WO2001011702A1 - Elektrode und photoelektrochemische vierschicht-zelle sowie verfahren zur herstellung einer elektrolyt- und/oder kohlenstoffhaltigen, druckfähigen paste und elektrode - Google Patents

Elektrode und photoelektrochemische vierschicht-zelle sowie verfahren zur herstellung einer elektrolyt- und/oder kohlenstoffhaltigen, druckfähigen paste und elektrode Download PDF

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electrolyte- or or carbon-containing, printable paste, in particular as an electrode material for a photoelectrochemical cell, a method for producing an electrode, in particular an electrolyte-containing counter electrode of a photoelectrochemical cell, and to an electrolyte-containing electrode and a photoelectrochemical Cell itself.
  • Dye-sensitized photoelectrochemical cells which use a material with a very large band gap, such as titanium dioxide, as a semiconductor. Since such a semiconductor with a large band gap leads to the fact that, in particular, low-energy solar radiation is absorbed to a lesser extent, the sensitivity in such photoelectrochemical cells is increased by a dye layer applied to the semiconductor layer.
  • the functions of light absorption and charge carrier separation which take place in a single material in conventional solar cells, such as silicon solar cells, are separated in such dye-sensitized cells. The light absorption takes place essentially in the dye-sensitized layer, also called chromophore layer, while the charge carrier separation takes place at the semiconductor / dye layer interface.
  • a ruthenium (Ru) -containing dye is preferably used as the dye for the sensitized dye layer.
  • Suitable electrolytes for such photoelectrochemical cells are iodide, bromide, hydroquinone or other redox systems.
  • Metal oxide semiconductors in particular titanium oxide, are usually used as the electrode.
  • a photoelectrochemical cell as described above is known for example from EP 0584307 B1.
  • Carbon pastes are produced, which are applied to the corresponding substrate, for example TCO glass, and then annealed or fired in order to obtain a stable layer.
  • the light-absorbing layer usually a TiO 2 layer
  • the light-absorbing layer can only be sensitized after the carbon paste has been fired or tempered, since the dye is sensitive to temperature and is destroyed during firing. As a result, a lot of dye is required for the sensitization.
  • the soot-containing paste can be produced on the basis of all suitable electrolytes that have previously been used for the photoelectrochemical cell. Basically, the soot or graphite will not have a functional interaction with the electrolytic components. The invention can thus also be used in the case of electrolytes still to be developed in the future.
  • the suspension obtained is then stirred in order to obtain an essentially homogeneous distribution. Finally, the homogenized suspension is treated with ultrasound, so that a printable, stiff paste is produced.
  • the pastes can be characterized by their impedance.
  • carbon black carbon with a high agglomeration ability and a high structure (fir tree), that is to say with a large microscopic surface and a surface-weight ratio of more than 20 m / g, here referred to as carbon black.
  • conductivity blacks those with the highest possible electrical conductivity, resistance values of maximum 10 " ⁇ are acceptable.
  • carbon with a low agglomeration ability and a small structure (wooden pile), that is to say with a small microscopic surface, but in one direction with a very low resistance, referred to here as graphite, is used.
  • the resistance of the graphite used is of the order of 10 " ⁇ or less.
  • the method according to the invention provides a printable, stiff paste which has a consistency which enables the paste to be used as an electrode or electrolyte in a photoelectrochemical cell. Burning or tempering can also be completely dispensed with. This prevents the dye from being destroyed and the light-absorbing layer can be sensitized directly with a dye layer. This avoids the high loss of dye due to the absorbing properties of carbon in carbon electrodes, so that less dye has to be used for the sensitization, which leads to a significant reduction in costs.
  • the amount of electrolyte salt can be reduced. It has been shown that a reduction to 40% of the amounts originally contained in the pure electrolyte has a favorable effect on the strength of the paste.
  • Electrolyte salts and electrolyte auxiliaries are preferably present in the solvent in a concentration such as is used for the photoelectrochemical cell, in particular for the electrolytes in a photoelectrochemical cell.
  • y-butyrolactone is used as the solvent.
  • Degussa carbon black FW 200 is particularly suitable as a carbon black with a large microscopic surface
  • Degussa carbon black XE2 is particularly suitable as a carbon black.
  • Timcal Timrex SFG 44 or Timcal Timrex SFG 75 is preferably used as graphite with a very low resistance.
  • the suspension with the added particles is preferably stirred for 5 minutes and then treated with ultrasound in an ultrasound bath for about 15 minutes.
  • the length of the ultrasound treatment depends on the radiated power and is carried out until the paste has the desired consistency.
  • the paste should have no flowability and should only be spreadable.
  • ultrasound is irradiated with a power density of approximately 1 W / cm onto a paste with a volume of 20 cm over a period of 15 minutes.
  • an electrolyte- or or carbon-containing, printable paste is provided.
  • the paste is applied to a substrate or a composite substrate and adapted.
  • the paste is applied directly to the porous light-reflecting insulator layer, which covers the light-absorbing layer which has been sensitized with a dye layer and which is arranged on an electrode of the photoelectrochemical cell.
  • the layer After the paste has been applied and pressed onto the substrate, the layer is already in its operational state; firing or annealing of the layer in order to obtain a firmer consistency is not necessary, so that a very fast and therefore inexpensive process for producing an electrolyte-containing one is necessary Electrode is provided.
  • a graphite layer is preferably also applied to the applied and pressed paste, in particular by dusting. This provides a thin, very conductive layer.
  • the graphite layer must be opaque so that there is horizontal conductivity. One or two layers of graphite particles are sufficient. The thickness of the layer is therefore dependent on the particle size of the graphite particles, but also on the sputtering technique.
  • An electrolyte-containing electrode according to the invention is used in particular as an electrolyte-containing counter electrode of a photoelectrochemical cell and comprises an electrolyte-containing, carbon-containing, printable paste.
  • This layer consisting of the electrolyte-containing, carbon-containing paste can be covered on one side with a further dusted graphite layer.
  • the electrolyte-containing electrode is preferably produced by a method as described above, the same applies to the electrolyte-, carbon-containing, printable paste.
  • the electrode can be manufactured completely at room temperature, there is no annealing or burning and subsequent lengthy filling with air bubbles Dye and electrolyte are necessary when used in a photoelectrochemical cell, so that the manufacturing process is considerably simplified and cheaper.
  • the electrolyte-containing electrode has comparable characteristics to conventional electrodes, so that no or very little power or. Loss of efficiency can be expected when using the electrolyte-containing electrode according to the invention in photoelectrochemical cells.
  • the thickness of the electrode can be adapted to the desired objectives, the usual thicknesses when used in photoelectrochemical cells are in a range from 10 to 100 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m.
  • the electrode arrangement preferably has a conductive layer and / or an insulating layer, the conductive layer being able to serve as an additional electrode element, while the insulating layer enables the electrode arrangement or the photoelectrochemical cell to be shielded.
  • an electrode, a membrane as an insulation layer, an electrolyte-containing counterelectrode and a photoelectrochemical cell comprising a light-absorbing layer sensitized with a dye layer comprises a counterelectrode and an electrolyte which are integrally formed and consist of a layer of an electrolyte-, carbon-containing, printable paste.
  • the carbon-containing, printable paste is produced in particular by a method as described above.
  • Such a photoelectrochemical cell is simple and inexpensive to manufacture, without having to accept a decisive loss in performance, in particular a reduced efficiency of the photoelectrochemical cell, in comparison with conventional cells.
  • the cost-benefit value of a cell according to the invention is significantly improved by the electrolyte-containing counter electrode compared to the prior art.
  • a particularly advantageous photoelectrochemical cell has an additional graphite layer on the carbon-containing paste that has been dusted on. Furthermore, the electrode and / or the combination of counter electrode and electrolyte is additionally covered with an electrically conductive layer.
  • This Electrically conductive layer can serve as an electrode element and can provide a particularly powerful electrode arrangement.
  • the photoelectrochemical cell in particular the at least one electrically conductive layer, is preferably covered with at least one insulating layer which terminate the photoelectrochemical cell from the outside.
  • a ruthenium (Ru) -containing dye is preferably used as the dye for the sensitized coloring material layer; metal, ITO or a conductive glass has proven to be advantageous as the material for the conductive layers.
  • FIG. 1 shows schematically a layer structure of an embodiment of a photoelectrochemical cell according to the invention, in which an embodiment of an electrolyte-containing counter electrode according to the invention is integrated.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of cell 1 according to the invention. It is expressly pointed out that the layer thicknesses are not shown to scale, but only serve to explain and depict the basic structure.
  • the individual layers are composed as follows:
  • the TiO 2 layer is porous and has a rough surface to which a dye layer 50, also called a chromophore layer, is applied.
  • a ruthenium-containing dye was used as the dye in this embodiment.
  • the combination of the TiO 2 layer 40 and the dye layer 50 is referred to as the light-absorbing layer.
  • the second layer of the four-layer cell consists of a light-reflecting insulation layer 80 which is applied to the light-absorbing layer 40, 50 sensitized with a dye layer.
  • the third layer of the four-layer cell, the electrode-electrolyte combination layer 30, is printed directly in the form of the electrolyte-, carbon-containing, printable paste on the second layer and then with a stamp to obtain thin layers, in the insulation layer 80, with a print from about 100 to 50,000 Pa (1 to 500 g / cm 2 ).
  • Paste 30 has a proportion of 10% by weight of Degussa carbon black FW 200 and a proportion of 8% by weight of Timcal Timrex SFG 44 graphite. Before application to the light-absorbing layer 40, 50, the paste was stirred for five minutes and then 15 Minutes treated with ultrasound.
  • the fourth layer of the four-layer cell which consists of a thin graphite layer 31 comprising a few layers, is dusted onto the third layer, the printable paste 30 containing electrolyte and or carbon.
  • an ITO layer is additionally provided as the conductive carrier 20.
  • the photoelectrochemical cell described is closed on both sides by an insulating layer 60, 70.
  • the insulating layers are preferably made of transparent material, such as plastic or glass.
  • At least one of the insulating layers 60, 70 must be transparent to the light to be converted into electrical energy so that it can reach the light-absorbing layer 40, 50.
  • the insulating layer 60 is made of transparent plastic and faces the light to be converted into electrical energy
  • the insulating layer 70 is made of non-transparent plastic.

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Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektrolyt-, kohlenstoffhaltigen, druckfähigen Paste, insbesondere als Elektrodenmaterial für eine elektrolythaltige Gegenelektrode für die photoelektrochemische Zelle, mit den Schritten: Bereitstellen eines Lösungsmittels, das Elektrolytsalze und Elektrolythilfsmittel enthält; Zusetzen von Russ, z.B. mit grosser Oberfläche und/oder eines Leitfähigkeitsrusses und Zusetzen von Graphit z.B. mit sehr kleinem Widerstand, so dass eine Suspension erzeugt wird; Rühren des den Russ und den Kohlenstoff enthaltenden Lösungsmittels, so dass eine im wesentlichen homogene Suspension erzeugt wird; Behandeln der homogenisierten Suspension mit Ultraschall, so dass eine druckfähige steife Paste ensteht.

Description

ELEKTRODE UND PHOTOELEKTROCHEMISCHE VIERSCHICHT-ZELLE SOWIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ELEKTROLYT- UND/ODER KOHLENSTOFFHALTIGEN , DRUCKFÄHIGEN PASTE UND ELEKTRODE
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer elektrolyt- und oder kohlenstoffhaltigen, druckfähigen Paste, insbesondere als Elektrodenmaterial für eine photoelektrochemische Zelle, ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, insbesondere einer elektrolythaltigen Gegenelektrode einer photoelektrochemischen Zelle, sowie auf eine elektrolythaltige Elektrode und eine photoelektrochemische Zelle selbst.
Es sind farbstoffsensibilisierte photoelektrochemische Zellen bekannt, die als Halbleiter ein Material mit sehr großer Bandlücke, wie Titandioxid, verwenden. Da ein solcher Halbleiter mit einer großen Bandlücke dazu führt, daß insbesondere niederenergetische Sonneneinstrahlung nur in geringerem Ausmaß absorbiert wird, wird die Empfindlichkeit bei solchen photoelektrochemischen Zellen durch eine auf die Halbleiterschicht aufgebrachte Farbstoffschicht erhöht. Die Funktionen der Lichtabsorption und der Ladungsträgertrennung, die bei konventionellen Solarzellen, wie zum Beispiel Siliziumsolarzellen, in einem einzigen Material stattfinden, sind bei solchen farbstoffsensibilisierten Zellen getrennt. Die Lichtabsorption findet im wesentlichen in der farbstoffsensibilisierten Schicht, auch Chromophorschicht genannt, statt, während die Ladungsträgertrennung an der Grenzschicht Halbleiter/Farbstoffschicht stattfindet.
Als Farbstoff für die sensibilisierte Farbstoffschicht wird bevorzugt ein Ruthenium (Ru) haltiger Farbstoff eingesetzt.
Als Elektrolyten für solche photoelektrochemischen Zellen sind beispielsweise Jodid, Bromid, Hydrochinon oder andere Redoxsysteme geeignet.
Als Elektrode werden üblicherweise Metalloxidhalbleiter, insbesondere Titanoxid, verwendet. Eine photoelektrochemische Zelle, wie sie oben beschrieben ist, ist beispielsweise aus der EP 0584307 Bl bekannt.
Als besonders vorteilhaft haben sich bei den photoelektrochemischen Zellen Gegenelektroden aus Kohlenstoff erwiesen. Es werden Kohlenstoff-Pasten hergestellt, die auf das entsprechende Substrat, beispielsweise TCO-Glas, aufgebracht und dann getempert bzw. gebrannt werden, um eine stabile Schicht zu erhalten.
Die lichtabsorbierende Schicht, übHcherweise eine Tiθ2-Schicht, kann erst nach dem Brennen bzw. Tempern der Kohlenstoff-Paste sensibilisiert werden, da der Farbstoff temperaturempfindhch ist und beim Brennen zerstört wird. Dies hat zur Folge, daß für die Sensibilisierung viel Farbstoff benötigt wird.
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer photoelektrochemischen Zelle mit einer Gegenelektrode aus Kohlenstoff sowie des dazu erforderlichen Materials und eine entsprechende Elektrode und photoelektrochemische Zelle zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch die Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch die Elektrode gemäß Anspruch 3 und die photoelektrochemische Zelle gemäß Anspruch 6 gelöst. Die Ansprüche 2, 4 bis 5, 7 bis 9 und 10 stellen besonders vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen dar. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer elektrolyt.- und oder kohlenstoffhaltigen, druckfähigen Paste, insbesondere als Elektrodenmaterial für eine photochemische Zelle, wird ein Lösungsmittel bereitgestellt, das mit Elektrolytsalzen und Elektrolythilfsmitteln versetzt ist.
Dem Lösungsmittel werden 1 bis 30 Gew.-% eines Rußes mit großer Oberfläche und/oder eines Leitfähigkeitsrußes und 1 bis 30 Gew.-% eines Graphits mit sehr kleinem Widerstand zugesetzt. Der Gewichtsanteil ist von den jeweilig eingesetzten elektrolytischen Komponenten abhängig.
Prinzipiell kann die rußhaltige Paste auf Basis aller geeigneten und auch bisher für die photoelektrochemische Zelle verwendeten Elektrolyten hergestellt werden. Grundsätzlich werden der Ruß oder das Graphit nicht in einer funktionellen Wechselwirkung mit den elektrolytischen Komponenten stehen. Somit ist die Erfindung auch bei zukünftig noch zu entwickelnden Elektrolyten einsetzbar.
Daraufhin wird die erhaltene Suspension gerührt, um eine im wesentlichen homogene Verteilung zu erhalten. Abschließend wird die homogenisierte Suspension mit Ultraschall behandelt, so daß eine druckfähige steife Paste entsteht.
Die Pasten können durch ihre Impedanz charakterisiert werden.
Zur Erlangung der benötigten Steifheit und Druckfähigkeit der erfindungsgemäßen Paste wird Kohlenstoff mit einer hohen Agglomerationsfähigkeit und einer hohen Struktur (Tannenbaum) also mit einer großen mikroskopischen Oberfläche und einem Oberflächen-Gewicht- Verhältnis über 20 m /g, hier als Ruß bezeichnet, eingesetzt. Als Leitfähigkeitsruße werden solche mit möglichst hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet, Widerstandswerte von maximal 10" Ω sind akzeptabel.
Zur Verbesserung des elektrischen Widerstandes der erfindungsgemäßen Paste wird Kohlenstoff mit einer geringen Agglomerationsfähigkeit und einer geringen Struktur (Holzpfahl) also mit einer kleinen mikroskopischen Oberfläche, dafür aber in einer Richtung mit einem sehr kleinen Widerstand, hier als Graphit bezeichnet, verwendet. Der Widerstand des verwendeten Graphits hegt in der Größenordnung von 10" Ω oder darunter. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine druckfahige steife Paste zur Verfügung gestellt, die eine Konsistenz aufweist, die einen Einsatz der Paste als Elektrode bzw. Elektrolyt in einer photoelektrochemischen Zelle ermöglicht. Ebenso kann auf ein Brennen bzw. Tempern vollständig verzichtet werden. Eine Zerstörung des Farbstoffes ist damit ausgeschlossen, und die lichtabsorbierende Schicht kann direkt mit einer Farbstoffschicht sensibilisiert werden. Dadurch werden die aufgrund der absorbierenden Eigenschaften des Kohlenstoffs bei Kohlenstoff-Elektroden auftretenden hohen Farbstoffverluste vermieden, so daß für die Sensibilisierung weniger Farbstoff eingesetzt werden muß, was zu einer deutlichen Kostensenkung führt.
Vorteilhaft ist weiter, dass die Menge an Elektrolytsalz reduziert werden kann. Es hat sich gezeigt, daß eine Reduktion bis auf 40 % der ursprünglich im reinen Elektrolyten enthaltenen Mengen sich auf die Festigkeit der Paste günstig auswirkt.
Bevorzugt sind in dem Lösungsmittel Elektrolytsalze und Elektrolythilfsmittel jeweils in einer Konzentration vorhanden, wie sie für die photoelektrochemische Zelle, insbesondere für die Elektrolyten in einer photoelektrochemischen Zelle, verwendet werden. Als Lösungsmittel wird insbesondere y-Butyrolacton verwendet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß etwa 10 Gew.-% eines Rußes mit großer Oberfläche und/oder eines Leitfähigkeitsrußes zugesetzt werden. Ebenso als vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß etwa 8 Gew.-% eines Graphits mit sehr kleinem Widerstand zugesetzt werden. Dadurch können besonders hohe Wirkungsgrade der photoelektrochemischen Zelle erzielt werden.
Als Ruß mit großer mikroskopischer Oberfläche eignet sich insbesondere Degussa- Ruß FW 200, als Leitfähigkeitsruß insbesondere Degussa-Ruß XE2. Als Graphit mit sehr kleinem Widerstand wird bevorzugt Timcal Timrex SFG 44 oder Timcal Timrex SFG 75 verwendet.
Um eine im wesentlichen homogene Suspension zu erzeugen, wird die Suspension mit den zugesetzten Partikeln bevorzugt 5 Minuten gerührt und danach ca. 15 Minuten im Ultraschallbad mit Ultraschall behandelt. Die Länge der Ultraschallbehandlung hängt von der eingestrahlten Leistung ab und wird solange durchgeführt bis die Paste die gewünschte Konsistenz aufweist. Die Paste sollte keine Fließfähigkeit aufweisen und ausschließlich streichfähig sein. Bei einem besonders bevorzugten Verfahren wird Ultraschall mit einer Leistungsdichte von ca. 1 W/cm auf eine Paste mit einem Volumen von 20 cm über einen Zeitraum von 15 Minuten eingestrahlt.
Bei dem erfindungs gemäßen Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, insbesondere einer elektrolythaltigen Elektrode einer photoelektrochemischen Zelle, wird eine elektrolyt- und oder kohlenstoffhaltige, druckfähige Paste bereitgestellt. Die Paste wird auf ein Substrat oder einen Substratverbund aufgebracht und angepaßt.
Zur Herstellung einer photoelektrochemischen Zelle wird die Paste direkt auf die poröse lichtreflektierende Isolatorschicht aufgebracht, welche die mit einer Farbstoffschicht sensibilisierte lichtabsorbierende Schicht bedeckt, die auf einer Elektrode der photoelektrochemischen Zelle angeordnet ist.
Nach dem Aufbringen und Aufpressen der Paste auf das Substrat weist die Schicht bereits ihren einsatzfähigen Zustand auf, ein Brennen oder Tempern der Schicht, um eine festere Konsistenz zu erhalten, ist nicht notwendig, so daß ein sehr schnelles und damit kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer elektrolythaltigen Elektrode bereitgestellt wird.
Bevorzugt wird auf die aufgebrachte und angepreßte Paste ferner eine Graphitschicht aufgebracht, insbesondere durch Aufstäuben. Dadurch wird eine dünne, sehr leitfähige Schicht zur Verfügung gestellt. Die Graphitschicht muß deckend sein, so daß eine horizontale Leitfähigkeit gegeben ist. Eins oder zwei Lagen Graphitteilchen sind ausreichend. Die Dicke der Schicht ist damit abhängig von der Partikelgröße der Graphitteilchen, aber auch von der Aufstäubetechnik.
Eine erfindungsgemäße elektrolythaltige Elektrode wird insbesondere als elektrolythaltige Gegenelektrode einer photoelektrochemischen Zelle eingesetzt und umfaßt eine elektrolyt-, kohlenstoffhaltige, druckfähige Paste. Diese aus der elektrolyt-, kohlenstoffhaltigen Paste bestehenden Schicht kann einseitig mit einer weiteren aufgestäubten Graphitschicht bedeckt sein. Die elektrolythaltige Elektrode ist bevorzugt nach einem Verfahren, wie es oben beschrieben ist, hergestellt, gleiches gilt für die elektrolyt-, kohlenstoffhaltige, druckfähige Paste. Die Elektrode ist im wesenthchen vollständig bei Raumtemperatur herstellbar, es ist kein Tempern oder Brennen und anschließendes langwieriges luftblasenfreies Auffüllen mit Farbstoff und Elektrolyt beim Einsatz in einer photoelektrochemischen Zelle notwendig, so daß der Herstellungsprozeß wesentlich vereinfacht und verbilligt wird.
Die elektrolythaltige Elektrode weist vergleichbare charakteristische Eigenschaften wie konventionelle Elektroden auf, so daß keine oder nur sehr geringe Leistungsbzw. Effizienzeinbußen beim Einsatz der erfindungsgemäßen elektrolythaltigen Elektrode in photoelektrochemischen Zellen zu erwarten sind. Die Dicke der Elektrode ist den gewünschten Zielvorstellungen anpaßbar, übliche Dicken liegen beim Einsatz in photoelektrochemischen Zellen in einem Bereich von 10 bis 100 μm, bevorzugt bei 20 μm.
Die Elektrodenanordnung weist bevorzugt eine leitfähige Schicht und/oder eine Isolierschicht auf, wobei die leitfähige Schicht als zusätzliches Elektrodenelement dienen kann, während die Isolierschicht eine Abschirmung der Elektrodenanordnung bzw. der photoelektrochemischen Zelle ermöglicht.
Eine Elektrode, einen Membran als Isolations Schicht, eine elektrolythaltige Gegenelektrode und eine mit einer Farbstoffschicht sensibilisierte lichtabsorbierende Schicht umfassende photoelektrochemische Zelle umfaßt erfindungsgemäß eine Gegenelektrode und ein Elektrolyt, die integral ausgebildet sind und aus einer Schicht aus einer elektrolyt-, kohlenstoffhaltigen, druckfähigen Paste besteht. Die kohlenstoffhaltige, druckfahige Paste ist insbesondere nach einem Verfahren, wie es oben beschrieben ist, hergestellt.
Eine solche photoelektrochemische Zelle ist einfach und preiswert herzustellen, ohne entscheidende Einbußen der Leistungsdaten, insbesondere eine verminderte Effizienz der photoelektrochemischen Zelle, im Vergleich mit konventionellen Zellen hinnehmen zu müssen. Der Kosten-Nutzen-Wert einer erfindungsgemäßen Zelle wird durch die elektrolythaltige Gegenelektrode gegenüber dem Stand der Technik entscheidend verbessert.
Eine besonders vorteilhafte photoelektrochemische Zelle weist eine zusätzliche Graphitschicht auf der kohlenstoffhaltigen Paste auf, die aufgestäubt worden ist. Ferner ist die Elektrode und/oder die Kombination aus Gegenelektrode und Elektrolyt zusätzlich mit einer elektrisch leitenden Schicht abgedeckt. Diese elektrisch leitende Schicht kann als Elektrodenelement dienen und dabei eine besonders leistungsfähige Elektrodenanordnung bereitstellen.
Bevorzugt ist die photoelektrochemische Zelle, insbesondere die mindestens eine elektrisch leitende Schicht, mit mindestens einer Isolierschicht abgedeckt, welche die photoelektrochemische Zelle nach außen abschließen.
Als Farbstoff für die sensibilisierte Färb Stoffschicht wird bevorzugt ein Ruthenium (Ru) haltiger Farbstoff eingesetzt, als Material für die leitfähigen Schichten hat sich Metall, ITO oder ein leitfähiges Glas als vorteilhaft erwiesen.
Die erfindungsgemäßen Merkmale und Vorteile werden durch die einzige beigefügte Figur besonders deutlich.
Dabei zeigt Figur 1 schematisch einen Schichtaufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen photoelektrochemischen Zelle, in der eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrolythaltigen Gegenelektrode integriert ist.
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zelle 1 dargestellt. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Schichtdicken nicht maßstabsgetreu dargestellt sind, sondern lediglich der Erläuterung und Darstellung der prinzipiellen Struktur dienen.
Bei der erfindungsgemäße photoelektrochemische Vierschicht-Zelle, deren Herstellung im wesentlichen durch vier einfache Prozessschritte charackterisiert wird, setzen sich die einzelnen Schichten wie folgt zusammen:
Die erste Schicht, die lichtabsorbierende Schicht 40, hier Titandioxid Tiθ2, welche auf einem leitenden Träger 10, hier Indium-Zinn-Oxid (ITO), aufgebracht wird, wird auf übliche Weise mit tertiärem Butylpyridin oder einem anderen Pyridinderivat behandelt. Die Tiθ2-Schicht ist porös und weist eine rauhe Oberfläche auf, auf die eine Farbstoffschicht 50, auch Chromophorschicht genannt, aufgebracht wird. Als Farbstoff wurde in dieser Ausführungsform ein Ruthenium haltiger Farbstoff verwendet. Als lichtabsorbierende Schicht wird, wie bereits oben erläutert, die Kombination der Tiθ2-Schicht 40 und der Farbstoffschicht 50 bezeichnet. Die zweite Schicht der Vierschicht-Zelle besteht aus einer lichtre flektierende Isolationsschicht 80, die auf die mit einer Farbstoffschicht sensibilisierte lichtabsorbierende Schicht 40, 50 aufgebracht wird.
Die dritte Schicht der Vierschicht-Zelle, die Elektroden-Elektrolyt Kombinationsschicht 30 wird direkt in Form der elektrolyt-, kohlenstoffhaltigen, druckfähigen Paste auf die zweite Schicht gedruckt und anschließend mit einem Stempel zur Erlangung dünner Schichten, in die Isolations Schicht 80, mit einem Druck von etwa 100 bis 50000 Pa (1 bis 500 g/cm2) hineingepreßt. Die Paste 30 hat einen Anteil von 10 Gew.-% Degussa Ruß FW 200 und einen Anteil von 8 Gew.-% Graphit Timcal Timrex SFG 44. Die Paste wurde vor dem Auftragen auf die lichtabsorbierende Schicht 40, 50 fünf Minuten angerührt und dann 15 Minuten mit Ultraschall behandelt.
Die vierte Schicht der Vierschicht- Zelle, welche aus einer dünnen, aus wenige Lagen enthaltenen Graphitschicht 31 besteht, wird auf die dritte Schicht, der elektolyt- und oder kohlenstoffhaltigen, druckfähigen Paste 30 aufgestäubt.
Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist zusätzlich eine ITO-Schicht als leitender Träger 20 vorgesehen.
Die beschriebene photoelektrochemische Zelle wird auf beiden Seiten jeweils durch eine isolierende Schicht 60, 70 abgeschlossen. Die isolierenden Schichten bestehen bevorzugt aus transparentem Material, wie Kunststoff oder Glas.
Zumindest eine der isolierenden Schichten 60, 70 muß für das in elektrische Energie umzuwandelnde Licht durchlässig sein, so daß dieses die lichtabsorbierende Schicht 40, 50 erreichen kann.
Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist die Isoherschicht 60 aus transparentem Kunststoff hergestellt und dem in elektrische Energie umzuwandelnden Licht zugewandt, und die Isolierschicht 70 ist aus nichttransparentem Kunststoff hergestellt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer elektrolythaltigen und oder kohlenstoffhaltigen druckfähigen Paste, insbesondere als Elektrodenmaterial für eine photoelektrochemische Zelle, mit den Schritten:
a) Bereitstellen eines Lösungsmittels, das auch Elektrolytsalze / Elektrolythilfsmittel enthalten kann; b) Zusetzen von Ruß und/oder eines Leitfähigkeitsrußes und/oder eines Graphits, so daß eine Suspension erzeugt wird; c) Herstellen der d ckfahigen steifen Paste durch Rühren des den Ruß und oder Graphit enthaltenden Lösungsmittels, so daß eine im wesentlichen homogene Suspension erzeugt wird; d) und anschließendes Behandeln der homogenisierten Suspension mit Ultraschall bis eine druckfahige steife Paste ensteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Lösungsmittel Elektrolytsalze und Elektrolythilfsmittel jeweils in einer Konzentration vorhanden sind, wie sie für einen Elektrolyt in einer photoelektrochemischen Zelle verwendet werden wobei als Lösungsmittel bevorzugt y-Butyrolacton verwendet wird dem bevorzugt 10 Gew. -% eines Rußes mit großer Oberfläche von 20 m2/g oder darüber und/oder eines Leitfähigkeitsrußes mit einem Widerstand von maximal 10"4 Ω sowie 8 Gew.- % eines Graphits mit einem Widerstand von maximal 10"4 Ω zugesetzt werden und die so erhaltene Suspension 5 Minuten gerührt und 15 Minuten mit Ultraschall behandelt wird.
3. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, insbesondere einer elektrolythaltigen Elektrode einer photoelektrochemischen Zelle, das die folgenden Schritte umfaßt:
a) Bereitstellen einer elektrolyt- und oder kohlenstoffhaltiger druckfähigen Paste, insbesondere einer Paste, die nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 hergestellt ist, b) Aufbringen und Anpressen der Paste auf ein Substrat oder ein Substratverbund, insbesondere auf einen eine Elektrode und mindestens eine lichtabsorbierende Schicht umfassenden Substratverbund fiir eine photoelektrochemische Zelle. c) Aufbringen einer Graphitschicht auf die Paste, bevorzugt durch Aufstäuben.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste mit einem mit Stoff bespannten Stempel auf das Substrat oder den Substratverbund aufgepreßt wird der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Substrat oder der Substratverbund eine lichtreflektierende Isolationsschicht aus Ti02 besteht beziehungsweise, daß die isolierenden Eigenschaften des Substrates oder Substratverbundes zusätzlich durch Lagen aus Tuch, Papier oder Kunststoffolien verstärkt werden.
5. Elektrodenanordnung gemäß der Ansprüche 3 bis 4, insbesondere einer elektrolythaltigen Gegenelektrodenanordnung einer photoelektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine elektrolythaltige und oder kohlenstoffhaltige druckfähige Paste, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, umfasst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Dicke von 10 bis 100 μm, bevorzugt eine Dicke von 20 μm aufweist.
6. Photoelektrochemische Zelle, die umfaßt:
a) eine Elektrode, b) einen Membran als Isolationsschicht c) eine elektrolythaltige Gegenelektrode, d) eine mit einer Farbstoffschicht sensibilisierte lichtabsorbierende Schicht,
dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahren 3 bis 5 die Gegenelektrode und der Elektrolyt integral ausgebildet sind und durch eine Schicht (30) einer elektrolyt-, kohlenstoffhaltigen druckfähigen Paste, insbesondere einer Paste, die nach einem der Verfahren 1 bis 2 hergestellt ist, gebildet wird.
7. Photoelektrochemische Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrolythaltige Gegenelektrode (30) eine Graphitschicht, insbesondere eine aufgestäubte Graphitschicht (31) umfaßt.
8. Photoelektrochemische Zelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (10) und/oder die elektrolythaltige Gegenelektrode (30, 31) mit einer elektrisch leitenden Schicht, Metall, ITO oder ein leitfähiges Glas (10, 20) abgedeckt sind und mindestens eine der elektrisch leitenden Schichten (10, 20) mit einer elektrischen Isolierschicht (60, 70) wofür ein isolierendes Glas, ein isolierender Kunststoff oder andere organische oder anorganische Stoffe eingesetzt werden.
9. Photoelektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoff für die die lichtabsorbierende Schicht (40) eine sensibilisierende Farbstoffschicht (50) eingesetzt ist.
10. Modul bestehend aus photoelektrochemische Zellen oder anderweitige Produkte die eine elektrolythaltige und oder kohlenstoffhaltige druckfähige Paste enthalten, welche nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 hergestellt wurde.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011131627A1 (de) * 2010-04-20 2011-10-27 Varta Microbattery Gmbh Druckbarer elektrolyt

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4293396A (en) * 1979-09-27 1981-10-06 Prototech Company Thin carbon-cloth-based electrocatalytic gas diffusion electrodes, and electrochemical cells comprising the same
US5525440A (en) * 1992-03-11 1996-06-11 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Method for the manufacture of a photo-electrochemical cell and a cell made by this method
US5783325A (en) * 1996-08-27 1998-07-21 The Research Foundation Of State Of New York Gas diffusion electrodes based on poly(vinylidene fluoride) carbon blends
EP0928036A1 (de) * 1998-01-02 1999-07-07 De Nora S.P.A. Gasdiffusionselektroden auf Kohlenfasergewebe für elektrochemische Zellen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3328869A1 (de) * 1983-08-10 1985-02-28 Nukem Gmbh, 6450 Hanau Photovoltaische zelle und verfahren zum herstellen dieser
US5122931A (en) * 1989-12-27 1992-06-16 Nippon Chemi-Con Corporation Solid electrolytic capacitor and a method of producing the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4293396A (en) * 1979-09-27 1981-10-06 Prototech Company Thin carbon-cloth-based electrocatalytic gas diffusion electrodes, and electrochemical cells comprising the same
US5525440A (en) * 1992-03-11 1996-06-11 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Method for the manufacture of a photo-electrochemical cell and a cell made by this method
US5783325A (en) * 1996-08-27 1998-07-21 The Research Foundation Of State Of New York Gas diffusion electrodes based on poly(vinylidene fluoride) carbon blends
EP0928036A1 (de) * 1998-01-02 1999-07-07 De Nora S.P.A. Gasdiffusionselektroden auf Kohlenfasergewebe für elektrochemische Zellen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011131627A1 (de) * 2010-04-20 2011-10-27 Varta Microbattery Gmbh Druckbarer elektrolyt

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