DE102005002942A1 - Dye solar cells has barrier layer metal, e.g titanium, tungsten, tantalum, embedded on surface area as substrate on which mixed phase metallic oxide layer, e.g. anatase and rutile, resulting from spark discharge is applied - Google Patents
Dye solar cells has barrier layer metal, e.g titanium, tungsten, tantalum, embedded on surface area as substrate on which mixed phase metallic oxide layer, e.g. anatase and rutile, resulting from spark discharge is applied Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft den Aufbau einer Farbstoffsolarzelle, wie sie beispielsweise in der Photovoltaic und in der Photothermic Verwendung findet.The The invention relates to the construction of a dye-sensitized solar cell, as they are for example, in photovoltaic and photothermic use place.
Farbstoffsolarzellen bestehen aus einem leitfähigen festen Substrat, häufig Glas-ITO (Indium-Tin-Oxid), auf welches Metalloxid, häufig Titandioxid, aufgebracht wird, und einem darauf chemisch gebundenen Farbstoff, einem variablen Elektrolyten, häufig Acetonitril-LiI, sowie aus einer frei wählbaren Gegenelektrode, häufig Glas-ITO, und dienen zur photovoltaischen Stromerzeugung.dye solar cells consist of a conductive solid substrate, often Glass ITO (indium tin oxide), to which metal oxide, often titanium dioxide, is applied, and a dye chemically bonded thereto, a variable electrolyte, often Acetonitrile-LiI, and from a freely selectable counter electrode, often glass ITO, and serve for photovoltaic power generation.
Hierzu
existiert eine Vielzahl von Publikationen (beispielsweise K. Kalyanasundaram,
M. Gratzel: Coord. Chem. Rev. 1998, 177, 347-414; M.A. Green: Solar
Energy, 2004, 76(1-3), 3-8; A. J. McEvoy, M. Grätzel: Recent Research Developments
in Electrochemistry, 2002, 5, 145-154; Md. K. Nazeeruddin, M. Grätzel: Comprehensive
Coordination Chemistry II, 2004, Volume 9, 719-758; C. Longo, M.A.
De Paoli: Journal of the Brazilian Chemical Society, 2003, 14(6),
889-901;
Die Stromerzeugung basiert auf lichtgetriebener Elektroneninjektion in das Leitungsband des TiO2 aus dem gebundenen Farbstoff, Reduktion des somit oxidierten Farbstoffs durch Elektrolytkomponenten, Migration der oxidierten Elektrolytkomponente zur Kathode und dort erfolgende regenerative Reduktion der oxidierten Elektrolytkomponente durch photogenerierte Elektronen (beispielsweise A. Islam, H. Sugihara, H. Arakawa: Journal of Photochemistry and Photobiology, A, Chemistry, 2003, 158(2-3), 131-138; J. Van de Lagemaat, N.-G. Park, A. J. Frank: Proceedings – Electrochemical Society, 2001-10, Photovoltaics for the 21st Century II(146-152).The power generation is based on light-driven electron injection into the conduction band of TiO 2 from the bound dye, reduction of the thus oxidized dye by electrolyte components, migration of the oxidized electrolyte component to the cathode and there occurring regenerative reduction of the oxidized electrolyte component by photogenerated electrons (for example A. Islam, H. Sugihara, H. Arakawa: Journal of Photochemistry and Photobiology, A, Chemistry, 2003, 158 (2-3), 131-138; J. Van de Lagemaat, N.G. Park, AJ Frank: Proceedings - Electrochemical Society, 2001-10, Photovoltaics for the 21st Century II (146-152).
Ein großes Problem bereitet bei der Fertigung dieser Farbstoffsolarzellen die Erzeugung der Titandioxidschicht. Diese bestimmt im hohen Maß die Qualität und die Leistungsfähigkeit (Effizienz) der Farbstoffsolarzelle bei ihrem Einsatz. Besondere Relevanz besitzt dieser Umstand bei Farbstoffsolarzellen mit dicken Titandioxidschichten, beispielsweise bei Schichtdicken größer als 10 μm.One great Problem prepares in the production of these dye solar cells the Generation of the titanium dioxide layer. This determines to a high degree the quality and the capacity (Efficiency) of the dye solar cell in their use. Special Relevance has this fact in dye solar cells with thick Titanium dioxide layers, for example, at layer thicknesses greater than 10 μm.
Auf Grund relativ großer Parameterstreuung bei der Fertigung ist das Herstellungsergebnis deshalb in der Praxis sehr stark vom Geschick und vom Erfahrungsgrad des Bearbeiters abhängig. Infolge dieser nicht gewährleisteten Reproduzierbarkeit ist die Fertigung sehr aufwendig sowie kompliziert, und es entstehen bei eingeschränkter Fertigungsausbeute relativ hohe Herstellungskosten.On Reason relatively large Parameter dispersion during production is the production result Therefore, in practice, very much of the skill and level of experience dependent on the editor. As a result of this not guaranteed Reproducibility, the production is very elaborate as well as complicated, and there are limited Production yield relatively high production costs.
Es ist von der Theorie her an sich bekannt (z. B. R. Bickley, T. Gonzalez-Carreno, J. Lees, L. Palmisano, R. Tilley: Journal of Solid State Chemistry, 1991, 92, 178), dass Mischphasen des Metalloxids (Titandioxidschicht) zur Verhinderung der Ladungsrekombination bei Farbstoffsolarzellen besser geeignet sind, die photoinduzierten Elektronen aus dem Farbstoff zum elektrisch kontaktierten Substrat zu leiten. Damit könnte die Effizienz der Farbstoffsolarzelle bei ihrem Einsatz prinzipiell gesteigert werden. Allerdings gelang eine technische und auf eine Massenfertigung von Farbstoffsolarzellen ausgerichtete Umsetzung dieser Erkenntnis in der Praxis bisher nicht. Bei allen bekannten Farbstoffsolarzellen war nur phasenreines Anatas (keine Mischphasen) für den technologischen Fertigungsprozess relevant.It is inherently known in the art (e.g., R. Bickley, T. Gonzalez-Carreno, J. Lees, L. Palmisano, R. Tilley: Journal of Solid State Chemistry, 1991, 92, 178), that mixed phases of the metal oxide (titanium dioxide layer) to prevent charge recombination in dye solar cells are more suitable, the photoinduced electrons from the dye to conduct to the electrically contacted substrate. This could be the Efficiency of the dye solar cell in their use in principle be increased. However succeeded in a technical and on a Mass production of dye solar cells aligned implementation this realization in practice so far not. In all known Dye solar cell was only phase-pure anatase (no mixed phases) for the technological production process relevant.
Nachteile
bestehen ferner in der eingeschränkten
Temperaturstabilität
der Indium-Tin-Oxid-Schichten
sowie in den relativ hohen Anschaffungskosten der Indium-Tin-Oxid-Schichten. Weiterhin
sind diese Schichten schlecht strukturierbar. Dadurch sind die Farbstoffsolarzellen
in ihrem Einsatz ohne Einschränkung
in den Leistungsparametern im Wesentlichen für den Temperaturbereich bis
300 °C einsatzfähig (K.
Kalyanasundaram, M. Grätzel:
Coord. Chem. Rev. 1998, 177, 347-414; M. Grätzel: Journal of Sol-Gel Science
and Technology, 2001, 22(1/2), 7-13;
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Farbstoffsolarzelle zu schaffen, deren Substrat sehr gut elektrisch und thermisch leitfähig ist, deren Titandioxidschicht eine große Menge Farbstoff binden kann und auch für große Schichtdicken ohne Genauigkeits- und Effektivitätseinbußen variabel realisierbar ist, die möglichst aufwandgering, schnell und mit reproduzierbaren Leistungsparametern herstellbar ist, deren Schichtfolge nach Bedarf auf verschiedenen Substraten, auch unter Berücksichtigung von Mischphasen, erzeugt werden kann und deren Einsatz nicht thermisch begrenzt ist.Of the Invention is based on the object, a dye solar cell whose substrate is very well electrically and thermally conductive, whose titanium dioxide layer can bind a large amount of dye and also for size Layer thicknesses without accuracy and effectiveness losses is variably feasible, the possible aufwandgering, fast and with reproducible performance parameters can be produced, the sequence of layers as needed on different Substrates, also considering of mixed phases, can be produced and their use is not thermal is limited.
Erfindungsgemäß ist als Substrat ein zumindest im Oberflächenbereich sperrschichtbildendes Metall, wie beispielsweise Titan, Wolfram, Tantal, vorgesehen, auf welches eine durch Funkenentladung entstehende Mischphasen-Titandioxidschicht, beispielsweise bestehend aus Anatase und Rutil, aufgebracht ist.According to the invention, a metal which forms a barrier layer at least in the surface area, such as, for example, titanium, tungsten, tantalum, is present as the substrate to which a mixed-phase titanium dioxide layer resulting from spark discharge, for example consisting of anatase and rutile, is applied.
Auf diese Weise gelingt mit dem festen metallischen Substrat erstens auch für größere Schichtdicken ab 10 μm eine in den Eigenschaften reproduzierbare Mischphasen-Titandioxidschicht, die sowohl in der Schichtdicke als auch in der wählbaren Komponentenverteilung technologisch gut beherrschbar ist sowie eine hohe Fertigungsausbeute mit reproduzierbarer Qualität und Genauigkeit verspricht. Zweitens besteht das Substrat aus dem besagten festen Metall und ist damit im Gegensatz zu bisherigen ITO-Glas-Substraten hervorragend elektrisch und thermisch leitfähig. An die thermisch leitfähige Substratunterseite können an sich bekannte Kühlsysteme, wie Kühlkörper, Flüssigkeitskühlsysteme etc., angekoppelt werden, wobei sich der Vorteil der hohen thermischen Leitfähigkeit auf die gesamte Schichtfolge und damit auf die Stromausbeute sowie letztendlich auf die gänzliche Farbstoffsolarzelle als gut kühlbares Bauelement auswirkt. Damit wird die Farbstoffsolarzelle selbst für thermisch hoch belastbare Anwendungen interessant, welche den bisherigen Bauelementen mit den besagten ITO-Glas-Substraten nur sehr eingeschränkt erschlossen waren.On this way succeeds firstly with the solid metallic substrate also for larger layer thicknesses from 10 μm a mixed-phase titanium dioxide layer reproducible in the properties, in both the layer thickness and in the selectable component distribution is technologically easy to control and a high production yield with reproducible quality and accuracy promises. Second, the substrate consists of the said solid metal and is thus in contrast to previous ITO glass substrates Excellent electrical and thermal conductivity. To the thermally conductive substrate base can Cooling systems known per se, such as Heat sink, liquid cooling systems etc., coupled with the advantage of high thermal conductivity on the entire layer sequence and thus on the current efficiency as well ultimately to the total Dye solar cell as well coolable Component affects. This makes the dye solar cell itself for thermal highly loadable applications interesting, which the previous components only very limited use of the said ITO glass substrates were.
Das
elektrisch und thermisch leitfähige
feste Substrat mit der Titandioxidschicht kann vorteilhaft und technologisch
gut beherrschbar nach dem in
Untersuchungen haben gezeigt, dass anhand der einstellbaren Verfahrensparameter Schichtdicken von 10 μm bis 50 μm reproduzierbar definiert werden konnten. Auf diese Mischphasen-Titandioxidschichten wurde jeweils der Farbstoff mittels anionischer sauerstoffhaltiger Ankergruppen wie z. B. Carboxylat oder Phosphonat chemisch gebunden, nachgewiesen über IR-Spektroskopie. Die so modifizierte Schicht wurde in ein Elektrolytbad gesetzt, typische Komponenten Acetonitril und 0,5 mol/l LiI und mit einer Gegenelektrode wie z. B. Platin in elektrischen Kontakt gebracht.investigations have shown that by using the adjustable process parameters Layer thicknesses of 10 microns up to 50 μm could be defined reproducibly. On these mixed-phase titanium dioxide layers was in each case the dye by means of anionic oxygen-containing Anchor groups such. As carboxylate or phosphonate chemically bound, proven over IR spectroscopy. The thus modified layer was immersed in an electrolyte bath set, typical components acetonitrile and 0.5 mol / l LiI and with a counter electrode such. B. platinum in electrical contact brought.
Die hohe Porosität der auf dem festen Substratmetall aufgebrachten Mischphasen-Titandioxidschicht gewährleistet die Bindung einer hohen Farbstoffmenge. Die von theoretischen Betrachtungen erkannten Vorteile von Mischphasen des Metalloxids wurde bereits eingangs in der Beschreibung zum Stand der Technik erwähnt. Nunmehr gelang deren fertigungsspezifische technologische Umsetzung. Nicht nur die Schichtdicke der Mischphasen-Titandioxidschicht konnte mit reproduzierbarer Genauigkeit in relativ weiten Grenzen definiert werden, sondern auch die Phasenzusammensetzung von beispielsweise Anatase und Rutil. Damit wird die Grundlage für eine zur Massenherstellung vorgesehene technologisch beherrschbare und automatisierbare Fertigung einer universell einsatzfähigen und von den Leistungsparametern in engen Toleranzgrenzen gut bestimmbaren Farbstoffsolarzelle gelegt.The high porosity the mixed phase titanium dioxide layer applied to the solid substrate metal guaranteed the binding of a high amount of dye. The of theoretical considerations recognized advantages of mixed phases of the metal oxide has already been mentioned in the description of the prior art. Now succeeded in their production-specific technological implementation. Not only the layer thickness of the mixed-phase titanium dioxide layer could with reproducible accuracy defined in relatively wide limits but also the phase composition of, for example Anatase and rutile. This will be the basis for mass production envisaged technologically manageable and automatable production a universally operational and well-defined by the performance parameters within narrow tolerance limits Dye solar cell placed.
Das
leitfähige
feste Substrat mit der besagten hochporösen Oberfläche kann gemäß
Es ist möglich, das leitfähige feste Substrat in Mikrokanälen abzuscheiden. Dabei können spezielle und auch in der Geometrie komplizierte Substratstrukturen durch gezielte Oberflächenstrukturierung der darunter liegenden sperrschichtbildenden Materialien induziert werden. Dies kann zur Optimierung der optischen Eigenschaften der Farbstoffsolarzelle führen.It is possible, the conductive one solid substrate in microchannels deposit. It can special and in geometry complicated substrate structures through targeted surface structuring of the underlying barrier layer-forming materials become. This can help optimize the optical properties of the Dye solar cell lead.
Darüber hinaus gestattet die Erfindung auf Grund der speziellen Ausbildung und der Herstellungsmöglichkeiten des Substrats mit der Mischphasen-Metalloxidschicht die Anwendung auch anderer und ggf. anwendungsspezifische vorteilhafter Fügetechnologien (z. B. Anodisches Bonden) als die bisher zur Herstellung von Solarzellen etablierte Klebetechnik für den Schichtaufbau.Furthermore allows the invention due to the special training and the manufacturing possibilities the substrate with the mixed phase metal oxide layer the application also other and possibly application-specific advantageous joining technologies (eg Anodic Bonding) than previously used to manufacture solar cells established adhesive technology for the layer structure.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to the drawing embodiments be explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
In
Bei
Lichteinwirkung erfolgt eine Elektroneninjektion aus den in der
Titandioxidschicht
Im
Unterschied zum in
Zur
Herstellung dieses Metallsubstrats wird das zu beschichtende und
zumindest in seinem Oberflächenbereich
sperrschichtbildende Metall (hier beispielhaft Titan) gesäubert, entfettet
und anodisch einem wässrigen
Elektrolyten ausgesetzt, in welchem das aufzubringende Titandioxid
oder ein geeignetes Derivate dieser Verbindung im Konzentrationsbereich
von 0,01 bis 5 mol/l, vorzugsweise 0,05 mol/l, sowie weitere Komponenten
enthalten sind. Die besagten weiteren Komponenten sind zumindest
ein oder mehrere Komplexbildner, vorzugsweise Chelatbildner, im
Konzentrationsbereich 0,01 bis 5 mol/l, vorzugsweise 0,1 mol/l,
sowie Alkohol, insbesondere sekundäre oder tertiäre Alkohole,
im Konzentrationsbereich von 0,01 bis 5 mol/l, insbesondere 0,04
mol/l. Im Elektrolyt erfolgt ein Anodisationsprozess unter Funkenentladung
mit Gleichspannung bzw. Gleichspannungsimpulsen und zeitlicher Änderung
der Spannung bis zu einer Beschichtungsendspannung. Zweckmäßig werden
die Parameter dieses Anodisationsprozesses (Spannung, Strom, Frequenz,
Badgeometrie etc.) so gewählt,
dass sich die Schicht aus dem sperrschichtbildenden Metall und aus
dem Elektrolyten bildet, wobei die bereits gebildete Schicht durch
die Funkenentladung partiell rekristallisiert. Ein Verfahren zur
Erzeugung des vorgeschlagenen Substrats der erfindungsgemäßen Farbstoffsolarzelle
ist, beispielsweise durch die
Nach dem Anodisationsprozess wird das für die Farbstoffsolarzelle hergestellte Substrat durch Spülung vom wässrigen Beschichtungselektrolyt gereinigt und getrocknet.To the anodization process is that produced for the dye solar cell Substrate by rinsing from the watery Coating electrolyte cleaned and dried.
Das
leitfähige
feste Metallsubstrat für
die vorgeschlagene Farbstoffsolarzelle kann gemäß
Die
Mischphasen-Titandioxidschicht
Dieser
Schichtverbund wurde in ein Bad des Elektrolyt
Durch
die mesoporöse
Struktur der Mischphasen-Titandioxidschicht
Auch
in dieser Figur wird die photovoltaische Stromerzeugung durch ein über Leitungen
Bei
Lichteinwirkung erfolgt, wie zu
Die
Mischphasen-Titandioxidschicht
In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen sind mehrere Synthesekomplexe zur Schichtfolge für eine Farbstoffsolarzelle aufgeführt:In the following embodiments are several synthesis complexes for the layer sequence for a dye solar cell listed:
Ausführungbeispiel 1:Embodiment 1:
Es
erfolgte eine Schichtherstellung gemäß
Ausführunsgbeispiel 2:Embodiment 2:
Es
erfolgte eine Schichtherstellung gemäß
Ausführungsbeispiel 3:Embodiment 3
Es
erfolgte eine Schichtherstellung gemäß
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichenlist the reference numerals used
- 1, 6 –1, 6 -
- TIO-SchichtTIO layer
- 2, 7 –2, 7 -
- Glasschichtglass layer
- 3 –3 -
- Titandioxidschichttitanium dioxide layer
- 4 –4 -
- Elektrolytelectrolyte
- 5 –5 -
- Farbstoffpartikeldye particles
- 8 –8th -
- Leitungmanagement
- 9 –9 -
- Messgerätgauge
- 10 –10 -
- Titanschichttitanium layer
- 11 –11 -
- Mischphasen-TitandioxidschichtMixed-phase titanium dioxide layer
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE200510002942 DE102005002942A1 (en) | 2005-01-19 | 2005-01-19 | Dye solar cells has barrier layer metal, e.g titanium, tungsten, tantalum, embedded on surface area as substrate on which mixed phase metallic oxide layer, e.g. anatase and rutile, resulting from spark discharge is applied |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE200510002942 DE102005002942A1 (en) | 2005-01-19 | 2005-01-19 | Dye solar cells has barrier layer metal, e.g titanium, tungsten, tantalum, embedded on surface area as substrate on which mixed phase metallic oxide layer, e.g. anatase and rutile, resulting from spark discharge is applied |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102005002942A1 true DE102005002942A1 (en) | 2006-07-20 |
Family
ID=36643124
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE200510002942 Withdrawn DE102005002942A1 (en) | 2005-01-19 | 2005-01-19 | Dye solar cells has barrier layer metal, e.g titanium, tungsten, tantalum, embedded on surface area as substrate on which mixed phase metallic oxide layer, e.g. anatase and rutile, resulting from spark discharge is applied |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102005002942A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007046775A1 (en) * | 2007-09-27 | 2009-04-02 | Friedrich-Schiller-Universität Jena | Generating nanocrystalline metallic oxide and metal mixed oxide layers on barrier layer-forming metals e.g. aluminum of substrate, comprises anodically degreasing the substrate in galvanic electrolysis and then anodizing in electrolytes |
-
2005
- 2005-01-19 DE DE200510002942 patent/DE102005002942A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007046775A1 (en) * | 2007-09-27 | 2009-04-02 | Friedrich-Schiller-Universität Jena | Generating nanocrystalline metallic oxide and metal mixed oxide layers on barrier layer-forming metals e.g. aluminum of substrate, comprises anodically degreasing the substrate in galvanic electrolysis and then anodizing in electrolytes |
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| 8120 | Willingness to grant licenses paragraph 23 | ||
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