DE102009004966A1

DE102009004966A1 - Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie Solarzelle

Info

Publication number: DE102009004966A1
Application number: DE102009004966A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Koppe; Jan Koppe; Holger Jentsch
Original assignee: Mol Katalysatortechnik GmbH
Current assignee: Mol Katalysatortechnik GmbH
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2009-07-23

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer aus mindestens zwei metallischen Bauteilen bestehenden Solarzelle, indem eine Legierung, die 15 bis 35 Gew.-% Cr und mindestens 60 Gew.-% Fe + Ni sowie bedarfsweise weitere Begleitelemente enthält, für einen Zeitraum von 5 bis 50 Minuten bei einer Temperatur von 500 bis 1.000°C unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre thermisch dergestalt behandelt wird, dass sich auf einer Oberfläche der jeweiligen metallischen Bauteile oxidische Schichten - insbesondere Spinellstrukturen - ausbilden, die metallischen Bauteile mit einander zugewandten oxidischen Schichten mit vorgebbarem Abstand in sauerstoff- und/oder wasserdampfhaltiger Atmosphäre zueinander platziert und elektrisch miteinander unter Ausbildung eines elektrischen Stromkreises in Wirkverbindung gebracht werden, und dass nur eines der metallischen Bauteile dem Licht ausgesetzt wird, während das andere metallische Bauteil vor der Lichteinwirkung geschützt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle.
Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die Lichtenergie (in der Regel Sonnenlicht) direkt in elektrische Energie umwandeln. Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden. Ein weiteres Kriterium ist das Material. Es werden zum Beispiel die Halbleitermaterialien CdTe, GaAs oder CuInSe eingesetzt, weltweit am häufigsten jedoch Silizium. Die Gitter-Struktur kann kristallin (mono-/polykristallin) oder amorph sein. Neben Halbleitermaterialien gibt es auch neuere Ansätze zum Material, wie beispielsweise organische Solarzellen und Farbstoffsolarzellen.
Die WO 01/57932 offenbart ein flexibles metallisches Substrat für CIS-Solarzellen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es aus einem Schichtaufbau aus einer Grundschicht aus Chrom, Nickel oder Nickel-Eisen und einer Kontaktschicht aus Molybdän, Wolfram oder Palladium oder einer Nickel-Molybdän-, Nickel-Wolfram- oder Nickel-Palladium-Legierung oder nur aus einer Kontaktschicht aus einer Nickel-Molybdän-, Nickel-Wolfram- oder Nickel-Palladium-Legierung auf einer bandförmigen Kupferfolie besteht, wobei der Schichtaufbau galvanisch hergestellt ist.
Der WO 97/38145 ist ein Beschichtungssubstrat zu entnehmen, enthaltend ein Walzprodukt aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, für Dünnfilmbeschichtungen zur Herstellung von elektronischen Komponenten. Alle auf der zu beschichtenden Substratoberfläche vorhandenen lokalen Unebenheiten, welche eine maximale, vertikal zur Substratoberfläche gemessene Ausdehnung von kleiner als 10 μm und größer als 0,1 μm aufweisen, sind dergestalt, dass die Flanken der lokalen Unebenheiten vollständig einer senkrecht auf die Substratoberfläche auftreffenden Material-Deposition aussetzbar sind.
In der WO 02/065571 A1 wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme- und/oder Strahlungsenergie in elektrische Energie beschrieben, bestehend aus einem gasdichten Raum und wenigstens einer im gasdichten Raum angeordneten elektrochemischen Zelle, die aus Anode und Kathode besteht, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet und mit der Anschlussleitungen verbunden sind, wobei der gasdichte Raum und die elektrochemische Zelle ein Gas oder Gasgemisch enthalten, dem Energie in Form von Wärme und-/oder Strahlung zuführbar ist und wobei das Gas oder Gasgemisch einen molekularen und einen dissoziierten Anteil umfasst, deren Verhältnis von der Temperatur abhängig ist und eine Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode erzeugt.
Eine ähnliche Vorrichtung wird in der DE 10 2004 091 925 A1 beschrieben.
Durch die DE 693 13 152 T2 ist eine durch Lichtenergie aufladbare Luftbatterie bekannt geworden, umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen die positive Elektrode und die negative Elektrode verbindenden Elektrolyten und ein Batteriegehäuse zur Aufnahme der negativen Elektrode, der positiven Elektrode und des Elektrolyten. Die negative Elektrode umfasst ein Metallmaterial, das während der Entladung der Batterie oxidiert werden kann und ein Oxid des genannten Materials, das halbleitend ist, wobei eine Licht transmittierende Komponente zum Injizieren des Lichtes, mit dem das Batteriegehäuse bestrahlt wird, in der negativen Elektrode vorgesehen ist. Die positive Elektrode umfasst einen Sauerstoff-Katalysator für die Reduktion von Sauerstoff umfasst, wobei die durch Licht aufladbare Luftbatterie entladen wird durch Reduktion von Sauerstoff und durch Oxidation des Metallmaterials, das die negative Elektrode aufbaut. Die Luftbatterie wird aufgeladen durch Reduktion des Metallmaterials unter Verwendung von Lichtenergie, das die negative Elektrode aufbaut, das durch die Entladung oxidiert worden ist, und wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, die es ermöglicht, dass Außenluft mit der positiven Elektrode in Kontakt kommt. Die positive Elektrode besteht aus porösem Carbon oder Nickel in Kombination mit unterschiedlichen Verbindungen, wobei auch Spinelle als Gruppe genannt werden.
Die negative Elektrode besteht aus Metallen der gesamten Übergangsmetalle bzw. deren Oxiden. Der Elektrolyt besteht aus Alkalihydroxiden mit Zugabe von Ammoniumchlorid. Potentiale von 1 Volt werden beschrieben. Durch den vorab beschriebenen Stand der Technik ist es unter anderem bekannt, dass bestimmte oxidische Strukturen, insbesondere Spinelle, die Fähigkeit besitzen, durch reversible Aufnahme von Sauerstoff oder Wasserstoff Änderungen in elektrischen Zuständen herbeizuführen, die dann in Form von elektrischer Energie nutzbar gemacht werden können.
In der DE 10 2004 019 925 A1 ist ein System, basierend auf einem Eisen(II)-Eisen(III)-Spinell (Magnetit) beschrieben.
In der US 2004/0232893 werden darüber hinaus auch Chrom(III)-Magnesium(II)-Spinelle abgehandelt.
In der DE 10 2006 035 524 B3 wird eine photoaktive Substanz auf Basis von dotiertem Zirkoniumoxid beschrieben.
All diesen Systemen ist eigen, dass es sich im Wesentlichen um genau definierte oxidische Strukturen handelt, die über Störstellen verfügen, in welche Sauerstoffionen bzw. Wasserstoffionen reversibel eingebaut werden können. Strukturen mit Störstellen sind oftmals anfällig gegenüber Alterungsprozessen. Durch Zugabe von Dotierungen wird versucht, diese Prozesse kinetisch aufzuhalten. Darüber hinaus erfordert der Einbau von Sauerstoffionen bzw. Wasserstoffionen auf Störstellen einen nicht unerheblichen Energieaufwand, der thermodynamisch zu Lasten einer hohen Potenzialdifferenz (elektrischen Spannung) geht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sich, von bisher im Einsatz befindlichen Solarzellen, werkstoffmäßig deutlich unterscheidende Solarzelle bereit zu stellen, die einfach im Aufbau und in der Lage ist, Lichtenergie in eine hohe Potenzialdifferenz (elektrische Spannung) umzuwandeln.
Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle vorgestellt werden, mit welchem die gewünschten Eigenschaften in der Solarzelle eingestellt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer aus mindestens zwei metallischen Bauteilen bestehenden Solarzelle, indem eine Legierung, die 15 bis 35 Gew.-% Cr und mindestens 60 Gew.-% Fe + Ni sowie bedarfsweise weitere Begleitelemente enthält, für einen Zeitraum von 5 bis 50 Minuten bei einer Temperatur von 500 bis 1.000°C unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre thermisch dergestalt behandelt wird, dass sich auf der Oberfläche der jeweiligen metallischen Bauteile oxidische Schichten – insbesondere Spinellstrukturen – ausbilden, die metallischen Bauteile mit einander zugewandten oxidischen Schichten mit vorgebbarem Abstand in sauerstoff- und/oder wasserdampfhaltiger Atmosphäre zueinander platziert zumindest partiell und elektrisch miteinander unter Ausbildung eines elektrischen Stromkreises in Wirkverbindung gebracht werden, und dass nur eines der metallischen Bauteile dem Licht ausgesetzt wird, während das andere metallische Bauteil vor der Lichteinwirkung geschützt ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Solarzelle, bestehend aus zumindest zwei thermisch behandelten metallischen Bauteilen einer Legierung mit (in Gew.-%)

Cr 15–35%

Ni + Fe min. 60%

Begleitelemente bedarfsweise

Mn, Mo, Cu, Si

sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen,
wobei sich auf der Oberfläche der Bauteile oxidische Schichten – insbesondere Spinellstrukturen – befinden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Solarzelle sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.
Begleitelemente können einzeln oder in Kombination in der Legierung (in Gew.-%) enthalten sein

Mn bis zu 2%

Mo bis zu 7%

Cu bis zu 2%

Si bis zu 1%.
Die metallischen Bauteile werden vorteilhafterweise durch Folien vorgebbarer Materialstärke, beispielsweise 0,01 bis 0,2 mm gebildet, wobei bedarfsweise zur Herstellung der erfindungsgemäßen Solarzelle unterschiedliche Materialstärken der miteinander in Wirkverbindung stehenden thermisch behandelten metallischen Bauteile zum Einsatz gelangen können.
Das eine metallische Bauteil übergreift das andere metallische Bauteil im Wesentlichen vollständig, so dass nur eines der metallischen Bauteile dem Licht ausgesetzt ist.
Beide Bauteile sind partiell elektrisch miteinander unter Ausbildung eines elektrischen Stromkreises verbunden.
In Folge der thermischen Behandlung der metallischen Bauteile werden auf der Oberfläche der metallischen Bauteile oxidische Strukturen – insbesondere Spinellstrukturen – gebildet.
Eine zu kurze thermische Behandlung hat eine unzureichende Ausbildung der erfindungsgemäßen oxidischen Strukturen zur Folge. Eine zu lange und zu intensive thermische Behandlung und/oder eine zu hohe Materialstärke der Folien bewirken dagegen, dass alle Oktaederplätze in den Spinellstrukturen von Chrom(III)-Ionen besetzt und Nickel(II)-Ionen auf Tetraederplätze dirigiert werden.
Damit fehlt die Stelle für den reversiblen Sauerstoffeinbau und es kommt nicht zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Oxidstrukturen.
Im Folgenden wird eine beispielhafte Legierung angegeben, die in Form von Folien zur Herstellung der erfindungsgemäßen Solarzelle eingesetzt werden kann.
Die Legierung wird gebildet durch folgende Elemente (in Gew.-%):

Ni 31%

Cr 27%

Fe Rest.
An Begleitelementen sind folgende Elemente (in Gew.-%) in der Legierung enthalten:

Mn 1,5%

Cu 1,5%

Mo 6%

Si 0,3%.
Für einen Versuch wurden Folien der Stärke 0,02 und 0,2 mm eingesetzt. Die Folien wurden für 8 Minuten bei 800°C in einem Muffelofen unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre einer thermischen Behandlung unterzogen, wobei vor der Wärmebehandlung eine Reinigung der Folienoberflächen vorgenommen wurde. In Folge der gewählten Legierungszusammensetzung, der Folienstärke und der thermischen Behandlung werden im oberflächennahen Bereich der Folien definierte oxidische Schichten (NiO bzw. Cr₂O₃) und definierte Spinellstrukturen (FeO × Cr₂O₃ bzw. NiO × Fe₂O₃) ausgebildet.
Die so oberflächenmäßig modifizierten Folien werden partiell elektrisch so miteinander verbunden, dass sich ein elektrischer Stromkreis ergibt.
Die eine Folie übergreift hierbei die andere Folie im Wesentlichen vollständig, so dass nur eine der Folien dem Licht ausgesetzt wird. Durch den Erfindungsgegenstand wird somit in der dem Licht zugewandten Folie eine FeO × Cr₂O₃-Spinellstruktur mit Eisen(II)-Ionen auf Tetraederplätzen und eine NiO-Oxidstruktur ausgebildet. In der im Dunkeln gehaltenen Folie wird eine NiO × Fe₂O₃-Spinellstruktur mit Eisen(III)-Ionen auf Tetraederplätzen und eine Cr₂O₃-Oxidstruktur erzeugt, wobei die oxidische Struktur im Dunkeln ein Sauerstoffatom mehr enthält. Mit derartig hergestellten Musterstücken konnten unter Lichteinwirkung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, in diesem Beispiel Raumluft, über ein Potentiometer elektrische Spannungen bis zu 10 V gemessen werden.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben:
Die Figur zeigt den vorab beschriebenen Versuchsaufbau der Solarzelle als Prinzipskizze. Erkennbar sind die als Folien ausgebildeten metallischen Bauteile 1, 2. Die vorab thermisch behandelten Folien 1, 2 weisen nach der thermischen Behandlung oxidische Schichten 1', 1'', 2', 2'' mit den beschriebenen Spinell- und Oxidstrukturen auf. Spinell- und Oxidstrukturen werden als mineralische Strukturen, bestehend aus Metallkationen und Sauerstoffanionen angesehen. Die Folien 1, 2 sind über metallische Leiter 3, 4 partiell elektrisch miteinander verbunden. Die Folie 2 ist dem Licht 5 zugewandt, deckt gleichzeitig die Folie 1 weitestgehend ab, so dass selbige im Dunkeln liegt. Für den Versuch wurden im Bereich der Leiter 3, 4 Dioden 6, 7 sowie ein als LED ausgebildeter Verbraucher 8 integriert.
Die Umwandlung der Lichtenergie in elektrochemische Energie erfolgt in der Art, dass die energieärmere chemische Struktur (NiO × Fe₂O₃ + 2Cr₂O₃) unter Lichteinwirkung in die energiereichere chemische Struktur (2FeO × Cr₂O₃ + NiO) umgewandelt wird, wobei Sauerstoff abgespalten wird. Da die oxidischen Strukturen direkt mit der metallischen Legierung in Verbindung stehen, ist ein Spannungsabgriff durch die Leiter 3, 4 über die metallische Legierung der Folien 1, 2 möglich.
Der Abstand der Folien 1, 2 ist zur besseren Darstellung vergrößert dargestellt, beträgt in der Praxis jedoch weniger als 2 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 01/57932 [0003]
- WO 97/38145 [0004]
- WO 02/065571 A1 [0005]
- DE 102004091925 A1 [0006]
- DE 69313152 T2 [0007]
- DE 102004019925 A1 [0009]
- US 2004/0232893 [0010]
- DE 102006035524 B3 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer aus mindestens zwei metallischen Bauteilen (1, 2) bestehenden Solarzelle, indem eine Legierung, die 15 bis 35 Gew.-% Cr und mindestens 60 Gew.-% Fe + Ni sowie bedarfsweise weitere Begleitelemente enthält, für einen Zeitraum von 5 bis 50 Minuten bei einer Temperatur von 500 bis 1.000°C unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre thermisch dergestalt behandelt wird, dass sich auf der Oberfläche der jeweiligen metallischen Bauteile (1, 2) oxidische Schichten (1', 1'', 2', 2'') – insbesondere Spinellstrukturen – ausbilden, die metallischen Bauteile (1, 2) mit einander zugewandten oxidischen Schichten (1', 1'', 2', 2'') mit vorgebbarem Abstand in sauerstoff- und/oder wasserdampfhaltiger Atmosphäre zueinander platziert und zumindest partiell elektrisch miteinander unter Ausbildung eines elektrischen Stromkreises in Wirkverbindung gebracht werden, und dass nur eines der metallischen Bauteile (2) dem Licht (5) ausgesetzt wird, während das andere metallische Bauteil (1) vor der Lichteinwirkung geschützt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Bauteile (1, 2) Folien mit vorgebbarer Materialstärke eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die jeweils thermisch zu behandelnde Oberfläche des jeweiligen metallischen Bauteils (1, 2) vor der thermischen Behandlung einer Reinigung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch thermische Behandlung der Folien (1, 2) bei einer Temperatur von 500 bis 850°C im oberflächennahen Bereich der Folien (1, 2) oxidische Schichten (1', 1'', 2', 2'') – insbesondere Spinellstrukturen – aufgebaut werden.
Solarzelle, bestehend aus mindestens zwei thermisch behandelten metallischen Bauteilen (1, 2) einer Legierung mit (in Gew.-%) Cr 15–35% Ni + Fe min. 60% Begleitelemente bedarfsweise Mn, Mo, Cu, Si

sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei sich auf der Oberfläche der Bauteile (1, 2) oxidische Schichten (1', 1'', 2', 2'') – insbesondere Spinellstrukturen – befinden.
Solarzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidischen Schichten (1', 1'', 2', 2'') der metallischen Bauteile (1, 2) einander mit definiertem Abstand zugewandt und die metallischen Bauteile (1, 2) elektrisch miteinander unter Ausbildung eines elektrischen Stromkreises verbunden sind.
Solarzelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in sauerstoff- und/oder wasserdampfhaltiger Atmosphäre das eine metallische Bauteil (2) das andere metallische Bauteil (1) im Wesentlichen vollständig übergreift, so dass nur eines der metallischen Bauteile (2) dem Licht (5) ausgesetzt ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an Begleitelementen in der Legierung einzeln oder in Kombination (in Gew.-%) Mn bis zu 2% Mo bis zu 7% Cu bis zu 2% Si bis zu 1%.

gegeben ist bzw. sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige metallische Bauteil (1, 2) als Folie ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Folien (1, 2) zwischen 0,01 und 0,2 mm beträgt.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb einer Solarzelle zum Einsatz gelangenden Folien (1, 2) mit unterschiedlichen Dicken versehen sind.