DE2943672C2 - Solarzelle mit einer n-Halbleiterelektrode und einer Gegenelektrode in einem Elektrolyten - Google Patents

Solarzelle mit einer n-Halbleiterelektrode und einer Gegenelektrode in einem Elektrolyten

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Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs.
Solarzellen mit Trockenelementen sind weitläufig bekannt (Lexikon der Physik, Franckh'sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart, 3. Auflage. 1969. Bd. 2. Seiten J0 1238. 1239 und 1250 sowie Band 3, Seiten 1530 bis 1532. Herausgeber H Franke), wobei in jeder dieser Solarzellen nahe der Oberfläche eines hauptsächlich aus Silicium bestehenden Halbleiterkristalls ein Positiv-Negativ-Übergang gebildet wird. Ht.rkömmliche Solarzellen J5 sind allerdings von dem Nachteil begleitet, daß der Halbleiter als Bestandteil undbedingt von großer Reinheit sein muß. Die Herstellung solcher Solarzellen ist somit verhältnismäßig kostenintensiv und ihre Verwendung ist auf Spezialgebiete beschränkt. Sie sind für eine wirtschaftliche Energieumwandlung daher nicht geeignet.
Ferner sind gattungsgemäße Solarzellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs bekannt (US-PS 39 89 542). Von Nachteil bei dieser bekannten NaQ-Solarzellc ist die Tatsache, daß der Wirkungsgrad gering ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs zu schaffen, bei der das auf die Elektrode mit dem n-Halbleiterbelag einfallende Licht zu einem höheren Prozentsatz in dem n-Halbleiterbelag absorbiert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs gelöst.
Durch die vielfache Reflexion des einfallenden Lichtes wird im Gegensatz zum gattungsgemäßen Stand der Technik ein hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung des Lichts in elektrische Energie erzielt, to daß die sogenannten Naßzellen in der Praxis nunmehr auch zunehmend praktische Bedeutung gewinnen können
Es folgt die Beschreibung einer Ausführungsform der Solarzelle im Zusammenhang mit der Zeichnung, Es zeigt
F i g, I einen Längsschnitt der neuen Solarzelle;
F ί g, 2 eine perspektivische Ansicht einer der Anoden gemäß Fig, I und
Fi g. 3 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausbildung einer Anode gemäß F i g. 2.
Fig. 1 zeigt einen Elektrolyten mit einem Redoxmittel sowie einem Farbstoffsensibilisator in einem Zellenbehälter 1. Eine Vielzahl von Platinkathoden 3 und Anoden 4 ist in paralleler Anordnung in einen Elektrolyten 2 getaucht.
Der in dem Elektrolyten bzw. in der leitenden Flüssigkeit 2 enthaltene Farbstoff kann irgendein Farbstoff sein, sofern dieser farbstoff-sensitive Wirkung zeigt, d. h. sensibilisierbar ist. Es gibt zum Beispiel Xanthenfarben. wie Tetraäthylrhodamin, Bengalisch Rosa, Eosin, Erythrosin etc, Zyaninfarbstoffe, wie Chinonzyanin. Krypton etc., basische Farbstoffe, wie Phenosafranin, Capriblau, Thionin, Methylenblau etc, Porphyrinverbindungen. wie Chlorophyll, Zinkporphyrin etc, Azufarbstoffe und Antrachinonfarbstoffe. Die Konzentration solcher Farbstoffsensibilsatoren in einem Elektrolyten kann von 1 · 10-" mol/dm3 bis zur jeweils gesättigten Konzentration reichen. Die am meisten wirksame Konzentration reicht jedoch von 1 · 10-4mol/dmJbisl0-3 mol/dm'.
Der Badflüssigkci? wird Natriumsulfat als Elektrolyt zugegeben, um die Ionenleitfähigkeit zu verbessern. Der Elektrolyt muß des weiteren ein reversibles Redoxmittel enthalten, wie zum Beispiel das Chinon-Hydrochinonpaar.
Das Hydrochinon dient der Reduktion des oxidierten Farbstoffs, der nach seiner Photosensibilisierung durch Abgabe von Elektronen an die Halbleiterelektrode gebildet wird, in seine ursprüngliche Form. Gemäß der vorstehend genannten Reaktion wird das Hydrochinon selbst zu Chinon oxidiert, das dann wiederum durch Reduktion an den beispielsweise aus Platin bestehenden Kathoden zu Hydrochinon umgewandelt wird. Bei dieser elektrolytischen Reaktion tragt das Hydrochinon selbst nicht direkt zur Lichtabsorption bei. es dient vielmehr zum Transport der Elektronen.
Die Elektrolytkonzentration einer derartigen Badflüssigkeit sollte vorzugsweise zwischen 1 und 0.1 mol/dm1 liegen.
Die Konzentration des oben genannten reversiblen Redoxmittels kann von 10-' bis 10' mol/dm' reichen. Die optimale Konzentration liegt allerdings bei 10 'mol/dm'.
Die Zugabe eines Redoxmittels. wie des bereits genannten Chmon-Hydrochinonpaares. ist dann nicht erforderlich, wenn die Badflüssigkeit bzw. der Elektrolyt selbst, z. B. Wasser, als Reduktionsmittel wirkt. In diesem Fall erfolgt neben der Umwandlung von Photonenenergie in elektrische Energie gleichzeitig die Umwandlung in chemische Energie, das heißt, die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff.
In F i g. 2 besteht die Anode 4 aus einem plattenförmig ausgebildeten, optisch transparenten Hauptkörper 5. Eine filmartige Oberflächenschicht 4a aus einem η-Halbleiter befindet sich auf der Oberfläche des optisch transparenten Teils 5. Außerdem ist das obere Ende der Anode 4 als Lichteinlaßende 4b ausgebildet, das das Eindringen des Lichts 6 in das Anodeninnere zuläßt. Dort, wo das Lichleinlaßende 4b der Anode 4 offen gehalten wird, sollte kein η-Halbleiter angebracht werden. Es wird jedoch vorzugsweise ein Antfreflexiönsfilmangebracht, so daß die Photonen vollständig ϊπ das Innere der Anode 4 einfallen körinen.
Durch die oben beschriebene Ausführungsform wird es ermöglicht, daß die durch das Lichteinlaßende 4b eingetretenen Photonen 6 Vollständig im Anödeninheren absorbiert werden. Im inneren der Anode werden
die Photonen 6 zur Erzeugung von Elektrizität absorbiert, indem sie vielfach reflektiert werden.
Am Boden der Anode 4 ist ein Reflexionsspiegel 4c angebracht, mit dessen Hilfe die Photonen 6, die zu dem Spiegel 4c gelangen, nachdem sie an der Oberflächenschicht 4a vielfach reflektiert worden sind, wieder zur Oberflächenschicht 4a zurückgestrahlt werden.
N-Halbleiter, die für die Bildung der Oberflächenschicht 4a verwendbar sind, müssen stabil gegenüber einer Zersetzung aufgrund von Reaktionen der Photoelektrode beim Auftreffen von Lichtstrahlen sein. Verwendbare Halbleiterstoffe sind unter anderem Zinnoxid, Titandioxid und Strontiumtitanat.
Die Dicke des optisch transparenten Teils 5 mit der darauf befindlichen n-Halbleiterschicht 4a liegt in der Größenordnung von 0,1 mm bis !Omm. Das op'isch transparente Teii 5 kann aus irgendwelchem optisch transparenten Material hergestellt sein, zum Beispiel aus Glas oder Quarz. Pyrexglas wird jedoch bei der Bildung bzw. Herstellung des optisch transparenten M Teils 5 vorgezogen.
Zur Bildung der Halbleiterschicht 4a auf dem optisch transparenten Teil 5 kann jedes bekannte Verfahren angewendet werden. Die Dicke dieser Oberflächenschicht 4a liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 50 bis zu mehreren Hundert nm. Die optimale Dicke beträgt etwa 100 nm.
Die Anode 4 kann jede Form aufweisen, vorausgesetzt, daß sie für einfallende Photonen 6 eine Vielfachreflexion ermöglicht, so daß auf diese Weise in möglichst viele Photonen 6 absorbiert werden. Die Anode kann beispielsweise in Form einer Platte 4 (Fig. 2) oder in Form eines Zylinders 4' (Fig. 3) ausgebildet sein.
In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen 4'a eine dünne filmartige, aus einem n-Halbieiter gebildete Oberflächenschicht, die an der Oberfläche eines zylindrischen, optisch transparenten Teils 5' angebracht ist. Die Ziffer 4 6 bezeichnet ein Lichteinlaßende der Anode 4 undd.^ Ziffer4ceinen Reflexionsspiegel.
Die Reflexionsspiegel 4c und 4'c können aus einem für optische Gerate verwendeten Material, wie 1. B. aus einem Metallfilm, gefertigt sein.
Versuche haben gezeigt, daß eine 25·. 50- oder lOOmalige Lichtreflexion eine jeweils 70. 90 oder 99%ige Lichtdbsorption ergibt. Um eine Anzahl von 100 Lichtreflexionen zu bewirken, ist es erforderlich, die Anoden relativ lang zu gestalten, wobei man dann jedoch den Anforderungen an die Reduzierung der Batteneabmessungen nicht gerecht wird.
Eine gute Leistung der Batterie ist auch dann möglich, wenn die Ani.ahl der l.ichtreilexionen auf 50 begrenzt wird, wobei der Lichtabsorptionsgrad dann bei 90% liegt. Die Leistung einer Batterie kann mit der Anzahl der Elektroden gesteigert werden.
Soll die Lichtreflexion 50 mal stattfinden, so beträgt die Anodenlange bei einer Dicke von 2 mm b/w. 5 mm jeweils I 37 mm bzw. 343 mm.
Mit Hinblick auf eine Leistungssteigerung der Zellen, besteht die Kathode 3 vorzugsweise aus einem Halbleiter oder ist mit einem solchen beschichtet. Da die Anoden 4, 4' einen η-Halbleiter aufweisen, ist es erforderlich für die Kathode 3 einen p-Halbleiter vorzusehen. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit verwendet man im allgemeinen ein Material mit guter Leitfähigkeit, beispielsweise ein Metall oder Kohle.
Wie in F i g. 1 dargestellt, sind in der oberen Öffnung des Zellenbehälters 1, in der Nähe der Lichteinlaßenden 4b der Anoden 4 Sammellinsen 7 angeordnet. Die Sammellinsen 7 sind so geformt, daß das Licht vollständig gesammelt wird. Die Sammellinsen 7 sind so angeordnet, daß jeglicher Verlust von Photonen 6 verhindert wird. Sie verhindern auch, daß die Badflüssigkeit direkt dem Licht ausgesetzt wird und daß eine photomechanische Reaktion des in der Badflüssigkeit befindlichen Farbstoffs stattfindet. Dr.rch die Anordnung dieser Linsen 7 kann weder Batlflüssigkeit herausspritzen noch Schmutz von außen in diese eindringen.
In F i g. ! bezeichnet die Ziffer 8 einen Zwischenraum, der nicht unbedingt erforderlich ist. Die Kathoden 3 und die Anoden 4 sind jeweils an nicht abgebildete Leitungsdrähte angeschlossen.
Das Licht 6. das auf die Sammellinse 7 scheint, wird von dieser gesammelt und durch das Lichteinlaßende 4b der Anode 4 zugeführt. Dabei wird das durch das Einlaßende 4b in das Innere der Anode 4 einfallende Licht in dieser durch die Oberflächenschicht 4a vielfach reflektiert und erreicht schließlich den am Boden der Anode 4 angebrachten Reflexionsspiegel 4c. mit dessen Hilfe das Licht reflektiert wird, wobei es anschließend durch die Oberflächenschicht 4a erneut wiederholt reflektiert wird.
In der oben beschriebenen Weise wird die Energie der Photonen 6 mit jeder Reflexion Schritt für Schritt in elektrische Energie umgewandelt.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung einer Photc^el-Ie nach der oben beschriebenen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren und Bezeichnungen.
Die Anoden 4, 4' sind Pyrex-Glasplatten. beschichtet mit einem dünnen Film aus Zinnoxid (ca. 100 nm Dicke), und als Kathoden 3 werden Platinplatten verwendet.
Das Elektrolytbad besteht aus einer wäßrigen Lösung aus 0.2 mol/dmJ Natriumsulfat, die 1 ■ 10 'mol-dm' Tetraäthylrhodarnin und 1 ■ 10- 2 mol/dm! einer Hydrochinon-Chinonmischung(1 : 1) enthält.
Der pH-Wert der wäßrigen Lösung wird durch die Briton-Robinson Pufferlösung bei 4 gehalten. Die Anoden 4,4' sind so gestaltet, daß innerhalb der Anoden 4, 4' durchschrittlich mindestens eine 50malige Reflexion des Lichts ermöglicht wird. Es wurde festgestellt, daß mit ^er oben beschriebenen Photozelle etwa 90% der tinergie des ausgestrahlten Lichts von etwa 570 nm absorbiert werden.
Die Ausbeute bei der Verwendung von Tetraäthylrhodamin als f'arbstoffsensibilisator und von /innoxid Anoden 4 bzw 4' liegt bei etwa 20%, die Ausbeute für das Licht von 570 nm '-ei etwa 18%.
,Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Solarzelle mit einer n-Halble'ter-Elektrude und einer Gegenelektrode in einem Elektrolyten, bei der die n-Halbleiter-Elektrode als dünne Schicht auf ein Substrat aus lichtdurchlässigen. Material aufgebracht ist und der Elektrolyt neben einem photosensiblen Farbstoff ein Redoxmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß einfallendes Licht in dem lichtdurchlässigen Substrat an der mit der n-rialbleiter-Elektrode versehenen Oberfläche mehrfach reflektiert wird, daß die Oberfläche des lichtdurchlässigen Substrats (5, 5') mit Ausnahme einer Lichteintrittsfläche [4b, 4'b) und eines der Lichteintrittsfläche gegenüberliegenden Oberflä- ,5 chenteils mit der als Anode fungierenden n-Halbleiter-EIektrode (4a, 4'a) überzogen ist und daß die Lichteintrittsfläche (46,4'b) mit einem Antireflexbelag und der der Lichteintrittsfläche gegenüberliegende Oberflächenteil mit einem Reflexionsbelag (4c, ->0 4Vjversek>.n ist.
DE2943672A 1978-10-31 1979-10-29 Solarzelle mit einer n-Halbleiterelektrode und einer Gegenelektrode in einem Elektrolyten Expired DE2943672C2 (de)

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