NL1020744C2

NL1020744C2 - Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element.

Info

Publication number: NL1020744C2
Application number: NL1020744A
Authority: NL
Inventors: Danny Roberto Mahieu; Johannes Adrianus Ma Roosmalen
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2003-12-08
Also published as: US20060118165A1; AU2003238712A1; EP1509936B1; US7253354B2; ATE316290T1; DE60303301D1; WO2003102986A1; ES2253681T3; AU2003238712B2; JP4594083B2; DE60303301T2; EP1509936A1; JP2005528750A

Description

VLOEISTOFHOUDEND FOTOVOLTAÏSCH ELEMENT

De uitvinding heeft betrekking op een vloeistofhoudend fotovoltaïscb element, ten minste omvattend een plaatvormige werkelektrode en een daaraan door middel van een damp- en vloeistofdichte omtreksrand gehechte plaatvormige 5 tegenelektrode, waarbij in een ruimte tussen de werkelektrode, de tegenelektrode en de omtreksrand een vloeistof is opgenomen.

Een dergelijk vloeistofhoudend fotovoltaïsch element is bekend uit de Europese octrooiaanvrage EP-A-0855726. Het 10 bekende fotovóltaïsche element omvat een werkelektrode die wordt gevormd door een gelaagde structuur van ten minste een , eerste elektrisch geleidende laag die gedeponeerd is op een eerste substraat, een op de eerste elektrisch geleidende laag gedeponeerde laag nanokristallijn metaaloxide-15 halfgeleidermateriaal, een tegenelektrode die wordt gevormd door op een transparant tweede substraat gedeponeerde transparante tweede elektrisch geleidende laag, en een tussen de laag halfgeleidermateriaal en de tweede elektrisch geleidende laag gehouden elektrolytische vloeistof. Voor het 20 eerste en tweede substraat wordt in praktische situaties veelal gebruik gemaakt van een glasplaat.

Het is een nadeel van het bekende vloeistofhoudende fotovoltaïsche element dat de contacten voor het onttrekken van stroom aan het element aan randzones van het element zijn 25 aangebracht, waarbij telkens een eerste randzone op een eerste substraat waarop een eerste contact is gevormd zich niet uitstrekt tegenover het tweede substraat, en omgekeerd een tweede randzone op een tweede substraat waarop een tweede contact is gevormd zich niet uitstrekt tegenover het eerste 30 substraat. Het substraat voor de werkelektrode en het substraat voor de tegenelektrode in het bekende vloeistofhoudende fotovoltaïsche element zijn ten opzicht van elkaar verschoven, teneinde ruimte te bieden aan de elektrische contacten. Het ten opzicht van elkaar verschuiven 1 0 20 - ' ; 2 van de substraten resulteert in een verkleining van het beschikbare effectieve oppervlak van het fotovoltaïsche element, en daarmee in een met die verkleining evenredige afname van het maximale vermogen van dat element.

5 Het is een doel van de uitvinding een vloeistofhoudend fotovoltaïsch element te verschaffen waarin de elektrische contacten op zodanige wijze zijn aangebracht, dat de · substraten voor werkelektrode en tegenelektrode elkaar volledig bedekken.

10 Het is voorts een doel een dergelijk element te verschaffen waarvan werkelektrode en tegenelektrode op doelmatige en duurzame wijze met elkaar zijn verbonden, en waarin de elektrolytische vloeistof op eenvoudige wijze is ingebracht.

15 Deze doelen worden bereikt met een vloeistofhoudend fotovoltaïsch element van de in de aanhef genoemde soort, waarbij overeenkomstig de uitvinding op de geleidende laag van elk van de substraten voor de werkelektrode en de tegenelektrode een stelsel onderling verbonden elektrische 20 geleiders is verschaft, welke geleiders zijn voorzien van een laag van een elektrisch isolerend materiaal, in welke laag ten minste een uitsparing is verschaft voor een elektrische contact op een geleider, en welke stelsels geleiders ten opzichte van elkaar een spiegelsymmetrische vorm vertonen.

25 Een fotovoltaïsch element volgens de uitvinding biedt de mogelijkheid de contacten ("tabs") voor het onttrekken van stroom aan het element aan randzones van het element aan te brengen, zonder dat hiertoe is vereist dat het substraat voor de werkelektrode en het substraat voor de tegenelektrode ten 30 opzicht van elkaar zijn verschoven. De spiegelsymmetrische vorm van de geleiderstelsels impliceert dat ook de oppervlakken tussen de geleiders op respectievelijk de werkelektrode (met de laag halfgeleidermateriaal) en de tegenelektrode een spiegelsymmetrische vorm hebben. In een 35 fotovoltaïsch element waarin de stelsels geleiders op respectievelijk de werkelektrode en de tegenelektrode tegenoverliggend zijn, zijn ook de delen met een laag 1 o o {ί 1 3 halfgeleidermateriaal en corresponderende delen op de werkelektrode tegenoverliggend, wat bevorderlijk is voor het rendement van een fotovoltaïsch element.

Bij voorkeur vertonen de stelsels geleiders op de 5 respectieve elektroden een congruente vorm, zodat bij de vervaardiging van de werkelektrode en de tegenelektrode kan worden uitgegaan van één type substraat dat is voorzien van een elektrisch geleidende laag waarop het stelsel onderling verbonden elektrische geleiders is verschaft.

10 In een uitvoeringsvorm van een fotovoltaïsch element volgens de uitvinding is het elektrisch isolerend materiaal een kleefstofmateriaal, bijvoorbeeld een heet-smeltend kunststofmateriaal.

Een fotovoltaïsch element waarvan de geleiders op de 15 tegenoverliggende elektroden zijn voorzien van een laag kleefstofmateriaal is op eenvoudige en kostenbesparende wijze te vervaardigen, door de tegenoverliggende kleefstpflagen in hechtend en afdichtend contact met elkaar te brengen. Een aldus vervaardigd element biedt bovendien het voordeel dat 20 dit mechanisch bijzonder stabiel en robuust is.

In weer een uitvoeringsvorm van een fotovoltaïsch element volgens de uitvinding zijn de elektrische geleiders in elk van de stelsels op tenminste een deel van een randzone van de respectieve substraten voor de werkelektrode en de 25 tegenelektrode onderling verbonden.

Deze uitvoeringsvorm biedt de mogelijkheid meerdere fotovoltaïsche cellen op twee gezamenlijke tegenoverliggende substraten te vormen, waarbij telkens op het deel een randzone waar de geleiders onderling zijn verbonden een 30 contact voor het onttrekken van stroom kan worden aangebracht.

In een volgende uitvoeringsvorm zijn de elektrische geleiders in elk van de stelsels op een zich over de omtrek van de respectieve substraten voor de werkelektrode en de 35 tegenelektrode uitstrekkende randzone onderling verbonden.

In deze uitvoeringsvorm is één fotovoltaïsche cel op twee tegenoverliggende substraten gevormd, waarbij op elk van de ' i 4 substraten een contact op een vrij te kiezen plaats aan de randzone kan worden verschaft.

De substraten voor respectievelijk de werkelektrode en de tegenelektrode vertonen bij voorkeur ten opzichte van elkaar 5 een spiegelsymmetrische vorm, bij meer voorkeur de vorm van een rechthoek of een regelmatige veelhoek, bij meeste voorkeur een vierkante vorm.

Een fotovoltaïsch element met vierkante substraten is op bijzonder doelmatige wijze en daarmee tegen relatief lage 10 kosten te vervaardigen en met overeenkomstige elementen samen te stellen tot fotovoltaïsche panelen.

In een praktisch voordelige uitvoeringsvorm strekken de geleiders zich vanaf een randzone evenwijdig uit over een afstand die kleiner is dan de halve breedte van de 15 substraten.

Een fotovoltaïsch element volgens deze laatse uitvoeringsvorm biedt in het bijzonder voordelen tijdens de vervaardiging ervan, omdat de ruimte tussen de respectieve elektroden in een element met dergelijke geleiders op snelle 20 wijze met elektrolytische vloeistof gevuld kan worden. Het vullen vindt bijvoorbeeld plaats door in het centrum van een van de substraten een tijdelijke vulopening aan te brengen, het element op een roteerbare schijf te plaatsen, waarbij de vulopening samenvalt met de rotatie-as van de schijf, en de 25 vloeistof onder gelijktijdige rotatie van de schijf via de vulopening te leiden in genoemde ruimte, alwaar de vloeistof onder inwerking van de centrifugaalkracht in radiële richting wordt gestuwd.

De uitvinding wordt in het volgende toegelicht aan de 30 hand van een uitvoeringsvoorbeelden, onder verwijzing naar de tekeningen.

In de tekeningen tonen

Fig. 1 in een bovenaanzicht een eerste uitvoeringsvorm van een fotovoltaïsch element volgens de uitvinding, 35 Fig. 2 het in fig. 1 getoonde element in een eerste verticale dwarsdoorsnede volgens de lijn II-II in fig. 1,

Fig. 3 het in fig. 1 getoonde element in een tweede 1 L : 5 verticale dwarsdoorsnede volgens de lijn III-III in fig. 1, Fig. 4 in een bovenaanzicht een patroon van geleiders in het in fig. 1 getoonde element,

Fig. 5 in een bovenaanzicht een patroon van een 5 afdichtfolie.in het in fig. 1 getoonde element,

Fig. 6 in een bovenaanzicht een patroon van op de substraten voor werkelektrode en tegenelektrode gevormde lagen in het in fig. 1 getoonde element,

Fig. 7 in een bovenaanzicht de tegenelektrode van het in 10 fig. 1 getoonde element tijdens een productiefase,

Fig. 8 in een· bovenaanzicht een tweede uitvoeringsvorm van een fotovoltaïsch element volgens de uitvinding,

Fig. 9 in een bovenaanzicht een patroon van geleiders in het in fig. 8 getoonde element, . 15 Fig. 10 in een bovenaanzicht een patroon van een afdichtfolie in het in fig. 8 getoonde element,

Fig. 11 in een bovenaanzicht een patroon van op de substraten voor werkelektroden en tegenelektroden gevormde lagen in het in fig. 8 getoonde element, 20 Fig. 12 in een bovenaanzicht het substraat voor de werkelektroden en de tegenelektroden, voorzien van respectievelijk een TCO-laag van het in fig. 8 getoonde element, en

Fig. 13 in een bovenaanzicht de tegenelektrode van het in 25 fig. 8 getoonde element tijdens een productiefase.

In de tekeningen worden overeenkomstige onderdelen aangeduid door dezelfde verwijzingsgetallen. Opgemerkt wordt dat omwille van de duidelijkheid onderdelen niet op de juiste onderlinge schaal zijn weergegeven.

30 Figuren 1, 2, 3 tonen een vloeistofhoudend fotovoltaïsch element 1 dat is samengesteld uit vierkante glasplaten 2, 2' waarop achtereenvolgens is aangebracht een TCO-laag 3, 3' van het transparant geleidende met fluor gedoteerde tindioxide (Sn02:F) en een patroon van zilveren (Ag) geleiders 4, 4' die 35 zijn bedekt door tot een laag versmolten isolerende lagen 5, 5' van een heet-smeltend polymeerfolie, bijvoorbeeld een onder de merknaam Surlyn® commercieel verkrijgbaar product * l i, · > , 6 van Du Pont. Op de bovenste glasplaat 2, 3, 4 is tussen de geïsoleerde Ag-geleiders 4 een patroon 6 van met een kleurstof gesensibiliseerd nanokristallijn titaandioxide (Ti02) aangebracht, op de onderste glasplaat 2 ', 3', 4' is 5 tussen de geïsoleerde Ag-geleiders 41 een patroon 7 van een dunne laag platina (Pt) aangebracht. Het bovenste substraat 2 met TCO-laag 3, Ag-patroon 4 en Ti02-patroon 6 vormt de werkelektrode, het onderste substraat 2' met TCO-laag 3', Ag-patroon 4' en Pt-patroon 7' vormt de tegenelektrode. In de 10 ruimte tussen werkelektrode en tegenelektrode is een elektrolytische vloeistof 8 van bijvoorbeeld een lithiumjodide-jodiumoplossing (Lil-I) opgenomen. De Ag-geleiders 4, 4' zijn onderling verbonden door respectieve geleiders die zich langs de omtrek uitstrekken, en waarop 15 tabs 9, 9' zijn aangebracht voor het onttrekken van stroom aan het element 1.

Fig. 4 toont een patroon van Ag-geleiders 4, 4' op respectievelijk de werkelektrode en de tegenelektrode van in het in fig. 1 getoonde element 1. De patronen 4, 4’ zijn 20 spiegelsymmetrisch en congruent, de elektrische geleiders 4, 4' op de werkelektrode en de tegenelektrode zijn onderling verbonden op een randzone die zich uitstrekt langs de volledige omtrek van de respectieve substrate 2, 2', waarbij de geleiders 4, 4' zich vanaf een randzone evenwijdig 25 uitstrekken over een afstand die kleiner is dan de halve breedte van de substraten 2, 2'.

Fig. 5 toont een patroon van een afdichtfolie 5, 5', waarin uitsparingen 11, 11' zijn aangebracht voor respectieve tabs 9, 9’, op zodanige wijze dat een op een werkelektrode 30 aangebrachte tab 9 wordt vrijgelaten door het folie 5 over de geleiders 4 op die werkelektrode, en wordt bedekt door het folie 5' over de geleiders 4' op de tegenelektrode, en een op een tegenelektrode aangebrachte tab 9' wordt vrijgelaten door het folie 5' over de geleiders 4' op die tegenelektrode, en 35 wordt bedekt door het folie 5 over de geleiders 4 op de werkelektrode.

Fig. 6 toont het patroon van de Ti02-laag 6 en de daarmee 1 0 / : i 7 spiegelsymmetrische en congruente Pt-laag 7' op de substraten 2, 2' voor respectievelijk de werkelektrode en tegenelektrode.

Fig. 7 toont de tegenelektrode (het substraat 2', 5 afmetingen 10 cm x 10 cm met Pt-laag 7') tijdens een fase in het productieproces vóór het vullen van het element met vloeistof, voorzien van een na het vullen af te sluiten centraal geplaatste vulopening 32. De centrale plaatsing van de vulopening 32 en plaatsing van de geleiders 4, '4', die 10 zich vanaf een randzone evenwijdig uitstrekken over een afstand die kleiner is dan de halve breedte van de substraten 2, 2’, maken het mogelijk vloeistof onder inwerking van een vanuit de vulopening 32 radieel gerichte centrifugaalkracht in de ruimte tussen werkelektrode en tegenelektrode in te 15 brengen.

Fig. 8 toont een vloeistofhoudend fotovoltaïsch element 10 dat is samengesteld uit vier in serie geschakelde fotovoltaïsche monocellen 20 die zijn gemaakt op kwadranten van gemeenschappelijke vierkante glasplaten 2, 2' waarop 20 achtereenvolgens zijn aangebracht een TCO-laag 13,, 13' van Sn02:F en respectieve patronen van Ag-geleiders 14, 14' die zijn bedekt door tot respectieve lagen versmolten isolerende lagen 15, 15' van een heet-smeltend polymeerfolie. Op de bovenste glasplaat 12, 13, 14 zijn tussen de geïsoleerde Ag-25 geleiders 14 respectieve patronen 16 van met een kleurstof gesensibiliseerd nanokristallijn Ti02 aangebracht, op de onderste glasplaat 12', 13', 14' zijn tussen de geïsoleerde Ag-geleiders 14' respectieve patronen 17 van een dunne laag Pt aangebracht. De respectieve TCO-lagen 13, Ag-patronen 14 30 en Ti02-patronen 16 op het bovenste substraat 12 vormen de respectieve werkelektroden, de respectieve TCO-lagen 13', Ag-patronen 14' en Pt-patronen 17' op het onderste substraat 12' vormen de respectieve tegenelektroden. In de ruimtes tussen de respectieve werkelektroden en tegenelektroden is een 35 elektrolytische vloeistof opgenomen. De Ag-geleiders 14, 14' zijn onderling verbonden door respectieve geleiders die zich langs een deel van de omtrek uitstrekken, en waarop 8 verbindingen (niet getoond) tussen de afzonderlijke monocellen 20 voor het in serie schakelen daarvan en tabs 9, 9' voor het onttrekken van stroom aan het element 10 zijn aangebracht.

5 Fig. 9 toont patronen van Ag-geleiders 14, 14' op respectievelijk de werkelektroden en de tegenelektroden van de monocellen 20 van in het in fig. 8 getoonde element 10. De patronen 14, 14' zijn voor iedere monocel afzonderlijk en voor het element 10 spiegelsymmetrisch, de elektrische 10 geleiders op de werkelektroden en de tegenelektroden zijn onderling verbonden op een randzone die zich uitstrekt langs een deel van de omtrek van de respectieve substraten, waarbij de geleiders zich vanaf een randzone evenwijdig uitstrekken over een afstand die kleiner is dan de halve breedte van de . 15 substraten.

Fig. 10 toont een patroon van een afdichtfolie 5, 5', waarin uitsparingen 21, 21' zijn aangebracht voor respectieve serie-doorverbindingen (niet getoond) en respectieve tabs 19, 19', op zodanige wijze dat een op een werkelektrode 20 aangebrachte tab 19 wordt vrijgelaten door het folie 15 over de geleiders 14 op die werkelektrode, en wordt bedekt door het folie 5' over de geleiders 14' op de tegenelektrode, en een op een tegenelektrode aangebrachte tab 19' wordt vrijgelaten door het folie 15' over de geleiders 14' op die 25 tegenelektrode, en wordt bedekt door het folie 15 over de geleiders 14 op de werkelektrode.

Fig. 11 toont het patroon van de respectieve Ti02-lagen 16 en de daarmee spiegelsymmetrische en congruente Pt-lagen 17' op de substraten voor respectievelijk de werkelektroden '30 en tegenelektroden.

Fig. 12 toont het substraat 12, 12' voor de respectieve werkelektroden en de tegenelektroden, voorzien van een TCO-laag 13, 13' waarin met behulp van een laser elektrische isolatiegroeven 23, 23' tussen de monocellen 20 zijn 35 aangebracht, en

Fig. 13 toont de tegenelektroden (het substraat 12', afmetingen 30 cm x 30 cm met Pt-laag 17') tijdens een fase in 9 het productieproces vóór het vullen van het element met vloeistof, voorzien van vier na het vullen af te sluiten centraal geplaatste vulopeningen 42. De centrale plaatsing van de vulopeningen 42 en de plaatsing van de geleiders 14, 5 14', die zich vanaf een randzone evenwijdig uitstrekken over een afstand die kleiner is dan de halve breedte van de substraten 12, 12', maken het mogelijk vloeistof onder inwerking van een vanuit de vulopeningen 42 radieel gerichte centrifugaalkracht in de ruimtes tussen de respectieve· 10 werkelektroden en tegenelektroden van de monocellen 20 in te brengen.

. '/ '* ‘"Γ A A

Claims

1. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1; 10, 20), omvattend een plaatvormige werkelektrode en een daaraan door middel van een damp- en vloeistofdichte omtreksrand gehechte plaatvormige tegenelektrode, waarbij de werkelektrode en de 5 tegenelektrode elk zijn gevormd op een van een elektrisch geleidende laag (3, 3'; 13, 13') voorzien vlak substraat (2, 2'; 12, 12') en waarbij in een ruimte tussen de werkelektrode, de tegenelektrode en de omtreksrand een vloeistof (8) is opgenomen, met het kenmerk, dat op de 10 geleidende laag (3, 3'; 13, 13') van elk van de substraten (2, 2’; 12, 12’) voor de werkelektrode en de tegenelektrode . een stelsel onderling verbonden elektrische geleiders (4, 4'; 14, 14') is verschaft, welke geleiders (4, 4'; 14, 14') zijn voorzien van een laag (5, 5'; 15, 15') van een elektrisch 15 isolerend materiaal, in welke laag (5, 5'; 15, 15') ten minste een uitsparing (11, 11'; 21, 21') is verschaft voor een elektrische contact (9, 9'; 19, 19') op een geleider (4, 4'; 14, 14'), en welke stelsels geleiders (4, 4'; 14, 14') ten opzichte van elkaar een spiegelsymmetrische vorm 20 vertonen.

2. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1; 10, 20) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stelsels geleiders (4, 4'; 14, 14') op de respectieve elektroden een congruente vorm vertonen.

3. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1; 10, 20) volgens een der conclusies 1-2, met het kenmerk, dat het elektrisch isolerend materiaal een kleefstofmateriaal (5, 5'; 15, 15') is.

4. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1; 10, 20) 30 volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het kleefstofmateriaal een heet-smeltend kunststofmateriaal (5, 5'; 15, 15') is.

5. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1; 10, 20) volgens een der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de '· ΙίΟΛ-ϊ J Λ 1 elektrische geleiders (4, 4'; 14, 14') in elk van de stelsels op tenminste een deel van een randzone van de respectieve substraten (2, 2’; 12, 12') voor de werkelektrode en de tegenelektrode onderling zijn verbonden.

6. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1) volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de elektrische geleiders (4, 4’) in elk van de stelsels op een zich over de omtrek van de respectieve substraten (2, 2') voor de werkelektrode en de tegenelektrode uitstrekkende randzone onderling zijn 10 verbonden.

7. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1; 10, 20) 1 volgens een der conclusies 1-6, met het kenmerk, dat de substraten (2, 2'; 12, 12') voor respectievelijk de werkelektrode en de tegenelektrode ten opzichte van elkaar 15 een spiegelsymmetrische vorm vertonen.

8. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1; 10, 20) volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de substraten (2, 2'; 12, 12') de vorm van een regelmatige veelhoek vertonen.

9. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1; 10, 20) 20 volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de substraten (2, 2'; 12, 12') een vierkante vorm vertonen.

10. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de substraten een rechthoekige vorm vertonen.

11. Vloeistofhoudend fotovoltaïsch element (1; 10, 20) volgens een der conclusies 9-10, met het kenmerk, dat geleiders (4, 4'; 14, 14') zich vanaf een randzone van de respectieve substraten (2, 2'; 12, 12') evenwijdig uitstrekken over een afstand die kleiner is dan de halve 30 breedte van die substraten (2, 2'; 12, 12').

1. Y M