. Ebenso kann der Speicher 1 die gesamte Fläche der Solarzelle 2 bedecken oder nur einen Teil davon. Es kann auch eine leitfähige Polymerschicht 7 mit Elektrodeneigenschaften eingesetzt werden. Beispiele dafür sind PEDOT, PANI, Polypyrrol, etc.).
Die Anordnung der Elektroden des Speichers 1 und der Solarzelle 2 werden so gewählt, dass mittels einer geeignete Ladeelektronik 11 die Solarzelle 2 den Speicher 1 auflädt aber die Energieentnahme aus dem Speicher 1 ansonsten nicht beein- flusst.
Figur 2 zeigt die Kombination eines Dünnschichtenergiespeichers 1, z.B. eines Akku/Kondensator - und/oder Batteriesystems mit einer Dünnschicht-Solarzelle 2, bei der die Solar- zelle 2 mit dem Energiespeicher 1 durch eine geeignete Verbindungsschicht 3 verbunden ist. Die Solarzelle 2 kann auf dieser Schicht 3 produziert werden oder es kann eine fertige Solarzelle 2 auf diese Schicht aufgesetzt werden. Die gemeinsame Schicht 3 kann weitere Funktionen erfüllen, z. B. als Versiegelungs- und/oder Schutzschicht von einem der beiden
Bauelemente 1 oder 2 oder von beiden Bauelementen. Es können auch die beiden Bauelemente 1 und 2, also Energiespeicher 1 und Solarzelle 2 innerhalb oder auf der Verbindungsschicht 3 miteinander elektrisch verbunden werden. Je nach Anordnung der Solarzelle 2 kann eine semitransparente Versieglungs-/ Schutz-/ elektrisch leitende oder isolierende Verbindungsschicht 3 besser sein. Nach einer Ausführungsform ist die Solarzelle 2 so angeordnet, dass das Substrat 12 für die Solarzelle 2 (z. B. Polyester/ITO für Solarzellen auf organischer Basis) als Abschlussschicht zur Oberfläche nach außen verwendet wird.
Die Anordnung der Elektroden (Anode/Kathode) des Energiespeichersystems und der Solarzelle wird so gewählt, dass mittels einer geeigneten Ladeelektronik 11 die Solarzelle 2 das Energiespeichersystem 1 auflädt, aber die Energieentnahme aus dem Speicher 1 ansonsten nicht beeinflusst.
Die Erfindung schlägt die Kombination zumindest eines Dünn- schichtenergiespeichersystems mit zumindest einem Dunnschichtenergiewandler vor. Es werden vorzugsweise Solarzellen als Energiewandler eingesetzt und insbesondere bevorzugt solche, die zumindest ein organisches Funktionspolymer umfassen und/oder flexibel sind. Der Energiewandler sollte den mechanischen Beanspruchungen eines mobilen Dünnschichtenergiesystems genügen und gleichzeitig möglichst problemlos in die Produktionskette einbaubar sein.

Claims

Patentansprüche
1. Dünnschichtenergiesystem mit zumindest einem wiederaufladbarem Dünnschichtenergiespeicher und zumindest einem Dünn- schichtenergiewandler, wobei der Energiewandler mit dem wie- deraufladbaren Energiespeicher elektrisch leitend verbunden ist.
2. Dünnschichtenergiesystem nach Anspruch 1, wobei der Dünn- schichtenergiewandler zumindest eine photovoltaische Zelle umfasst.
3. Dünnschichtenergiesystem nach Anspruch 2, wobei die photovoltaische Zelle zumindest ein organisches Funktionspolymer umfasst.
4. Dünnschichtenergiesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das eine Bauhöhe im Bereich von Iμm bis 10 mm hat.
5. Dünnschichtenergiesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das flexibel ist.
6. Dünnschichtenergiesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Energiewandler direkt in den Energie- Speicher integriert ist.
7. Dünnschichtenergiesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Energiewandler in den Energiespeicher über eine gemeinsame Elektrode integriert ist.
8. Dünnschichtenergiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der E iewandler mit dem Energiespeicher über eine Verbindungsschicht verbunden ist.
9. Dünnschichtenergiesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, das mobil ist.
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