NL8300756A

NL8300756A - Foto-electrochemische inrichting.

Info

Publication number: NL8300756A
Application number: NL8300756A
Authority: NL
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1982-03-01
Filing date: 1983-03-01
Publication date: 1983-10-03
Also published as: JPS58194264A; GB8305601D0; GB2116366A; IT8319838A1; IT1161588B; AU1196083A; DE3307165A1; IT8319838A0; FR2522445A1

Description

«' r * t 4f , VO 4642

Foto-electrochemische inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een fotogalvanische inrichting, en in het bijzonder op een fotogalvanische inrichting met vloeibare verbinding, welke inrichting een verbindingslaag bevat, waardoorheen een weg kan worden gebaand en die is afgezet op een halfgelei-5 derlaag.

Fotogalvanische halfgeleiderinrichtingen, die zonne-of andere stralingsenergie omzetten in electrische energie zijn algemeen bekend en gedurende een aantal jaren gebruikt voor het verschaffen van een krachtbron voor satellieten en afgelegen grondvoorzieningen. Brede 10 toepassing van fotogalvanische inrichtingen is echter niet mogelijk geweest als gevolg van de hoge kosten van het laten groeien en kloven van de vereiste siliciumkristallen en de grote gevoeligheid van dergelijke inrichtingen voor kristaldefecten en verontreinigingen langs het stroom-afnemende oppervlak van de verbinding.

15 De uitvinding pakt deze moeilijkheden aan onder ge bruikmaking van een amorfe of polykristallijne silicium-halfgeleider-onderlaag, een verbindingslaag waardoorheen een weg kan worden gebaand, en een electrolyt, waarbij elk dezer onderdelen zodanig is gekozen, dat inversie plaatsvindt langs het halfgeleideroppervlak. Deze inversie 20 beperkt het effect van kristaldefecten en verontreinigingen tot een minimum, zodat de constructie niet sterk afhankelijk is van oppervlaktetoe-standen en andere defecten van de verbindingslaag. Door het elimineren van de eis van een kristallijne halfgeleider en het verminderen van de gevoeligheid voor afwijkingen van de oppervlaktetoestand, kunnen inhe-25 rent eenvoudige en goedkope inrichtingen worden verkregen, die gemakkelijk worden vervaardigd onder gebruikmaking van massaproduktietechnieken.

De verkregen fotogalvanische cellen zijn gebleken in werkingseigenschap-pen en doelmatigheid zeer gunstig af te steken bij ideale fotogalvanische inrichtingen met p-n-verbinding.

30 De verkregen fotogalvanische inrichtingen zijn nuttig bij zowel het direct omzetten van zonne-energie in electriciteit als de produktie van waterstofgas door electrolyse in een electrolyt. Bovendien verschaft de uiterst dunne verbindingslaag een beschermende bedekking, 8300756 » » 2 .

die voorkomt dat de electrolyt in aanraking komt met het halfgeleider-oppervlak en dit aantast. De levensduur en stabiliteit van de inrichting zijn dus in aanzienlijke mate verbeterd.

De uitvinding omvat een foto-electrochemische inrichting 5 voor het direct in electrische energie omzetten van zonne-energie. De foto-electrochemische inrichting is gekoppeld aan een verbruiksketen of andere belasting via een eerste en een tweede electrode. De foto-electrochemische inrichting zelf omvat een halfgeleideronderlaagconstructie, j voorzien van een contactoppervlak aan een van de zijden, welk oppervlak j i

10 electrisch is gekoppeld aan de eerste electrode en althans een half ge- I

leiderlaag bevat, voorzien van een verbindingsoppervlak, waarbij de half- geleiderlaag een electronenaffiniteit heeft van Xg en een bandspleet- energie van E .

gs

Een verbindingslaag waardoorheen een weg kan worden ge-15 baand met een electronenaffiniteit van en een bandspleetenergie van E ^ is afgezet op het verbindingsoppervlak van de bovenste halfgelei-derlaag. Tenslotte is een electrolyt in electrisch geleidend verband opgenomen tussen de tweede electrode en de verbindingslaag.

In een uitvoeringsvorm is de halfgeleider-onderlaag-20 constructie een enkellaagse n-type halfgeleider, en is de electrolyt gekozen om een redoxpotentiaal te hebben, die groter is dan de som van de electronenaffiniteit en de bandspleet van de enkellaagse halfgeleider-onderlaag. Ook kan de halfgeleideronderlaag een enkellaagse p-type halfgeleider zijn, in welk geval de electrolyt is gekozen om een redoxpotenti-25 aal te hebben, die minder is dan de electronenaffiniteit van de halfgeleideronderlaag.

Overeenkomstig de uitvinding zijn de verbindingslaag en de enkellaagse halfgeleideronderlaag zodanig gekozen, dat de bandspleet van de verbindingslaag waardoorheen een weg kan worden gebaand, 30 te weten E groter is dan of gelijk aan de electronenaffiniteit van de enkellaagse halfgeleiderlaag min de electronenaffiniteit van de verbindingslaag plus de bandspleetenergie van de enkellaagse halfgeleiderlaag.

Om er een weg doorheen te kunnen banen moet de verbindingslaag een dikte hebben in het bereik van 1-4 nm. Bovendien zijn de 35 electrolyt en de halfgeleiderlaag zo-anig gekozen, dat de redoxpotentiaal van de electrolyt en de werkfunctie van de halfgeleiderlaag het verbin- 8300756 f 4 3 bindingsoppervlak van de half geleiderlaag doen omkeren.

Omdat de dikte van de vefbindingslaag zo klein is, kunnen defecten aanwezig zijn die het de electrolyt mogelijk maken op geïsoleerde plaatsen door de verbindingslaag heen te dringen en de half-5 geleiderlaag chemisch aan te tasten. Dientengevolge is in een andere uitvoeringsvorm een geleidende halfgeleiderlaag afgezet over de verbindings-laag tussen de verbindingslaag en de electrolyt. De geleidende halfgeleider is zodanig gekozen, dat zonne-energie door de geleidende halfgeleider niet wordt geabsorbeerd. De dikte van de geleidende halfge-10 leider is gekozen om een antireflecterend effect (AR) te hebben. Overeenkomstig de voorkeursuitvoeringsvorm heeft de geleidende halfgeleider verder een werkfunctie, die in hoofdzaak gelijk is aan de redoxpotentiaal van de electrolyt.

In nog een andere uitvoeringsvorm omvat de halfgeleider-15 onderlaag een geleidende onderlaag met het contactoppervlak op een van de zijden, een eerste oppervlak op de andere zijde en een aantal half-geleiderlagen, afgezet op het eerste oppervlak en in electrisch geleidend verband daarmee, waarbij de lagen zijn voorzien om in type af te wisselen tussen een n-type halfgeleider en een p-type halfgeleider. Elk der 20 halfgeleiderlagen is halfdoorlatend, zodat een gedeelte van de doorgaande zonne-energie door de halfgeleiderlaag wordt geabsorbeerd en omgezet in electrische energie.

Het gebruik van een aantal halfgeleiderlagen van afwisselende typen doet het fotogalvanische effect bij elke halfgeleider-25 laagverbinding additief zijn voor het zodoende vergroten van de open ketenspanning van het stelsel op nagenoeg dezelfde wijze als twee batterijen in serie kunnen worden geschakeld voor het verhogen van de daaruit voortvloeiende uitgangsspanning.

Dienovereenkomstig is een eerste doel van de uitvinding 30 het verschaffen van een foto-electrochemische inrichting voor koppeling tussen een eerste en een tweede electrode voor het in electrische energie omzetten van op de inrichting invallende zonne-energie, welke inrichting een halfgeleideronderlaag bevat, voorzien van een contactoppervlak, dat electrisch is gekoppeld aan de eerste electrode, en is gekenmerkt door- 35 dat althans een halfgeleiderlaag een verbindingsoppervlak heeft met een electronenaffiniteit van X en een bandspleet van E , waarbij een ver- s gs 8300 75 6

' * I

.

4 bindingslaag waardoorheen een weg kan worden gebaand en die een electro-nenaffiniteit van X^ en een bandspleet van E ^ heeft, is af gezet op het verbindingsoppervlak van de half geleider laag, en een electrolyt- in elec-trisch geleidend verband is aangebracht tussen de tweede electrode en 5 de verbindingslaag.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: . Fig. 1 een vereenvoudigde afbeelding is van de inrich ting in electrisch geleidend verband tussen twee electroden, 10 fig. 2 een vereenvoudigde afbeelding is van een bekende inrichting, waarbij het fysisch verband is weergegeven tussen de electrolyt, de verbindingslaag en de halfgeleider, fig. 3 een evenwichtsenergiebandgrafiek toont van de inrichting volgens fig. 2, 15 fig. 4 een vereenvoudigde afbeelding is van een andere uitvoeringsvorm van de inrichting, die een geleidende halfgeleiderlaag omvat tussen de electrolyt en de verbindingslaag, fig. 5 een evenwichtsenergiebandgrafiek toont van .de in fig. 4 weergegeven uitvoeringsvorm, en 20 fig. 6 een vereenvoudigde afbeelding is van een derde uitvoeringsvorm van de inrichting, waarbij de halfgeleideronderlaag een aantal op elkaar gestapelde dunne halfgeleiderfoelies omvat, waarbij de dunne halfgeleiderfoelies in type afwisselen tussen n-type en p-type halfgeleiders.

25 In eerste instantie verwijzende naar fig. 1, bevat een electrolythouder 12 een geschikte electrolyt 14, waarbij een verbruiks-keten of belasting 16 electrisch is verbonden tussen een eerste electrode 18 en een tweede electrode 20, die is gedompeld in de electrolyt 14. De eerste electrode 18 is electrisch verbonden met een halfgeleider-verbin-30 dingslaagsamenstel 22. Het halfgeleider-verbindingslaagsamenstel 22 is zodanig geplaatst, dat electrische energie wordt opgewekt wanneer zonne-energie 24 op het oppervlak van het halfgeleider-verbindingslaagsamen-stel 22 invalt. De inrichting omvat voor wat betreft de essentiële onderdelen de electrolyt 14 en het halfgeleider-verbindingslaagsamenstel 22.

35 Het is natuurlijk duidelijk, dat de middelen waarmee de electrolyt is opgenomen van geen belang zijn zolang de electrolyt in een 8300756 ér 5 electrisch geleidend verband is met het halfgeleider-verbindingslaag-samenstel. Bovendien is het duidelijk, dat de tweede electrode 20 kan bestaan uit een geschikte lichtdoorlatende constructie of buiten de baan van zonne-energie kan zijn geplaatst, zodat de zonne-energie invalt op de 5 verbinding tussen de verbindingslaag en de halfgeleider.

Verwijzende naar fig. 2 is een bekende inrichting verduidelijkt, die een eerste electrode 30 omvat, die in electrisch geleidend verband is gekoppeld aan een halfgeleideronderlaag 32. Een dunne verbindingslaag 34, waardoorheen een weg kan worden gebaand, is uitwendig 10 afgezet of gegroeid op het verbinêLLngsoppervlak 35 van de halfgeleider-onderlaag 32. Een geleidende electrolyt 36 is dan in een opneemmiddel (niet weergegeven) in electrisch geleidend verband geplaatst met de verbindingslaag 34, waarbij een tweede electrode 38 in de electrolyt 36 is geplaatst, zodat stralingsenergie 39, die door de electrolyt gaat en 15 door de verbindingslaag tot in het oppervlak van de half geleideronder laag 32 het opwekken veroorzaakt van electrische energie en een stroming tussen de eerste electrode 30 en de tweede electrode 38.

De halfgeleideronderlaag kan kristallijn zijn, zoals een enkel kristalsilicium, polykristallijn of amorf, en kan een n-type 20 of een p-type halfgeleider zijn. In een bekende uitvoering bijvoorbeeld is de electrolyt-verbindingslaag-halfgeleiderinrichting (EIS) gefabriceerd onder egbruikmaking van een met telluur gestimuleerde GaAs n-type 22 3 halfgeleider met een dragerconcentratie van ongeveer 5 x 10 /m .

De eerste electrode 30 aan de achterzijde van de half-25 geieideronderlaag 32 kan zijn gevormd onder gebruikmaking van gebruikelijke afzettechnieken, die op dit gebied algemeen bekend zijn, en kan een willekeurig geschikt geleidend metaal zijn of een legering, zoals aluminium.

De verbindingslaag 34 heeft een dikte waardoorheen een 30 weg kan worden gebaand, zodat stroom zelfs in massavorm door de verbindingslaag 34 gaat, welke verbindingslaag in het algemeen een isolator is.

Ten einde de aanwezigheid van het wegbaaneffect te verzekeren, heeft de verbindingslaag bij voorkeur een dikte tussen 1 en 4 nm in afhankelijkheid van de halfgeleideronderlaag. De verbindingslaag kan een natuurlijk 35 diëlectricum zijn, dat bijvoorbeeld in het algemeen tot groeien is ge-bracht door het oxyderen van het oppervlak van de halfgeleideronderlaag 32 8300 75 6 * 6 of kan een van buiten af gezet diëlectricum zijn. In het laatste geval kan de verbindingslaag bestaan uit een van een aantal verschillende oxyden, zoals Nb„0_, Sb_0_, SiO„,'TiO„, Ta„0_ of andere geschikte mate-2 5 2 3 2 2 2 b . rialen, die voldoen aan de hierna te beschrijven criteria.

5 Ook de electrolyt 36 kan bestaan uit een van een aantal verschillende samenstellingen of mengsels. Bijvoorbeeld (lMK^Se, lMSe, 1MK0H) of (lMNa2S, IMS, lMNaOH).

Opdat de electrolyt, het verbindingslaagmateriaal en de halfgeleideronderlaag zodanig op elkaar inwerken dat electrische ener-10 gie wordt opgewekt in aanspreking‘op het invallen van zonne-energie, moet aan bepaalde criteria zijn voldaan. Ten eerste moeten de electrolyt en de halfgeleideronderlaag zijn gekozen om respectievelijk een oxyda-tie-reductie (redox) potentiaal en een werkfunctie te hebben, zodat het verbindingsoppervlak van de halfgeleideronderlaag 32 wordt geïnverteerd.

15 Een dergelijke toestand is verzekerd indien de bandspleet van de verbindingslaag 34 groter is dan of gelijk aan de electronenaffiniteit van de halfgeleideronderlaag Xg min de electronenaffiniteit van de verbindingslaag plus de bandspleet-energie van de halfgeleideronderlaag 32. Bovendien moet de redoxpotentiaal V , voor een EIS-zonnecel met redox 20 een n-type halfgeleideronderlaag groter zijn dan de som van de electronenaffiniteit en de bandspleet van de halfgeleideronderlaag. Op soortgelijke wijze moet voor EIS-zonnecellen met een p-type halfgeleideronderlaag, de electrolyt worden gekozen met een redoxpotentiaal, die minder is dan de electronenaffiniteit van de halfgeleideronderlaag.

25 Verwijzende naar fig. 3 is een eenvoudige evenwichts- energiebandgrafiek afgebeeld voor een n-type EIS-zonnecel, waarbij E ^ en Ε^3 de bandspleten aanduiden van respectievelijk de verbindingslaag 34 en de halfgeleideronderlaag 32, 0^ de hoogte aanduidt van de afsluiting van de electrolyt naar de isolator en in verband staat met de 30 redoxpotentiaal van het redoxkoppel in de electrolyt met betrekking tot de vacuumhoogte, ψ de oppervlaktepotentiaal is van de halfgeleider-c 3 onderlaag, ° de afstand aanduidt tussen het Fermi-niveau en de gelei-n dingsband in de massa van de afgeleideronderlaag, d de dikte is van de verbindingslaag, het energieverschil is tussen de halfgeleideronder-35 laag (geleiderbandrand) en de geleidingsbandrand van de verbindingslaag, en V v^ de potentiaalval is over de verbindingslaagverbinding.

8300756 7

Vervolgens verwijzende naar fig. 4, is een andere uitvoeringsvorm van de inrichting afgebeeld, die een geleidende halfge-leiderlaag 40 omvat tussen de verbindingslaag 34 en de electrolyt 36. Zoals eerder vermeld, is een van de doeleinden van het tussenplaatsen 5 van de verbindingslaag 34 het beschermen van de halfgeleideronderlaag tegen aantastende effecten van de electrolyt 36. Omdat de verbindingslaag echter uiterst dun is, kunnen niet ideale toestanden optreden, die de doelmatigheid en lange levensduur van de zonnecelinrichting beïnvloeden.

10 Een niet ideale toestand, die aanwezig kan zijn in de uiterst dunne verbindingslaag is een porie. Poriën maken het de electrolyt mogelijk in innige aanraking te komen met een klein gebied van de halfgeleideronderlaag 32, waardoor de aantastende effecten van de electrolyt 36 de halfgeleideronderlaag 32 kunnen aantasten en de gunstige ef-15 fecten van de verbindingslaag op de fotogalvanische eigenschappen in het kleine gebied kunnen elimineren. Bovendien werkt het poriegebied als een Schottky- of heteroverbindingsdiode, waarbij de verzadigings-stroom afhankelijk is van zowel het poriegebied als de eigenschappen van de Schottky- of heteroverbindingsdiode wanneer niet met opzet een 20 verbindingslaag wordt ingevoerd. Indien het oppervlak van de halfgeleider 32 niet is geïnverteerd, kunnen de poriën ook verantwoordelijk zijn voor het met ongeveer 100 mV verlagen van de open ketenspanning. Zoals eerder vermeld, is natuurlijk een voordeel van de inrichting, waarbij het materiaal is gekozen voor het verschaffen van een geïnverteerd opper-25 vlak bij het verbindingsoppervlak van de halfgeleideronderlaag 32, het aanzienlijk verminderen van de effecten van dergelijke poriën. In feite is gebleken, dat indien het oppervlak sterk is geïnverteerd, meer dan 7 10 poriën per vierkante meter en met een diameter van 1 ^.um of minder kunnen worden getolereerd zonder de eigenschappen van de inrichting aan 30 te tasten.

Een andere niet ideale toestand, samenhangende met de verbindingslaag, is de oxydeval, die voortkomt uit de amorfe aard van de laag of uit de aanwezigheid van vreemde atomen of ionen. Hoewel het direct banen van een weg een doeltreffend transportmechanisme is voor de be-35 treffende dunne lagen, kunnen vergelijkbare stromen door het oxyde gaan door het overspringen met grote valdichtheden. Aangezien het overspringen 83 0 0 75 6 <* 8 het waarschijnlijkst is wanneer de energieverandering per oversprong klein is, verbetert een concentratie van vallen bij een bepaalde energie in'het oxyde, de verbinding tussen de electrolyt en de halfgeleider bij die energie. Een grote dichtheid van oxydevallen nabij de rand van de 5 minderheid-dragerband in de halfgeleider verbetert de verbinding tussen de electrolyt en deze band.

Een andere niet ideale toestand, die mogelijk is met een zeer dunne verbindingslaag kan bestaan uit het niet stoechiometrisch zijn. Indien echter het oppervlak van de halfgeleideronderlaag sterk 10 is geïnverteerd, heeft het niet stoechiometrisch zijn geen effect op de werking van de inrichting.

Hoewel inversie Van het oppervlak van de halfgeleideronderlaag 32 het effect van de meeste niet ideale toestanden tot een minimum beperkt, is het toch wenselijk de halfgeleideronderlaag te be-15 schennen 'tegen de electrolyt, in het bijzonder bij de poriegebieden door de verbindingslaag. Ten einde dit doel te bereiken en overeenkomstig een andere uitvoeringsvorm, is nadat de uiterst dunne diëlectrische verbindingslaag is afgezet, een geleidende halfgeleider met brede bandspleet (groter dan 3,2 eV, zodat geen licht in het zichtbare spectrum wordt 20 geabsorbeerd) en een dikte van ongeveer 75 nm ( X /4 of een oneven veelvoud daarvan voor het krijgen van een anti-reflecterend bekledingseffect,. waarbij X de gemiddelde golflengte van de zonne-energie is, waarbij stroomkracht maximaal is) af gezet voor het bedekken van de bovenkant van de verbindingslaag 34. De daaruit voortvloeiende drielagige construc-25 tie wordt dan gedompeld in de electrolyt 36. De werkfunctie van de geleidende halfgeleider 40 met brede bandspleet is zodanig gekozen, dat deze equivalent is met de redoxpotentiaal van de electrolyt 36. Zoals eerder beschreven, moet het oppervlak van de halfgeleideronderlaag weer zijn geïnverteerd ten einde een optimale werking te bereiken. Dit kan zijn ver-30 zekerd door het kiezen van de werkfunctie van de geleidende halfgeleider en de redoxpotentiaal van de electrolyt.

Meer in het bijzonder kan de optimale waarde voor een n-type halfgeleideronderlaag worden gegeven door: V1®? = (W - 4,7) ^ V + Ψ . „

redox FBn mV

35 waarin: VFBn de platte bandpotentiaal is van de n-type halfgelei- 8300756 9

y.T.*taAL

r xnV q n.

k de constante is van Baltzman T de temperatuur is 5 NQ de dragerconcentratie is in de halfgeleider of onder laag q de electronische lading is n^ de intrinsieke dragerconcentratie is in de halfgelei-deronderlaag 10 W de werkfunctie is van de geleidende halfgeleider, en ^NHE de redoxpotentiaal is van de electrolyt, welke redox is gemeten op de gebruikelijke waterstofelectrode-schaal.

Op soortgelijke wijze voor p-type halfgeleiders; 15 = (ff - 4,7) < v + Egs - 'P . „

redox FBp ^ mV

waarin: V__ de platte bandpotentiaa1 is van de p-type halfgelei- FBp . der, ψ.

1 xnV q n.

x 20 Egs de bandspleet is van de halfgeleideronderlaag, en W de werkfunctie is van de geleidende halfgeleider N de dragerconcentratie is in de verbindingslaag

A

q de electronische lading is n^ de intrinsieke dragerconcentratie is in de halfgelei-25 deronderlaag.

De evenwichtsenergiebandgrafiek van de electrolyt-gelei-dende halfgeleider-verbindingslaag-halfgeleideronderlaaginrichting (ESIS) is weergegeven in fig. 5 voor een n-type halfgeleideronderlaagmateriaal, waarin: 30 V' = V - x.

, redox x redox w’ = X - X.

X- x^ = electronenaffiniteit van de isolator x^ = electronenaffiniteit van de halfgeleider 8300756 10 v = = 0 FBn n q W de werkfunctie is van de geleidende halfgeleider x' de afsluithoogte is van de halfgeleiderisolator Vredox oxydatie-reductiepotentiaal is van de electrolyt 5 met betrekking tot de vacuumhoogte VPBn platte bandpotentiaal is van de halfgeleider 0 het verschil is tussen het Fermi-niveau en de ge-n leidingsband in de massa van de halfgeleideronder-laag 10 ψ de oppervlaktepotentiaal is van de halfgeleider- onderlaag wanneer het oppervlak is geïnverteerd.

De geleidende halfgeleider kan van ZnO, SnO^/ indiumtin-oxyde of een willekeurig ander geschikt oxydemateriaal zijn, dat geleidend is, dat een anti-reflecterend effect heeft, zodat maximaal licht 15 door de geleidende halfgeleider heendringt, en dat een voldoende brede bandspleet heeft, zodat het geen stralingsenergie absorbeert in het spectrum, gebruikt voor het activeren van de halfgeleider voor het opwekken van electrische energie.

Vervolgens verwijzende naar fig. 6, is een andere uit-20 voeringsvorm afgebeeld, die twee of meer fotogalvanische half geleiderlagen verschaft, die werken alsof zij in serie zijn geschakeld waardoor een hogere spanning kan worden bereikt. Een dergelijke zonnecelinrichting is in het bijzonder van belang ten einde de doelmatigheid te vergroten van de waterstofproduktie bij de foto-electrolyse van electrolyten in 25 water.

De halfgeleideronderlaag in fig. 6 omvat derhalve een geleidende onderlaag 42, waarop een dunne n-type halfgeleiderlaag 44 is afgezet overeenkomstig gebruikelijke afzettechnieken. Dan is een p-type halfgeleider 46 af gezet boven op de n-type halfgeleider, en een tweede 30 n-type halfgeleider 48 boven op de p-type halfgeleider 46. Elk van deze halfgeleiderlagen 44, 46 en 48 is een dunne foelie, en gedeeltelijk lichtdoorlatend en gedeeltelijk lichtabsorberend. Doorgangverbindingen 45 en 47 met een dikte van 10 - 20 nm en de n -p -gedaante, zijn voorzien tussen de lagen 44 en 46, en 46 en 48 door het geschikt stimuleren, 35 zodat elke verbinding sterk geleidend is. De stimulatieconcentratie van 8300756 11 de verbindingsgebieden 45 en 47 is in hoofdzaak gelijk aan die van de verbindingslaag 34 en op een soortgelijke wijze gevormd. De verbindings-laag 34 is dan af gezet boven op de laatste n-type halfgeleider 48 door het oxyderen van de bovenste laag van de n-type halfgeleider of door ge-5 schikte af zettechnieken van buiten, waardoor een andere samenstelling wordt af gezet op de bovenste n-type halfgeleider. De halfgeleider kan polykristallijn zijn, amorf of bestaan uit gemengde fasen. De werkfunc-tie van de geleidende halfgeleider 40 met brede bandspleet en de redox-potentiaal van de electrolyt 36 zijn bij voorkeur zo dicht mogelijk op 10 elkaar afgestemd. De onderlaag kan bestaan uit glas, roestvrij staal of een willekeurig ander soortgelijk materiaal.

Het is duidelijk, dat een willekeurig aantal halfgeleiderlagen op elkaar kan worden gestapeld. Het is echter ook duidelijk, dat bij het stapelen van meer lagen, de hoeveelheid zonne-energie, die door-15 dringt naar de onderste laag om te worden omgezet in electriciteit, afneemt, waardoor dus het voordeel van deze aanvullende halfgeleiderlagen wordt verminderd. Ook kan de uitvoering van het type halfgeleider worden geïnverteerd, zodat de half geleiderlaag 44 een p-type is, de halfgeleider laag 46 een n-type en de halfgeleiderlaag 48 een p-type.

20 Gebleken is, dat de open ketenspanning van dé in fig.

6 afgebeelde npn-inrichting vrijwel is verdubbeld, terwijl de strocm-dichtheid ongeveer een half is of iets meer in vergelijking met de stroam-dichtheid van een fotogalvanische inrichting met een enkele halfgeleider-laag, zoals afgebeeld in fig. 4. Ook is het duidelijk, dat de eisen voor 25 het afstemmen van de impedantie tussen de halfgeleiderlagen worden verzacht indien de fotogalvanische inrichting wordt gebruikt bij het produceren van waterstof. Het in fig. 6 afgebeelde stelsel is derhalve een doeltreffend stelsel voor het doelmatiger produceren van waterstof dan een inrichting' met een enkele halfgeleiderlaag.

30 Voorbeeld 1

Een n-type met telluur gestimuleerde GaAs-schijf met 22 een dragerconcentratie van ongeveer 5 x 10 /m3 werd verkregen en ont vet met xyleen en vervolgens chemisch-mechanisch gepolijst met een 1% oplossing van broom in methanol onder gebruikmaking van een polijstkussen.

35 Voor het verwijderen van de mechanische oppervlaktebeschadiging, veroorzaakt door het chemisch-mechanisch polijsten, werd het kristal chemisch 830 0 75 6 4 12 geëtst in NHH (NE40H/H202/H20 in een verhouding van 10/1/1) gedurende 15 s, en werd vervolgens geëtst in SHH (H2S04/H202/H20 in een verhouding van 10/1/1) gedurende een minuut. Na het etsen werd de schijf grondig gewassen met gedeioniseerd water en vervolgens gedroogd in een stik-5 stof atmosfeer.

Het verbindingslaagoxyde werd tot groeien gebracht door het plaatsen van de GaAS-schijf in een kwartsbuis en het gedurende 50 uur daaroverheen leiden van met waterdamp verzadigde zuurstof. Het ach-tercontact werd verschaft door het thermisch opdampen van een Ge-Au-10 legering op het achteroppervlak en het vervolgens bij 400 °C ontharden in vormgas.

De geoxydeerde GaAs-schijf werd blootgesteld aan de elec-trolyt, omvattende een 1/1 mengsel van AlCl3/butylpyridiniumchloride (BFC). De fotogalvanische eigenschappen werden gemeten onder AMl verlich-15 ting. De open ketenspanning was vanaf een gebruikelijke waarde van 590 mV zonder de verbindingslaag vergroot tot 640 mV. De andere parameters en de kortsluitstroomdichtheid en vulfactor waren nagenoeg niet veranderd.

Hoewel verschillende uitvoeringsvormen en voorbeelden van de uitvinding hiervoor zijn beschreven, is het duidelijk, dat vele 20 veranderingen in materialen en gedaanten mogelijk zijn zonder de strekking van de uitvinding te verlaten. Het is derhalve het doel van de conclusies alle wijzigingen en veranderingen, die binnen de werkelijke strekking en omvang van de uitvinding vallen, te omvatten.

8300756

Claims

1. Foto-electrochemische inrichting voor koppeling tussen een eerste en een tweede electrode voor het in electrische energie omzetten van op de inrichting invallende zonne-energie, gekenmerkt door een halfgeleideronderlaag (32), voorzien van een contactoppervlak, dat 5 electrisch is gekoppeld aan de eerste electrode (18, 30) en althans een halfgeleiderlaag (22) omvat, voorzien van een verbindingsoppervlak met een electronenaffiniteit van X^ en een bandspleet van E , door een verbindingslaag (34) waardoorheen een weg kan worden gebaand en die een electronenaffiniteit van en een bandspleet van E ^ heeft, en is afge- 10 zet op het verbindingsoppervlak van de halfgeleiderlaag, en door een electrolyt (14), die in electrisch geleidend verband is aangebracht tussen de tweede electrode en de verbindingslaag.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de halfgeleideronderlaag (32) een enkellaagse n-type halfgeleider is, 15 waarbij de electrolyt (14) is gekozen uit de groep van electrolyten met een redoxpotentiaal, die groter is dan de scan van de electronenaffiniteit bij een voorspanning van nul, en de bandspleet van de halfgeleiderlaag.

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 20 de halfgeleideronderlaag (32) een enkellaagse p-type halfgeleider (46) is, waarbij de electrolyt (14) is gekozen uit de groep electrolyten met een redoxpotentiaal, die minder is dan de som van de electronenaffini-teit bij een voorspanning van nul en de bandspleet van de halfgeleiderlaag.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de halfgeleideronderlaag (32) een enkele laag is, waarbij de verbindingslaag (34) en de halfgeleiderlaag (22) zodanig zijn gekozen, dat E . ^ X - gr s X. + E . jl gs

5. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met 30 het kenmerk, dat de verbindingslaag een dikte heeft in het bereik van 1-4 nm.

6. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de halfgeleideronderlaag een enkele laag is, waarbij de electrolyt (14) en de halfgeleiderlaag (22) zodanig zijn gekozen om respec- 8300756 t- Λ ' tievelijk een redoxpotentiaal en een werkfunctie te hebben, dat het ver-bindingsoppervlak van de halfgeleiderlaag is geïnverteerd.

7. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, geken merkt door een geleidende halfgeleiderlaag (40), afgezet over de ver-5 bindingslaag (34) tussen deze verbindingslaag en de electrolyt (14) voor het beschermen van de verbindingslaag en de halfgeleideronderlaag (32) tegen de electrolyt, welke geleidende halfgeleider zodanig is gekozen, dat lichtenergie in een gekozen spectrum doorgaat, en de dikte zodanig is, dat de geleidende halfgeleider niet reflecterend is.

8. Inrichting volgens een der conclusies 2 - 6,’gekenmerkt door een geleidende halfgeleiderlaag (40), afgezet over de verbindingslaag (34) tussen deze verbindingslaag en de electrolyt (14) voor het beschermen van de verbindingslaag en de halfgeleideronderlaag (32) tegen de electrolyt, welke geleidende halfgeleider zodanig is gekozen, dat 15 lichtenergie in een gekozen spectrum doorgaat, en de dikte zodanig is, dat de geleidende halfgeleider niet reflecterend is.

9. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de geleidende halfgeleider een bandspleet heeft, die groter is dan 3,2 eV, en een dikte, die nagenoeg gelijk is aan η A/4, waarin n een oneven 20 geheel getal is, en X de gemiddelde golflengte is van het bekrachtigende licht, dat invalt op hét verbindingsoppervlak.

10. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de geleidende halfgeleider een werkfunctie heeft, die een lineaire functie isvan de redoxpotentiaal van de electrolyt.

11. Inrichting volgens conclusie 1 of 7, met het kenmerk, dat de halfgeleideronderlaag bestaat uit een geleidende onderlaag (42), voorzien van een eerste oppervlak op een van de zijden, waarbij het contactoppervlak zich op de andere zijde bevindt, en uit een aantal halfge-leiderlagen (44, 46, 48), welke lagen in type afwisselen tussen een 30 n-type halfgeleider en een p-type halfgeleider, en elk invallende zonne-energie absorberen voor het opwekken van een electrische stroom, waardoor de open ketenspanning van het stelsel wordt vergroot als gevolg van het opnemen van het aantal halfgeleiderlagen.

12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat e3k 35 der half geleiderlagen (44, 46, 48) een foelie is, die voldoende dun is om het elke laag mogelijk te maken slechts een gedeelte van de invallende 8300756 >1 A % zonne-energie te absorberen.

13. Inrichting volgens conclusie 11, met' het kenmerk, dat het aantal halfgeleiderlagen een eerste n-type halfgeleiderlaag (44) bevat, afgezet op de onderlaag (42), verder een tweede p-type halfgelei-5 derlaag (46), af gezet op de eerste n-type half geleiderlaag, en een derde n-type half geleiderlaag (48), af gezet op de tweede p-type half geleiderlaag tussen deze laag en de verbindingslaag (34) voor het bepalen van een eerste stroamafnemende verbinding (45) tussen de eerste en tweede half geleiderlagen, en een tweede stroomafnemende verbinding (47) tussen 10 de derde halfgeleiderlaag en de electrolyt (14). 8300756