DE102006022949A1 - Thermo-photovoltaic cell for converting e.g. light into current, has light energy conversion layer comprised of unique material of graphite e.g. graphite powder, where thickness of conversion layer lies between specific range - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein thermophotovoltaisches Element zur Konversion elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie.The The invention relates to a thermophotovoltaic element for conversion electromagnetic radiation into electrical energy.
In US-Patent 6,774,300 bzw. auch in Nature, Volume 421, Seite 616–618 (2003) wird eine Anordnung zur Konversion von Licht in Strom beschrieben, die im wesentlichen aus einer Lichtenergieumwandlungsschicht (light energy conversion layer), einer Ladungstrennungsschicht (charge separation layer) und einer leitfähigen Rückseitenschicht (back conducting layer) besteht. Die Lichtenergieumwandlungsschicht besteht aus zwei Materialkomponenten: einer lichtempfindlichen Schicht (photosensitive layer), die auf einer leitfähigen Vorderseitenschicht (front conduction layer) aufgebracht ist. Die lichtempfindliche Schicht besteht aus photonen-absorbierenden Verbindungen, wie z.B. Farbstoffen oder Nanopartikeln. Die leitfähige Vorderseitenschicht besteht aus einer nanometer-dünnen Metallschicht oder einer nanometer-dünnen Schicht eines leitfähigen Polymeren. - Das Wirkprinzip ist folgendes: auf die lichtempfindliche Schicht auftreffende ektromagnetische Strahlung befördert Elektronen aus dem Grundzustand auf ein energetisch höheres Niveau, so daß sie ballistisch in und durch die dünne leitfähige Vorderseitenschicht transferiert werden, um von hier aus in die (aus Halbleitermaterialien) bestehende) Ladungstrennungschicht und von dort zur leitfähigen Rückseitenschicht zu gelangen.In US Pat. No. 6,774,300 or also in Nature, Volume 421, page 616-618 (2003) An arrangement for the conversion of light into electricity is described essentially from a light energy conversion layer (light energy conversion layer), a charge separation layer (charge separation layer) and a conductive backside layer layer). The light energy conversion layer consists of two Material components: a photosensitive layer (photosensitive layer) on a conductive Front layer (front conduction layer) is applied. The photosensitive layer consists of photon-absorbing compounds, such as. Dyes or nanoparticles. The conductive front side layer consists of a nanometer-thin Metal layer or a nanometer-thin layer of a conductive polymer. - The principle of action is the following: on the photosensitive layer incident electromagnetic radiation promotes electrons from the ground state to an energetic higher Level, making them ballistic in and through the thin one conductive Front side layer are transferred to from here into the (semiconductor materials) existing) charge separation layer and from there to the conductive backside layer to get.
Nachteilig ist, daß die Lichtenergieumwandlungsschicht aus zwei Materialkomponenten, der lichtempfindlichen Schicht und der leitfähigen Vorderseitenschicht, besteht. Diese Schichten müssen energetisch aufeinander abgestimmt sein, damit beispielsweise Elektronen aus dem LUMO (bei Farbstoffen) bzw. dem Leitungsband (bei Halbleitern) der lichtempfindlichen Schicht verlustfrei in und durch die Vorderseitenschicht zur Ladungstrennungschicht gelangen können. Die Materialien der lichtempfindlichen Schicht müssen aufgrund der kontinuierlich einwirkenden elektromagnetischen Strahlung außerordentlich stabil sein, ein Anforderung, die bislang noch nicht befriedigend gelöst ist. Weiterhin sind nanometer-dünne Schichten nur mit gößerem technologischen Aufwand – Ultrahochvakuum – realisierbar.adversely is that the Light energy conversion layer of two material components, the photosensitive Layer and the conductive Front side layer, consists. These layers must be energetic to each other be tuned so that, for example, electrons from the LUMO (at Dyes) or the conduction band (in semiconductors) of the photosensitive Layer lossless in and through the front side layer to the charge separation layer can reach. The materials of the photosensitive layer must be continuous due to the be extremely stable to the effects of electromagnetic radiation a requirement that has not yet been satisfactorily resolved. Furthermore, nanometer-thin Layers only with greater technological Effort - ultrahigh vacuum - feasible.
Aufgabe der Erfindung ist es, den genannten Stand der Technik dahingehend zu optimieren, daß die Lichtenergieumwandlungsschicht nur aus einem einzigen, chemisch und physikalisch gut definierten Material besteht, wobei dieses neben dem sichtbaren Anteil des Sonnenspektrums auch Wärmestrahlung absorbiert. Weiterhin muß es chemisch beständig, als Industrieprodukt erhältlich und kann mit geringem technologischen Aufwand einsetzbar sein.task The invention is to the said prior art to optimize that Light energy conversion layer only from a single, chemical and physically well defined material, this being In addition to the visible portion of the solar spectrum and absorbed heat radiation. It must continue chemically resistant, as Industrial product available and can be used with little technological effort.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man für die Lichtenergieumwandlungsschicht als einzige Materialkomponente Graphit einsetzt.The Task is solved by that one for the light energy conversion layer the only material component is graphite.
Graphit ist bekannt. Es ist reiner sp2-hybridisierter Kohlenstoff, der als Schichtgitterkristall vorliegt und Strom und Wärme anisotrop leitet. Parallel zur Schichtebene beträgt die Leitfähigkeit 30.000 S/cm, senkrecht zu den Schichten nur 5 S/cm. Graphit erscheint bei Tageslicht schwarz, von diesem Material wird also das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts, von ca. 400 bis 700 nm, absorbiert. Graphit ist chemisch beständig. Im Vergleich zu angeregten Elektronen in Metallgittern erscheint die freie Weglänge von angeregten Elektronen im Graphitschichtgitterkristall groß, so daß man mit vergleichsweise dicken, im μm-Bereich liegenden, Lichtenergieumwandlungsschichten aus Graphit akzeptable Wirkungsgrade erreichen kann.Graphite is known. It is pure sp 2 -hybridized carbon that exists as a layered lattice crystal and conducts electricity and heat anisotropically. The conductivity is 30,000 S / cm parallel to the layer plane and only 5 S / cm perpendicular to the layers. Graphite appears black in daylight, so the entire spectrum of visible light, from about 400 to 700 nm, is absorbed by this material. Graphite is chemically resistant. Compared to excited electrons in metal lattices, the free path of excited electrons in the graphite lattice crystal appears large, so that one can achieve acceptable efficiencies with comparatively thick, lying in the micron range, light energy conversion layers of graphite.
(Die Verwendung von Graphit als einziges Material für eine Lichtenergieumwandlungsschicht basiert auf folgenden Überlegungen: Photonen interagieren (in Form eines elastischen Stoßes) mit auf/an der Graphitoberfläche befindlichen p-Elektronen und befördern diese (unter weitgehendem Erhalt des Impulses) in das Innere des Schichtengitters von Graphit hinein, haben dabei aber noch genügend Energie, um als sog. „hot electrons" auf der lichtabgewandten Seite den Graphitkristall zu verlassen, um so in die angrenzende Ladungsseparationsschicht zu gelangen. Voraussetzung für einen photovoltaischen Effekt ist unter anderem, daß die Energie dieser Elektronen dabei ausreichend groß ist, daß sie, wenn es sich bei der Ladungsseparationsschicht um ein organisches Polymer handelt, vom HOMO noch ins LUMO befördert werden bzw. oder, bei Verwendung anorganischer Halbleiter, aus dem Valenzband ins Leitungsband gelangen.) (The Use of graphite as the sole material for a light energy conversion layer based on the following considerations: Photons interact with (in the form of an elastic shock) on / at the graphite surface located p-electrons and carry them (under extensive Receipt of the momentum) into the interior of the layer grid of graphite but still have enough energy to act as so-called "hot electrons" on the light side Leave side of the graphite crystal, so in the adjacent Charge separation layer to get. Prerequisite for one Among other things, photovoltaic effect is that the energy of these electrons is sufficiently large, that they, when the charge separation layer is an organic Polymer traded by the HOMO still transported to LUMO or or, at Use of inorganic semiconductors, from the valence band into the conduction band reach.)
Für den erfindungsgemäßen Einsatz kann entweder Graphitpulver, Graphitfolie oder aus der Gasphase auf flächige Substrate abgeschiedener Kohlenstoff, sog. Pyrographit, verwendet werden. Graphitpulver, mit im unteren μm-Bereich liegenden Teilchengrößen, sind bekannt und, beispielsweise auch als (Leit-)Sprays konfektioniert, kommerziell erhältlich. Graphitfolie, die Strom parallel zur Schichtung ca. 65 mal besser als senkrecht dazu leitet, ist ebenfalls bekannt und kann beispielsweise bei SGL Carbon, Meitingen bezogen werden.For the use according to the invention can be either graphite powder, graphite foil or from the gas phase on flat Substrates deposited carbon, so-called. Pyrographite used become. Graphite powder, with lying in the lower micron range particle sizes are known and, for example, as (Leit-) spray packaged, commercially available. Graphite foil, the current parallel to the stratification about 65 times better as perpendicular to conducts, is also known and can, for example at SGL Carbon, Meitingen.
Die Dicke der erfindungsgemäß aus Graphit bestehenden Lichtenergieumwandlungsschicht liegt zwischen 10 nm und 500 mm, kann leicht variiert und in Abhängigkeit von der einstrahlenden Energie optimiert werden. Bevorzugt liegt sie bei Einstrahlung von Sonnenlicht in mitteleuropäischen Regionen zwischen 0,01 und 700 μm, ganz bevorzugt zwischen 0,5 und 200 μm.The Thickness of the invention consisting of graphite Light energy conversion layer is between 10 nm and 500 mm, can be easily varied and depending be optimized by the incoming energy. Preferably lies they irradiate sunlight in Central European regions between 0.01 and 700 μm, most preferably between 0.5 and 200 microns.
Ansonsten entsprechen physikalische Gegebenheiten bzw. der Aufbau des erfindungsgemäßen thermophotovoltaisches Elements dem in US-Patent 6,774,300 beschriebenen.Otherwise correspond to physical conditions or the structure of the thermophotovoltaic according to the invention Elements described in US Patent 6,774,300.
Beispiel 1:Example 1:
Als Lichtenergieumwandlungsschicht wird Graphitfolie SIGRAFLEX (R), Produktbezeichnung: F 02012 Z (Fa. SGL Technik, Meitingen) eingesetzt. Hierzu wird ein Stück ca. 10 × 450 mm messende Folie zigarrenförmig gerollt und in einen Schrumpfschlauch gesteckt. Nach thermischer Fixierung dieses Gebildes bei 120°C werden hiervon ca. 0,2 bis 0,4 mm starke Scheiben mittels eines scharfen Messers abgeschnitten. Mittels eines Mikrotoms werden ca. 40 μm starke Scheiben geschnitten. Diese Scheiben werden als Lichtenergieumwandlungsschicht eingesetzt.When Light energy conversion layer becomes graphite foil SIGRAFLEX (R), Product name: F 02012 Z (from SGL Technik, Meitingen) used. For this becomes a piece about 10 × 450 mm film measured cigar-shaped rolled and put in a shrink tube. After thermal Fixation of this structure at 120 ° C are from about 0.2 to 0.4 mm thick slices by means of a sharp knife cut off. By means of a microtome approx. 40 μm thick Sliced. These disks are used as a light energy conversion layer.
Beispiel 2:Example 2:
Die Herstellung einer thermophotovoltaischen Zelle auf organischer Basis erfolgt durch einfaches Kontaktieren folgender, von unten nach oben angeordneter Bauelemente:
- • Rückseitenschicht: (feuer) verzinktes Blech – (Austrittsarbeit von Zink: 4,3 eV)
- • Ladungstrennungsschicht: ca. 12 μm dicke Folie aus KYNARFLEX 2801-00 (Fa. Atofina) imprägniert mit einer ca. 0,1 gew.-%igen Suspension von Kupfer(II)-phthalocyanin (Fa. Fluka) in Polyglykol DME 250 (Fa. Clariant) – (HOMO bzw. LUMO von Kupfer(II)-phthalocyanin: 5,7 bzw. 3,9 eV)
- • Lichtenergieumwandlungsschicht: ca. 0,2 mm dicke Scheibe einer gerollten Graphitfolie, Durchmesser ca. 0,8 mm. Herstellung der Scheibe: wie unter Beispiel 1 beschrieben – (Austrittsarbeit von Graphit: 4,7 eV)
- • Stromsammler: 0,1 mm messender Platindraht, zur besseren Handhabung auf einen Objektträger geklebt, steht in Kontakt mit der lichtbeschienenen Seite der Lichtenergieumwandlungsschicht
- • Backside layer: (fire) galvanized sheet - (work function of zinc: 4.3 eV)
- Charge separation layer: about 12 μm thick film of KYNARFLEX 2801-00 (from Atofina) impregnated with an approximately 0.1% strength by weight suspension of copper (II) phthalocyanine (Fluka) in polyglycol DME 250 ( Fa. Clariant) - (HOMO or LUMO of copper (II) phthalocyanine: 5.7 and 3.9 eV, respectively)
- • Light energy conversion layer: approx. 0.2 mm thick slice of a rolled graphite foil, diameter approx. 0.8 mm. Preparation of the disc: as described under Example 1 - (work function of graphite: 4.7 eV)
- • Current collector: 0.1 mm platinum wire glued to a microscope slide for better handling, in contact with the light-illuminated side of the light energy conversion layer
Zinkblech und Objektträger werden mittels Klemmen miteinander verbunden, so daß alle Komponenten miteinander in elektronen-leitendem Kontakt sind.zinc sheet and slides are connected together by means of clamps, so that all components are in electron-conductive contact with each other.
In Abhängigkeit von der Intensität der Sonnenstrahlung auf die Graphitscheibe liegt VOC zwischen 0,6 und 0,7 sowie ISC: zwischen 1 und 20 μA/cm2. Korrosionserscheinungen des verzinkten Blechs wurden nicht beobachtet.Depending on the intensity of solar radiation on the graphite disk, V OC is between 0.6 and 0.7 and I SC : between 1 and 20 μA / cm 2 . Corrosion phenomena of the galvanized sheet were not observed.
Beispiel 3:Example 3:
Die Herstellung einer thermophotovoltaischen Zelle auf anorganischer Basis erfolgt durch einfaches Kontaktieren folgender, von unten nach oben angeordneter Bauelemente:
- • Rückseitenschicht: Magnesiumband (Fa. Fluka), ca. 30 × 3 × 0,2 mm, wird zur besseren Handhabung auf einen Objektträger geklebt – (Austrittsarbeit von Magnesium: 3,7 eV)
- • Ladungstrennungsschicht: ca. 12 μm dicke Folie aus KYNARFLEX 2801-00 (Fa. Atofina), bedeckt mit einer ca. 95 gew.-%igen Suspension von Indium(III)-sulfid (Fa. Aldrich) in Polyglykol DME 250 (Fa. Clariant) – (Valenz- bzw. Leitungsband von Indium(III)-sulfid: 5,7 bzw. 3,7 eV)
- • Lichtenergieumwandlungsschicht: ca. 80 μm dicke Scheibe einer gerollten Graphitfolie, Durchmesser ca. 0,8 mm. Herstellung der Scheibe: wie unter Beispiel 1 beschrieben – (Austrittsarbeit von Graphit: 4,7 eV)
- • Stromsammler: 0,1 mm messender Platindraht, zur besseren Handhabung auf einen Objektträger geklebt, steht in Kontakt mit der lichtbeschienenen Seite der Lichtenergieumwandlungsschicht
- • Backside layer: Magnesium tape (Fluka), about 30 × 3 × 0.2 mm, is glued to a microscope slide for better handling - (work function of magnesium: 3.7 eV)
- • Charge separation layer: film approximately 12 μm thick made of KYNARFLEX 2801-00 (from Atofina), covered with an about 95% strength by weight suspension of indium (III) sulfide (Aldrich) in polyglycol DME 250 (Fa Clariant) - (valence or conduction band of indium (III) sulfide: 5.7 and 3.7 eV, respectively)
- Light energy conversion layer: approx. 80 μm thick slice of a rolled graphite foil, diameter approx. 0.8 mm. Preparation of the disc: as described under Example 1 - (work function of graphite: 4.7 eV)
- • Current collector: 0.1 mm platinum wire glued to a microscope slide for better handling, in contact with the light-illuminated side of the light energy conversion layer
Verbinden beider Objektträger wie bei Beispiel 2 beschrieben. – In Abhängigkeit von der Intensität der Sonnenstrahlung auf die Graphitscheibe liegt VOC: zwischen 0,9 und 1,1 V; ISC: zwischen 0,1 und 8 μA/cm2. Korrosionserscheinungen des Bandes erst nach Tagen.Connect both slides as described in Example 2. - Depending on the intensity of solar radiation on the graphite disk V OC : between 0.9 and 1.1 V; I SC : between 0.1 and 8 μA / cm 2 . Corrosion phenomena of the tape only after days.
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