DE102015111670A1 - Layer structure of a dye solar cell and process for its preparation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Schichtaufbau einer Farbstoff-Solarzelle, umfassend – eine Basisschicht (1), die aus Beton besteht und eine Arbeitselektrode (2) umfasst, – eine dazu benachbart angeordnete Halbleiterschicht (3), – eine dazu benachbart angeordnete, photooxidierbare Farbstoffschicht (4), – eine dazu benachbart angeordnete Elektrolytschicht (5), – eine dazu benachbart angeordnete, elektrisch leitende Schicht, die als Gegenelektrode (6) ausgebildet ist, und – eine dazu benachbart angeordnete Abdeckschicht (7). Die Erfindung betrifft außerdem eine Farbstoff-Solarzelle mit dem genannten Schichtaufbau und ein Herstellungsverfahren dafür.The invention relates to a layer structure of a dye solar cell comprising - a base layer (1) consisting of concrete and a working electrode (2), - a semiconductor layer (3) arranged adjacent thereto, - a photooxidizable dye layer (4) arranged adjacently thereto ), - an electrolyte layer (5) arranged adjacently thereto, - an electrically conductive layer arranged adjacently thereto, which is designed as a counterelectrode (6), and - a cover layer (7) arranged adjacent thereto. The invention also relates to a dye solar cell with said layer structure and a manufacturing method thereof.
Description
Die Erfindung betrifft einen Schichtaufbau einer Farbstoff-Solarzelle, eine Farbstoffsolarzelle mit dem entsprechenden Schichtaufbau insbesondere für die Installation an Gebäuden sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. The invention relates to a layer structure of a dye solar cell, a dye solar cell with the corresponding layer structure, in particular for installation on buildings and a method for their preparation.
Hintergrund der Erfindung sind aktuelle technische Entwicklungen zur Nutzung solarer Energie. Die erste und zweite Generation der photovoltaischen Systeme, die Silizium-Solarzellen, haben sich weitgehend als Aufdach-Solarstromanlagen etabliert. Während der für ihre Herstellung notwendige Grundstoff Silizium im Prinzip unbegrenzt zur Verfügung steht, sind die ebenfalls notwendigen Materialien wie etwa Indium, Gallium, Tellur und Selen bezüglich ihrer Materialökonomie, des Ressourcenverbrauchs und ihrer Umweltverträglichkeit negativ zu bewerten.Background of the invention are current technical developments for the use of solar energy. The first and second generation of photovoltaic systems, the silicon solar cells, have largely established themselves as on-roof solar power systems. While the basic material silicon, which is necessary for their production, is available in principle indefinitely, the materials which are also necessary, such as indium, gallium, tellurium and selenium, have a negative impact on their material economy, resource consumption and their environmental compatibility.
Farbstoffsolarzellen (engl.: dye-sensitized solar cell, kurz: DYSC oder DSSC) nehmen Lichtenergie jedoch kaum über Halbleitermaterialien, sondern – ähnlich wie die chlorophyllhaltigen Pflanzen – über organische Farbstoffe. Molekulare Ensembles, darunter die Licht sammelnden Moleküle der Chlorophylle, sind in den Zellen pflanzlicher Blätter auf der Nanometerebene bis in den Mikrometerbereich umfassend angeordnet, um Lichtenergie zu absorbieren und sie in chemische Energie zu wandeln. Diese Energie treibt die biochemische Maschinerie der Pflanzenzellen an. Übertragen auf Farbstoffsolarzellen wird der Prozess heute auch als technische Photosynthese bezeichnet und zur Stromerzeugung genutzt. Das große Potenzial der immer noch neuartigen Farbstoffsolarzellen beruht in erster Linie auf ihrer prinzipiellen Einfachheit. Eine dazu grundlegende Offenbarung findet sich in der
Farbstoffsolarzellen können außerdem auch die Energie diffusen Lichts nutzen. Dies ist eine besonders hervorzuhebende Eigenschaft, weil es deshalb im Vergleich zu herkömmlichen PV-Systemen kaum Einschränkungen bezüglich der baulichen Umsetzung gibt. So eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Gebäude integrierten Photovoltaik. Da indes die Aufmerksamkeit zunächst dem großen Entwicklungspotentialen von Glas basierten transluzenten Modulen galt, wurde die Anwendung dieser Technologie auf andere Werkstoffe bislang weitgehend außer Acht gelassen. Große, für die Photovoltaik nutzbare Flächen befinden sich aber nicht nur auf Dächern oder Fensterfronten von Gebäuden, sondern treten in großem Maße auch bei sonstigen Fassaden sowie als Wand- und Bodenflächen im Außen-, aber auch im Innenbereich auf. Eine große Hürde für die Farbstoffsolarzellen-Technologie auf ihrem Weg vom Labormaßstab zu großflächigen Anwendungen wird jedoch in einer langzeitstabilen Versiegelung der Zellen gesehen. Als Lösungsansätze existieren vor allem heißschmelzende Polymerkleber, Epoxydharzkleber und Glaslote. Insbesondere Glaslote werden als erfolgsversprechend angesehen, eine chemisch und thermisch langzeitstabile Versiegelung zu gewährleisten.Dye solar cells can also use the energy of diffused light. This is a particularly noteworthy feature, because there are therefore hardly any restrictions on the structural implementation compared to conventional PV systems. This opens up new application possibilities in the field of building integrated photovoltaics. However, since attention initially focused on the great development potential of glass-based translucent modules, the application of this technology to other materials has largely been ignored. However, large areas that can be used for photovoltaics are not only found on roofs or window fronts of buildings, but also occur to a great extent in other facades as well as wall and floor surfaces in the exterior as well as in the interior. However, a big hurdle for dye solar cell technology on its way from the laboratory scale to large-area applications is seen in a long-term stable sealing of the cells. Above all, hot melt polymer adhesives, epoxy resin adhesives and glass solders exist as solutions. In particular, glass solders are considered to be promising to ensure a chemically and thermally stable long-term seal.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schichtaufbau für mehrschichtige mit einem Farbstoff sensibilisierte Solarzellen anzugeben, der sich an Bauwerkflächen installieren lässt.It is an object of the present invention to provide a layered structure for multi-layered dye-sensitized solar cells that can be installed on building surfaces.
Diese Aufgabe wird durch einen Schichtaufbau gemäß Patentanspruch 1, eine Farbstoffsolarzelle mit dem erfinderischen Schichtaufbau gemäß Patentanspruch 11 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß Patentanspruch 12 gelöst.This object is achieved by a layer structure according to
Bei einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Solarzelle handelt es sich daher um photovoltaisches Element bzw. um eine Farbstoffsolarzelle, die auf einer Betonoberfläche aufgebracht ist. Sie umfasst dazu eine Basisschicht aus Beton, die wiederum eine Arbeitselektrode umfasst. Der Beton stellt damit einen funktionalen Bestandteil der Solarzelle selbst dar und nicht nur ihren ggf. austauschbaren Träger. Außerdem umfasst die Solarzelle folgende jeweils benachbart zur vorhergehenden Schicht angeordnete Schichten: eine weitgehend bekannte Halbleiterschicht auf der Basis eines Titanoxids, eine photooxidierbare Farbstoffschicht, eine Elektrolytschicht, und eine elektrisch leitende Schicht, die als Gegenelektrode ausgebildet ist, und eine Abdeckschicht. Diese Schichten sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit beginnend mit der Basisschicht jeweils übereinander angeordnet. In a multilayer solar cell according to the invention is therefore a photovoltaic element or a dye solar cell, which is applied to a concrete surface. It comprises a base layer of concrete, which in turn comprises a working electrode. The concrete thus represents a functional component of the solar cell itself and not just its possibly replaceable carrier. In addition, the solar cell comprises the following layers each adjacent to the preceding layer: a well-known titanium oxide based semiconductor layer, a photooxidizable dye layer, an electrolyte layer, and an electrically conductive layer formed as a counter electrode, and a cover layer. These layers are arranged one above the other without limiting generality, starting with the base layer.
Wie bei bereits bekannten Farbstoffsolarzellen werden durch Lichteinfall Elektronen der Moleküle in der Farbstoffschicht angeregt. Sie werden in ein Leitungsband der darunterliegenden Halbleiterschicht gehoben und folgend mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auf jene übertragen. Ein Elektronenübergang zurück auf den Farbstoff ist energetisch ungünstig und deshalb unwahrscheinlich. Es bleibt also der sich mit der Zeit akkumulierenden Ladung durch die Elektroden nur der Weg zur Arbeitselektrode. Das Farbstoffmolekül kehrt nach einer Reduktion durch ein Molekül der Elektrolytschicht wieder in seinen Ausgangszustand zurück. Der Elektrolyt gibt dabei ein Elektron ab und diffundiert zur Gegenelektrode bzw. zur Abdeckschicht, wo er wieder reduziert wird. Bei einem nicht geschlossenen Stromkreis baut sich also zwischen Arbeits- und Gegenelektrode eine Spannung auf. Bei geschlossenem Kontakt zwischen den Elektroden fließt somit elektrischer Strom. Da das Farbstoffmolekül bei diesem Prozess in Folge der Anregung durch das Licht ein Elektron abgibt wird es oxidiert, die Farbstoffschicht ist somit photooxidierbar. Diese Schritte entsprechen im Wesentlichen dem Prozess, der in einer üblichen Farbstoffsolarzelle abläuft.As with already known dye-sensitized solar cells, electrons of the molecules in the dye layer are excited by incident light. They are lifted into a conduction band of the underlying semiconductor layer and with a certain probability transferred to those. An electron transfer back to the dye is energetically unfavorable and therefore unlikely. Thus, the charge accumulating with time through the electrodes remains only the way to the working electrode. The dye molecule returns after a reduction by a molecule of the electrolyte layer back to its original state. The electrolyte gives off an electron and diffuses to the counter electrode or the cover layer, where it is reduced again. In a non-closed circuit so builds up between the working and counter electrode voltage. With closed contact between the electrodes thus electric current flows. Since the dye molecule in this process emits an electron as a result of the excitation by the light, it is oxidized, the dye layer is thus photooxidierbar. These steps essentially correspond to the process that takes place in a conventional dye-sensitized solar cell.
Im Gegensatz zu derzeitig aus der Praxis bekannten Farbstoffsolarzellen wird allerdings erfindungsgemäß kein weiteres Substrat außer Beton verwendet. Alle positiven Eigenschaften des Betons als erprobtes Bauprodukt wie Brandsicherheit, hohe Festigkeit, Dauerhaftigkeit sowie vielfältige Einbaumethoden gehen somit synergetisch in der erfindungsgemäßen Solarzelle auf. Wichtig für das Fundament des darüber liegenden Schichtaufbaus ist dabei vor allem, dass der Beton eine geeignete Oberfläche aufweist. In contrast to the currently known in practice dye solar cells, however, according to the invention no further substrate except concrete is used. All positive properties of the concrete as a proven building product such as fire safety, high strength, durability and diverse installation methods thus synergistically in the solar cell according to the invention. It is especially important for the foundation of the overlying layer structure that the concrete has a suitable surface.
Erfindungsgemäß wird die Betonoberfläche geeignet glatt ausgebildet, also mit einer möglichst geringen Topographie, um unterschiedlichen Elektrodenabständen und Schichtdicken vorzubeugen. Hinzu kommt die vorteilhafte Eigenschaft von Beton, sowohl plan und eben als auch mit unebener, beispielweise mit ein- oder mehrachsig gekrümmter Geometrie hergestellt werden zu können. Damit sind diejenigen Flächen, auf denen der erfindungsgemäße Schichtaufbau angebracht ist, in ihrer geometrischen Formgebung insbesondere nicht auf ebene Bauteilflächen beschränkt.According to the invention, the concrete surface is designed to be suitably smooth, ie with the lowest possible topography, in order to prevent different electrode spacings and layer thicknesses. In addition, there is the advantageous property of concrete, both flat and flat as well as uneven, for example, to be produced with one or multi-axial curved geometry. Thus, those surfaces on which the layer structure according to the invention is mounted are not limited in their geometric shape, in particular not on flat component surfaces.
Erfindungsgemäß wird die Betonoberfläche außerdem dicht, also arm an Poren ausgebildet. Wird ein flüssiger Elektrolyt verwendet, kann er die Titandioxid-Schicht durchdringen. Um zu vermeiden, dass die Betonoberfläche die Elektrolytflüssigkeit kapillar aufsaugt, was bei herkömmlichem Beton der Fall ist, wird daher eine möglichst porenfreie und dichte Betonoberfläche benötigt. Sie weisen bereits hochfeste Betone, vor allem aber ultrahochfeste Betone auf, und zwar u.a. durch ihre packungsdichteoptimierte Zusammensetzung, durch die wegen ihres geringen w/z-Wertes erforderlichen Fließmittel und ihre Selbstverdichtungsneigung. According to the invention, the concrete surface is also dense, so formed poor in pores. If a liquid electrolyte is used, it can penetrate the titanium dioxide layer. In order to avoid that the concrete surface absorbs the electrolyte liquid capillary, which is the case with conventional concrete, therefore, a non-porous and dense concrete surface is required. You already have high-strength concretes, but especially ultra-high-strength concretes, and u.a. due to their packing density-optimized composition, the flow agents required for their low w / c value and their tendency to self-seal.
Durch einen hohen Anteil an Feinststoffen, durch die Verdichtung des Betons durch Rüttler und den Einsatz von glatten Schalungsmaterialien wie z.B. Teflon, Hart-PVC, Aluminium-Verbundplatten, Glas oder Plexiglas kann ein nahezu kapillarporenfreies Gefüge sowie eine glatte Oberfläche erzeugt werden. Alternativ kann insbesondere auch herkömmlicher Beton eine geeignet dichte Oberfläche durch die oben erläuterte Verdichtung und anschließende Oberflächenversiegelung, z.B. mit Silanolen oder durch Hydrophobierung erhalten. Der Beton passt sich der Schalung optimal an, wodurch die gewünschte Oberfläche erzeugt wird.By a high proportion of fines, by the compaction of the concrete by vibrators and the use of smooth formwork materials such. Teflon, rigid PVC, aluminum composite panels, glass or Plexiglas can be a virtually kapillarporenfreies structure and a smooth surface generated. Alternatively, in particular, conventional concrete may also have a suitably dense surface by the above-described compaction and subsequent surface sealing, e.g. obtained with silanols or by hydrophobing. The concrete optimally adapts to the formwork, creating the desired surface.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtaufbaus wird in einem ersten Schritt eine Basisschicht aus Beton mit einer dichten Oberfläche erstellt. Dabei kann es sich insbesondere um ein Fertigbeton-Bauteil oder eines Teils davon handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Betonfertigteilen im Hochbau, für neuartige Fassaden sowie Wand- und Bodensysteme im Innen- und Außenbereich. Die werkseitige Herstellung ermöglicht die oben beschriebene dichte Betonoberfläche als Basisschicht des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus insbesondere durch den Einsatz von Schalungen aus Teflon, Hart-PVC, Aluminium-Verbundplatten oder Plexiglas. Dadurch können besonders porenarme Oberflächen erzeugt werden und auf Schalöle verzichtet werden, da deren Rückstände den anschließenden Auftrag der Funktionsschichten negativ beeinflussen und die Untergrundhaftung mindern würde.In a method according to the invention for producing a layer structure according to the invention, a base layer of concrete with a dense surface is created in a first step. This may in particular be a prefabricated concrete component or a part thereof. The inventive method is particularly suitable for the production of precast concrete elements in building construction, for novel facades and wall and floor systems in the interior and exterior. The factory production allows the dense concrete surface described above as a base layer of the layer structure according to the invention in particular by the use of formwork made of Teflon, rigid PVC, aluminum composite panels or Plexiglas. As a result, surfaces having a particularly low level of pores can be produced and scarf oils can be dispensed with, since their residues would adversely affect the subsequent application of the functional layers and would reduce the adhesion to the substrate.
In den folgenden Beschichtungsschritten werden dann weitere Schichten der künftigen Solarzelle auf die Basisschicht aufgebracht, nämlich die unten im einzelnen beschriebene Halbleiterschicht, die Farbstoffschicht, die Elektrolytschicht, die elektrisch leitende Schicht als Gegenelektrode und die Abdeckschicht, wobei letztere beiden Schichten auch in einem gemeinsamen Arbeitsgang als kombinierte Schicht aufgebracht werden können. Der Auftrag der Schichten kann durch Sprühen und/oder Streichen und/oder Drucken erfolgen, wobei gegebenenfalls zwischen den Schritten definierte Trocknungsphasen eingehalten werden. Während sich Sprühen auch auf unebenen, also beispielsweise gekrümmten, geknickten oder anderweitig optisch wirksam strukturierten Betonoberflächen anwenden lässt, kann Drucken zu einem genaueren und ggf. dünneren Schichtaufbau führen. Dafür kann prinzipiell die für gedruckte Elektronik bekannte Technologie eingesetzt werden, und zwar für grundsätzlich alle Schichten des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus.In the following coating steps, further layers of the future solar cell are then applied to the base layer, namely the semiconductor layer described in detail below, the dye layer, the electrolyte layer, the electrically conductive layer as the counter electrode and the cover layer, the latter two layers also in a common operation Combined layer can be applied. The application of the layers can be carried out by spraying and / or brushing and / or printing, wherein optionally between the steps defined drying phases are met. While spraying can also be applied to uneven, ie for example curved, bent or otherwise optically effectively structured concrete surfaces, printing can lead to a more accurate and possibly thinner layer structure. In principle, the technology known for printed electronics can be used, in principle for all layers of the layer structure according to the invention.
Die Basisschicht umfasst die Arbeitselektrode. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Basisschicht eine leitfähige Beschichtung als Arbeitselektrode umfassen. Die Basisschicht und die leitfähige Beschichtung sind hinsichtlich ihrer Haftung aneinander und hinsichtlich der Oberfläche der leitfähigen Beschichtung als Grundlage für den weiteren Schichtaufbau aufeinander abzustimmen. Eine geeignete leitfähige Beschichtung kann beispielsweise alkali-silikatisch gebundenes Graphit umfassen. Graphit hat sich als günstiges und je nach Anwendung leicht zu verarbeitendes, elektrisch leitfähiges Material etabliert. In Verbindung mit Alkalisilikat-Lösung, auch „Wasserglas“ genannt, kann Graphitpulver zu einer Paste bzw. sprühfähigen Suspension verarbeitet werden, die als dünne, aber stabile Schicht auf den Beton aufgebracht werden und so eine Elektrode bilden kann. Bei einer Schichtdicke von ca. 50 μm weist die Graphitschicht, die im ausgehärteten Zustand zu 50% aus Graphit und 50% Alkalisilikat besteht, einen Flächenwiderstand von ca. 10 Ω/sq auf. Damit ist die Graphitbetonelektrode ähnlich gut elektrisch leitfähig wie TCO-beschichtetes Glas, das im Allgemeinen als Elektrodenmaterial bei DSSCs verwendet wird.The base layer comprises the working electrode. According to an advantageous embodiment of the invention, the base layer may comprise a conductive coating as a working electrode. The base layer and the conductive coating are in terms of their adhesion to each other and with respect to the surface of the conductive coating as a basis for the further layer structure to match. A suitable conductive coating may include, for example, alkali silicate bound graphite. Graphite has established itself as a favorable and, depending on the application, easily processed, electrically conductive material. In conjunction with alkali silicate solution, also called "water glass", graphite powder can be processed into a paste or sprayable suspension, which are applied as a thin but stable layer on the concrete and can form an electrode. With a layer thickness of approx. 50 μm, the graphite layer, which consists of 50% graphite and 50% alkali silicate when hardened, has a surface resistance of approx. 10 Ω / sq. Thus, the graphite concrete electrode is similarly electrically conductive as TCO-coated glass, which is generally used as an electrode material in DSSCs.
Nach einer alternativen oder weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Basisschicht aus Beton zumindest oberflächlich an ihrer Kontaktfläche zu dem weiteren Schichtaufbau elektrisch leitfähigen Beton umfassen, um die Arbeitselektrode darzustellen. Dazu kann der Betonmatrix ein elektrisch leitfähiger Zuschlagsstoff, z.B. Graphit in Form von polydispersem Pulver oder Gemische aus Graphitpulver und Carbonfasern als elektrisch leitfähige Partikel hinzugefügt werden. Die derart modifizierte Betonmatrix kann für die gesamte Basisschicht bzw. das gesamte Bauteil, auf der der erfindungsgemäße Schichtaufbau aufgebracht werden soll, oder nur für eine dem weiteren Schichtaufbau zugewandte Betonschale auf einem im Übrigen nicht leitfähigen Beton eingesetzt werden. Eine geeignete Technologie zur Herstellung zumindest einer leitfähigen Oberfläche aus Beton ist unter der Bezeichnung TouchCrete® bekannt geworden.According to an alternative or further advantageous embodiment of the invention, the base layer of concrete may comprise at least superficially on its contact surface with the further layer structure electrically conductive concrete to represent the working electrode. For this purpose, the concrete matrix, an electrically conductive additive, such as graphite in the form of polydisperse powder or mixtures of graphite powder and carbon fibers are added as electrically conductive particles. The concrete matrix modified in this way can be used for the entire base layer or the entire component on which the layer structure according to the invention is to be applied, or only for a concrete shell facing the further layer structure on a concrete that is otherwise nonconductive. A suitable technology for the production of at least one conductive surface of concrete has become known under the designation TouchCrete ®.
Anstelle der einmaligen Verkapselung einer herkömmlichen Solarzelle, bei der mit dem Ausfall einer Materialkomponente die gesamte Solarzelle unbrauchbar wird, bietet der erfindungsgemäße Schichtaufbau eine erneuerbare Sandwich-Struktur. Dementsprechend sind bei einer erfindungsgemäßen Solarzelle bevorzugt zumindest die Abdeckschicht und die Elektrolytschicht, besonders bevorzugt aber auch die Farbstoffkomponente als sprühfähige, streichbare oder druckbare Beschichtungsmittel ausgebildet. Erfindungsgemäß werden dauerhaft stabile Schichten, nämlich die die Arbeitselektrode enthaltende Basisschicht und die Halbleiterschicht, im Schichtaufbau „unten“ bzw. „innen“ angeordnet. Die für die Funktion der Farbstoffsolarzelle notwendigen, aber weniger stabilen photoreaktiven Schichten, nämlich insbesondere der Farbstoff und die Elektrolytschicht, dagegen werden „oben“ bzw. „außen“ angeordnet. Bei der Herstellung werden zunächst die langzeitstabilen Schichten werkseitig beispielsweise aufgesprüht und, sofern erforderlich, ggf. anschließend gesintert. Anschließend werden die Schichten geringerer Stabilität einschließlich einer transparenten Deckschicht zur Verkapselung in einem Sprüh-, Streich- oder Druckverfahren aufgetragen. Nimmt die Funktion einer der oberen Schichten später im eingebauten Zustand ab, können sie durch Abtrag und Erneuerung im Einbauzustand durch Aufsprühen, Aufstreichen oder ggf. durch Bedrucken ersetzt und die Lebenszeit der Gesamtsystems verlängert werden.Instead of the one-time encapsulation of a conventional solar cell, in which the failure of a material component makes the entire solar cell unusable, the layer structure according to the invention offers a renewable sandwich structure. Accordingly, in a solar cell according to the invention, at least the covering layer and the electrolyte layer, particularly preferably the dye component, are preferably formed as sprayable, spreadable or printable coating agents. According to the invention, permanently stable layers, namely the base layer containing the working electrode and the semiconductor layer, are arranged in the layer structure "below" or "inside". On the other hand, the photoreactive layers which are necessary but less stable for the function of the dye-sensitized solar cell, namely in particular the dye and the electrolyte layer, are arranged "above" or "outside". In the production, the long-term stable layers are first sprayed on at the factory, for example, and, if necessary, then optionally sintered. Subsequently, the layers of lower stability, including a transparent topcoat for encapsulation, are applied by a spray, brush or print method. If the function of one of the upper layers decreases later in the installed state, they can be replaced by removal and renewal in the installed state by spraying, brushing on or possibly by printing and the lifetime of the entire system can be extended.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Abdeckschicht und die leitfähige Schicht einer Leit-Deckschicht zusammengefasst sein. Dieser Aufbau führt zu einer vereinfachten und damit kostengünstigen Herstellung. Dazu kann die Leit-Deckschicht vorteilhafterweise eine Schicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Polymer umfassen. Dabei kann es sich beispielsweise um Poly-(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrensulfonat) (sog. PEDOT:PSS des Herstellers SIGMA-ALDRICH C. LLC.), Polyanilin oder ähnliche Polymere handeln. Damit ergibt sich eine Funktionenkombination aus der Schicht, die die Gegenelektrode darstellt, einerseits, und der Abdeckschicht andererseits. Die Streich- und Sprühfähigkeit des Polymers ermöglicht den zuvor beschriebenen erfindungsgemäß einfachen mechanisierten Auftrag. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit können dem Polymer leitfähige Partikel wie beispielsweise feinste Silberpartikel bzw. -fäden beigegeben werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, the covering layer and the conductive layer of a conductive covering layer can be combined. This structure leads to a simplified and thus cost-effective production. For this purpose, the conductive covering layer may advantageously comprise a layer of a transparent, electrically conductive polymer. This may be, for example, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (so-called PEDOT: PSS from the manufacturer SIGMA-ALDRICH C. LLC.), Polyaniline or similar polymers. This results in a function combination of the layer, which represents the counter electrode, on the one hand, and the cover layer on the other. The brushability and sprayability of the polymer makes possible the above-described simple mechanized application according to the invention. To increase the conductivity of the polymer conductive particles such as the finest silver particles or threads can be added.
Nach einer dazu alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die elektrisch leitende Schicht ein transparentes, elektrisch leitfähiges Vlies, Gewebe oder Gelege als Gegenelektrode und ein Polymer als Abdeckschicht umfassen. Ein transparentes, elektrisch leitfähiges Vlies kann beispielsweise aus Glasfasern aufgebaut sein, in die Carbonfasern eingemischt oder eingewebt sind. Alternativ kann es sich um ein mit Polyvinyl-Alkohol gebundenes flächiges Gelege (z.B. „SPC 20107“ des Herstellers SGL CARBON SE) oder um ein Metallgewebe handeln. Das nicht notwendigerweise elektrisch leitfähige Polymer ist transparent, für eine Außenanwendung darüber hinaus witterungsbeständig und kann ein organisches oder ein anorganisches Polymer, beispielsweise ein Geopolymer, Wasserglas, eine Folie oder eine Graffiti-Schutzschicht sein. Es schützt vor äußeren Einwirkungen ebenso wie vor einer Evaporation der darunter liegenden Schichten.According to an alternative embodiment of the invention, the electrically conductive layer may comprise a transparent, electrically conductive fleece, fabric or scrim as a counter electrode and a polymer as a cover layer. A transparent, electrically conductive fleece can be constructed, for example, from glass fibers in which carbon fibers are mixed or woven. Alternatively, it may be a polyvinyl alcohol bonded sheet (e.g., "SPC 20107" manufactured by SGL CARBON SE) or a metal mesh. The non-necessarily electrically conductive polymer is transparent, moreover weather-resistant for outdoor use and may be an organic or an inorganic polymer, for example a geopolymer, water glass, a film or a graffiti protective layer. It protects against external influences as well as against evaporation of the underlying layers.
Grundsätzlich kann die Elektrolytschicht auf der Basis einer sog. Lugolschen Lösung, einer wässrigen Iod-Kaliumiodid-Lösung aufgebaut sein, deren Leistungsfähigkeit durch den Austausch des Wassers gegen Ethylenglykol gesteigert werden kann. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Elektrolytschicht einen Gelelektrolyten umfassen. Lithiumperchlorat und Kupferiodid können die Ionen für den Ladungstransport liefern, als Lösungsmittel kann Acetonitril zum Einsatz kommen, das mit Polyethylenglykol zu einem Gel gebunden wird. Damit lässt sich eine Zähigkeit oder Viskosität erreichen, die den Gelelektrolyten per Sprühverfahren aufbringen und ihn unter Eigengewicht und Gewicht der zu tragenden Schichten auch in einem vertikalen Einbauzustand nicht verlaufen lässt.In principle, the electrolyte layer can be based on a so-called. Lugol's solution, an aqueous iodine-potassium iodide solution whose performance can be increased by replacing the water with ethylene glycol. According to a further advantageous embodiment of the invention, the Electrolyte layer comprise a gel electrolyte. Lithium perchlorate and copper iodide can deliver the ions for charge transport, using acetonitrile, which is bound to a gel with polyethylene glycol, as solvent. This makes it possible to achieve a toughness or viscosity which can be applied to the gel electrolyte by spraying and, under its own weight and the weight of the layers to be supported, can not run it even in a vertical installation state.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können zumindest die Elektrolytschicht und/oder die Farbstoffschicht, vorzugsweise auch die Abdeckschicht aus biokompatiblen, bevorzugt aus biologisch abbaubaren Materialien bestehen. Dadurch lässt sich ein äußerst umweltverträgliches System anbieten, dessen Verarbeitung, Erneuerung und Entsorgung auf geringe Widerstände stoßen dürfte.According to a further advantageous embodiment of the invention, at least the electrolyte layer and / or the dye layer, preferably also the cover layer of biocompatible, preferably made of biodegradable materials. This makes it possible to offer a highly environmentally friendly system, whose processing, renewal and disposal should meet with little resistance.
Eine gängige Methode zur Herstellung der Halbleiterschicht ist das Auftragen einer kolloidalen Titandioxidsuspension auf eine TCO-Glaselektrode. Sie wird mittels eines Glasstabes oder Klinge zu einer dünnen Schicht ausgezogen und anschließend bei ca. 450 °C gesintert, um die TiO2-Partikel miteinander zu „verbacken“. Auch im erfindungsgemäßen Schichtaufbau kann die Halbleiterschicht grundsätzlich gesintert werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Halbleiterschicht Titanoxid (TiO2) und ein alkali-silikatisches Bindemittel umfassen. Wie auch bei der Graphitschicht kann Wasserglas zum Einsatz kommen, das der Suspension mit einem Anteil von etwa 25% bezogen auf den Feststoffgehalt zugesetzt wird. Dadurch kann auch ohne Sintern eine stabile und dennoch poröse Titandioxidschicht erzeugt werden. Durch den Verzicht auf das energieintensive Sintern, das bei größere Betonsubstraten bzw. Betonbauteilen ohnehin problematisch sein dürfte, kann die Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus erheblich energiesparender ausgestaltet werden.A common method for producing the semiconductor layer is the application of a colloidal titanium dioxide suspension to a TCO glass electrode. It is pulled out by means of a glass rod or blade to a thin layer and then sintered at about 450 ° C in order to "bake" the TiO 2 particles together. Also in the layer structure according to the invention, the semiconductor layer can basically be sintered. According to a further advantageous embodiment of the invention, the semiconductor layer may comprise titanium oxide (TiO 2 ) and an alkali-silicate binder. As with the graphite layer, water glass can be used, which is added to the suspension in a proportion of about 25% based on the solids content. As a result, a stable, yet porous titanium dioxide layer can be produced without sintering. By dispensing with the energy-intensive sintering, which should be problematic anyway with larger concrete substrates or concrete components, the production of the layer structure according to the invention can be designed considerably more energy-efficient.
Nach dem Aushärten der Schicht lässt sich eine etwa 0,3 bis 0,5 millimolare, ethanolische Lösung des dafür an sich bekannten Farbstoffs cis-Bis-(isothiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II) auftragen, in der Literatur auch als N3 bezeichnet. Der Farbstoff wird möglichst in einer molekularen Monolage auf den Halbleiter TiO2 aufgebracht, vorzugsweise aufgesprüht, so dass die Lösung in den mikroporösen Halbleiter einläuft. Das Sprühverfahren lässt sich vorteilhaft automatisieren, zum Beispiel durch CNC-gesteuerte Industriebeschichtungsverfahren.After the layer has cured, about 0.3 to 0.5 millimolar ethanolic solution of the cis-bis- (isothiocyanato) -bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato) dye known per se can be obtained. Ruthenium (II), also referred to in the literature as N3. The dye is preferably applied in a molecular monolayer on the semiconductor TiO 2 , preferably sprayed, so that the solution enters the microporous semiconductor. The spraying process can advantageously be automated, for example by CNC-controlled industrial coating processes.
Beim Betreiben einer Farbstoffsolarzelle mit dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau können bei Nachlassen ihrer Stromerzeugungsleistung die transparente Leit-Deckschicht oder die Abdeckschicht und die leitfähige Schicht, die Elektrolytschicht abgetragen sowie der Farbstoff erneuert und jeweils neue Schichten aufgetragen werden.When operating a dye-sensitized solar cell with the layer structure according to the invention, the conductive covering layer or the covering layer and the conductive layer, the electrolyte layer can be removed and the dye renewed and new layers applied in each case when their power generation performance decreases.
Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: The principle of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing by way of example. In the drawing show:
Auf Grund der Größe ihrer Bandlücke, also eines energetischen Abstands zwischen ihrem Valenz- und ihrem Leitungsband, absorbiert die üblicherweise verwendete Halbleiterschicht d aus Titandioxid (TiO2) nur relativ energiereiche Strahlung am kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektralbereichs (nahe UV). Für die Aufnahme der solaren Strahlungsenergie ist Farbstoff in der Form der Farbstoffmoleküle f zuständig. Um einen möglichst großen Teil der einfallenden Strahlung h nutzen zu können, müssen möglichst viele Farbstoffmoleküle f an die Halbleiterschicht d gebunden sein. Deshalb wird nanokristallines TiO2 verwendet, womit eine nanoporöse Halbleiterschicht d erzeugen werden kann. Die nanoporöse Halbleiterschicht d erhält dadurch eine extrem vergrößerte aktive Oberfläche zur Bindung der Farbstoffmoleküle f.Due to the size of their band gap, ie an energetic distance between their valence and their conduction band, the commonly used semiconductor layer d of titanium dioxide (TiO 2 ) only absorbs relatively high-energy radiation at the short-wave end of the visible spectral range (near UV). Dye in the form of the dye molecules f is responsible for the absorption of the solar radiation energy. In order to use as much of the incident radiation h as possible, as many as possible Dye molecules f be bound to the semiconductor layer d. Therefore, nanocrystalline TiO 2 is used, whereby a nanoporous semiconductor layer d can be generated. As a result, the nanoporous semiconductor layer d is given an extremely enlarged active surface for binding the dye molecules f.
Der bekannte Aufbau der Schichten b bis g zwischen den beiden Glasplatten a lässt grundsätzlich eine beidseitige Bestrahlung h der Farbstoff-Solarzelle zu. Die Absorption eines Photons gewisser Wellenlänge versetzt ein Farbstoffmolekül F in einen elektronisch angeregten Zustand F*. Die Farbstoffmoleküle f sind so gewählt, dass die Energie des angeregten Zustands des Farbstoffs F* oberhalb des Energieniveaus des Leitungsbands des Halbleiters b liegt. Dadurch kann ein Elektron e– vom Farbstoffmolekül F* in das Leitungsband des Halbleiters b injiziert werden, wobei das Molekül F* zu F+ oxidiert wird. Das Elektron e– wird zur Arbeitselektrode b transportiert. Um eine kontinuierliche Funktion der Farbstoff-Solarzelle zu gewährleisten, muss das oxidierte Farbstoffmoleküle F+ wieder reduziert und dadurch in seinen Ausgangszustand F versetzt werden. Diese Aufgabe übernimmt die Elektrolytschicht g, die in Kontakt mit der Gegenelektrode c steht. Die oxidierten Farbstoffmoleküle F+ werden durch Reaktion mit dem gelösten Reduktionsmittel (z.B. Triiodid) E der Elektrolytschicht g reduziert, wobei Oxidans (z.B. elementares Iod) E+ entsteht. Die Regeneration der Elektrolytschicht g findet an der Gegenelektrode c statt, die durch Elektronenabgabe das Oxidationsmittel (Iod) E+ zum Reduktionsmittel (Triiodid) E reduziert. Werden nun die Photoanode b und die Gegenelektrode c leitend verbunden, ist der Kreislauf geschlossen und elektrische Energie kann gewonnen werden.The known structure of the layers b to g between the two glass plates a can in principle be a two-sided irradiation h of the dye solar cell. The absorption of a photon of a certain wavelength displaces a dye molecule F into an electronically excited state F *. The dye molecules f are selected so that the energy of the excited state of the dye F * is above the energy level of the conduction band of the semiconductor b. This allows an electron e - be injected from the dye molecule F * in the conduction band of the semiconductor b, wherein the molecule F * is oxidized to F + . The electron e - is transported to the working electrode b. In order to ensure a continuous function of the dye solar cell, the oxidized dye molecules F + must be reduced again and thereby be converted to its initial state F. This task is performed by the electrolyte layer g, which is in contact with the counter electrode c. The oxidized dye molecules F + are reduced by reaction with the dissolved reducing agent (eg triiodide) E of the electrolyte layer g, oxidant (eg elemental iodine) E + being formed. The regeneration of the electrolyte layer g takes place at the counter electrode c, which reduces the oxidant (iodine) E + to the reducing agent (triiodide) E by electron donation. If now the photoanode b and the counter electrode c are conductively connected, the circuit is closed and electrical energy can be obtained.
Der erfindungsgemäße Schichtaufbau gemäß
Der erfindungsgemäße Schichtaufbau ist also so gewählt, dass stabile und dauerhafte Schichten, insbesondere die Halbleiterschicht
Als leitfähige Schicht auf der Basisschicht
Die Halbleiterschicht
Ebenfalls im Sprühverfahren wird anschließend die Elektrolytschicht
Die anschließenden Schritte c) und d) zeigen das Auftragen der Halbleiterschicht
Auch wenn im Schritt e) der
Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Schichtaufbau und seinem Herstellungsverfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Basisschicht in anderer Form als in der hier beschriebenen erfolgen, beispielsweise mit anderer Betonrezeptur. Dementsprechend kann die Verdichtung und Oberflächenbehandlung des Betons in einer anderen Form ausgeführt werden, wenn dies besispielsweise bei Normalbeton notwendig ist. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrmals oder mehrfach vorhanden sein können.Since the foregoing layered structure described in detail and its method of production are exemplary embodiments, they can be modified in the customary manner by a person skilled in the art to a large extent, without departing from the scope of the invention. In particular, the concrete embodiments of the base layer can also take place in a different form than described here, for example with a different concrete recipe. Accordingly, the compaction and surface treatment of the concrete may be carried out in a different form, as is necessary, for example, in normal concrete. Furthermore, the use of the indefinite article "a" or "an" does not exclude that the features in question may also be present several times or more than once.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Basisschicht base layer
- 22
- Arbeitselektrode working electrode
- 33
- Halbleiterschicht Semiconductor layer
- 44
- Farbstoffschicht dye layer
- 55
- Elektrolytschicht electrolyte layer
- 66
- Gegenelektrode counter electrode
- 77
- Abdeckschicht covering
- 88th
- Leit-Deckschicht Leit topcoat
- 1010
- leitfähige Partikel conductive particles
- 1111
- herkömmliche Betonmatrix conventional concrete matrix
- 1212
- modifizierte Betonmatrix modified concrete matrix
- 1313
- Betonquader concrete blocks
- 1414
- Oberfläche surface
- aa
- Basisschicht base layer
- bb
- Arbeitselektrode working electrode
- cc
- Gegenelektrode counter electrode
- dd
- Halbleiterschicht Semiconductor layer
- e– e -
- Elektron electron
- ff
- Farbstoffmolekül dye molecule
- gG
- Elektrolytschicht electrolyte layer
- hH
- Strahlung radiation
- Ee
- Elektrolytmolekül electrolyte molecule
- FF
- Farbstoffmolekül dye molecule
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 333641 B1 [0003] EP 333641 B1 [0003]
- DE 102012104247 A1 [0003] DE 102012104247 A1 [0003]
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