CH684811A5 - Photovoltaic cell having at least one sheet of glass forming its surface and provided with a transparent electrically conductive coating - Google Patents
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Abstract
Description
1 1
CH 684 811 A5 CH 684 811 A5
2 2nd
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Zelle mit mindestens einer ihre Oberfläche bildenden Glasscheibe, die mit einer lichtdurchlässigen, elektrisch leitenden BeSchichtung versehen ist. The invention relates to a photovoltaic cell with at least one glass pane forming its surface, which is provided with a translucent, electrically conductive coating.
Solche Glasscheiben sind mit einer Beschichtung aus Zinndioxid oder Indium-Oxid verwendet worden. Über die betreffenden Versuche mit einer neuen Art photovoltaischer Zellen ist in der Zeitschrift «Schweizer Ingenieur und Architekt» Nr. 13, März 1991, Seiten 292 bis 295 berichtet. Ferner befassen sich mit diesem Gegenstand die US-A 4 927 721 und die WO-91/16719. Such glass panes have been used with a coating of tin dioxide or indium oxide. The relevant experiments with a new type of photovoltaic cell are reported in the magazine "Swiss Engineer and Architect" No. 13, March 1991, pages 292 to 295. US-A 4 927 721 and WO-91/16719 also deal with this subject.
Die Zelle wird gebildet durch zwei, die Beschich-tungen einander zugekehrt, mit einem Abstand von z.B. etwa 20 bis 25 um angeordnete Glasscheiben. Die eine Glasscheibe ist auf der Beschichtung ferner mit einer nach dem Sol-Gel-Verfahren aufgebrachten, kolloidalen Titandioxidschicht versehen, die sich durch einen hohen Rauheitsfaktor auszeichnet und damit als Lichtfalle dient. Eine auf die rauhe Oberfläche der Titandioxidschicht aufgelegte monomolekulare Schicht eines geeigneten Übergangsmetall-Komplexes wirkt als Sensibilisator, derart, dass sie nach Anregung durch sichtbares Licht Elektronen in die Leitungsbande des Titandioxids injiziert. Mit diesem System gelingt es, im Wellenlängenbereich des Absorptionsmaximums des Sen-sibilisators über 80% der einfallenden Photonen in elektrischen Strom umzuwandeln. Die Elektronen gelangen über die angrenzende stromleitende Beschichtung in einen äusseren Stromkreis, wo sie Arbeit verrichten, und zurück zur Zelle in die stromleitende Beschichtung der anderen Glasscheibe. Ein den Zwischenraum zwischen dieser Beschichtung und dem Sensibilisator füllender Elektrolyt, der ein Redoxsystem, z.B. Jod/Jodid, enthält, transportiert die Elektronen weiter und auf die monomolekulare Schicht des Sensibilisators zurück. Die Zellen sind bisher mit einer Grösse der Glasscheiben von 4 x 4 bis 10 x 10 cm funktionsfähig. The cell is formed by two, the coatings facing each other, with a distance of e.g. about 20 to 25 µm glass panes. One glass pane is also provided on the coating with a colloidal titanium dioxide layer applied by the sol-gel method, which is characterized by a high roughness factor and thus serves as a light trap. A monomolecular layer of a suitable transition metal complex placed on the rough surface of the titanium dioxide layer acts as a sensitizer in such a way that, after excitation by visible light, it injects electrons into the conduction band of the titanium dioxide. With this system it is possible to convert over 80% of the incident photons into electrical current in the wavelength range of the absorption maximum of the sensitizer. The electrons pass through the adjacent conductive coating into an external circuit, where they do work, and back to the cell into the conductive coating of the other pane of glass. An electrolyte filling the space between this coating and the sensitizer, which contains a redox system, e.g. Contains iodine / iodide, which transports the electrons further and back to the monomolecular layer of the sensitizer. The cells have so far been functional with a size of the glass panes of 4 x 4 to 10 x 10 cm.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden oder ähnliche photovoltaische Zellen in einem erweiterten Umfang gebrauchsfähig zu machen. The invention has for its object to make the above or similar photovoltaic cells usable to an extended extent.
Gemäss der Erfindung wird dieser Zweck dadurch erfüllt, dass in Berührung mit der Beschichtung verlaufende Leiterbahnen in Nuten der Glasscheibe verlegt sind und diese eine Grösse von mindestens 20 x 20 cm aufweist. According to the invention, this purpose is achieved in that conductor tracks running in contact with the coating are laid in grooves in the glass pane and have a size of at least 20 × 20 cm.
Die Leiterbahnen ergänzen die Leitfähigkeit der elektrisch leitenden Beschichtung und verbessern die Stromleitung auf der Glasscheibe bis zu einem regelmässig am Rand der Glasscheibe angeordneten Kontakt. Mit ihrer im Gegensatz zur Beschichtung nicht flächenmässigen, sondern im wesentlichen linienförmigen Erstreckung behindern sie dabei den Lichteinfall fast nicht. The conductor tracks supplement the conductivity of the electrically conductive coating and improve the current conduction on the glass pane up to a contact arranged regularly at the edge of the glass pane. In contrast to the coating, they do not hinder the incidence of light, as they do not extend in terms of area but are essentially linear.
Mit dieser, an sich bekannten, Massnahme wird nach der vorliegenden Erfindung, ferner unter Ausnutzung der durch die Leiterbahnen verbesserten Wärmeleitfähigkeit, die Zelle in eine Grösse und mit der Verlegung der Leiterbahnen in der Glasscheibe selbst wird sie in eine Bauart gebracht, mit der sie sich einfach grosstechnisch herstellen lässt und nicht irgendwo störend aufgesetzt werden muss, sondern, gemäss weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein Wesensbestandteil des Gebäudes selbst werden kann: Die Zeile ist, vorzugsweise mit einer Grösse der Glasscheibe von mindestens 25 x 25 cm, als bautechnisches Fenster-, Wandbau-, Wand-bekleidungs- oder Dachdeckelement vorgesehen. Die Zellen können aber sogar Abmessungen von beispielsweise 30 x 30 bis 33 x 33 cm und mehr erhalten. Die quadratische Form ist zu bevorzugen, aber nicht zwingend. With this known measure, according to the present invention, further utilizing the thermal conductivity improved by the conductor tracks, the cell is sized and with the laying of the conductor tracks in the glass pane itself, it is brought into a type with which it can be used can easily be produced on an industrial scale and does not have to be placed somewhere in a disruptive manner, but, according to a further embodiment of the invention, can become an integral part of the building itself: the line is, preferably with a glass pane size of at least 25 x 25 cm, as a structural window or wall construction - Wall covering or roof covering element provided. However, the cells can even have dimensions of, for example, 30 × 30 to 33 × 33 cm and more. The square shape is preferable, but not mandatory.
Es ist ein vielfältiger Einsatz der Zellen im Hochbau möglich, und zwar mit zwei Glasscheiben der genannten Art auf beiden Seiten der Zellen eben auch als Elemente durchscheinender Fensterwände in einem Gerüst nach Art von Sprossenfenstern oder als eingemauerte Glasbausteine. Ferner kommen Fassadenbekleidungen besonders in Betracht. The cells can be used in a variety of ways in building construction, with two glass panes of the type mentioned on both sides of the cells as elements of translucent window walls in a frame in the manner of lattice windows or as walled-in glass blocks. Facade cladding is also particularly suitable.
Dicke, Abstand und Konfiguration der Leiterbahnen - parallel, sich kreuzend, sonstiges Maschengitter, z.B. aus Achtecken - sind Fragen der Optimierung. Die Dicke der Leiterbahnen wird in der Regel ein Vielfaches der Dicke der Beschichtung betragen; der Durchmesser wird bei 0,5 mm und mehr liegen. Thickness, spacing and configuration of the conductor tracks - parallel, crossing, other mesh, e.g. from octagons - are questions of optimization. The thickness of the conductor tracks will generally be a multiple of the thickness of the coating; the diameter will be 0.5 mm and more.
Die in Nuten der Scheibe verlegten Leiterbahnen brauchen nicht über die Oberfläche der Beschichtung hervorzustehen. The conductor tracks laid in the grooves of the pane need not protrude beyond the surface of the coating.
Sie können dabei von der Beschichtung überdeckt werden, aber auch in einer durch die, vorher aufgebrachte, Beschichtung gebildeten Auskleidung der Nuten liegen. Im letzteren Falle erhält man eine grössere Kontaktfläche zwischen der Beschichtung und den Leiterbahnen und einen entsprechend geringeren Übergangswiderstand. They can be covered by the coating, but also lie in a lining of the grooves formed by the coating previously applied. In the latter case, there is a larger contact area between the coating and the conductor tracks and a correspondingly lower contact resistance.
Um die in der Auskleidung verlegten und insofern offenliegenden Leiterbahnen vor dem erwähnten Elektrolyten zu schützen, können sie eine, vorzugsweise gleichfalls in der Nut angeordnete, Abdek-kung erhalten. In order to protect the conductor tracks that are laid in the lining and are therefore exposed from the aforementioned electrolyte, they can be provided with a cover, preferably also arranged in the groove.
Diese Abdeckung kann auch in Hinterschneidun-gen der Nut greifen und damit, abgesehen von ihrer verbesserten Verankerung, die Leiterbahn breitflächiger überdecken. This cover can also engage in undercuts in the groove and thus, apart from its improved anchoring, cover the conductor track over a wider area.
Bei Vorfertigung der Nuten und insbesondere im Falle der mit der Beschichtung ausgekleideten Nuten dürfte es in der Regel zweckmässig sein, die Leiterbahnen in Form pastöser Massen aufzubringen, die dann durch Erhitzung verfestigt werden. Hierzu kann auf die Techniken der Leiterplattenherstellung verwiesen werden. When prefabricating the grooves and in particular in the case of the grooves lined with the coating, it should generally be expedient to apply the conductor tracks in the form of pasty masses, which are then solidified by heating. For this purpose, reference can be made to the techniques of manufacturing printed circuit boards.
Entsprechendes gilt für die Abdeckungen der Leiterbahnen. The same applies to the covers of the conductor tracks.
Es ist aber auch möglich, Leiterbahnen in Form von Drähten in eine Glasscheibe einzuwalzen, die sich auf einer der dafür erforderlichen Plastizität entsprechenden Temperatur befindet. Mit Rücksicht auf die benötigte Kontaktfläche mit der dann darübergelegten Beschichtung können die Drähte auch bandförmig sein oder jedenfalls einen rechteckigen Querschnitt haben. However, it is also possible to roll conductor tracks in the form of wires into a glass pane which is at a temperature corresponding to the plasticity required for this. In consideration of the required contact area with the coating then placed over it, the wires can also be band-shaped or in any case have a rectangular cross-section.
Der zum Abführen des Stromes benötigte Kontakt, zweckmässigerweise am Rand der Platte, erhält in zweckmässiger Ausgestaltung der Erfindung The contact required to discharge the current, expediently at the edge of the plate, is obtained in an expedient embodiment of the invention
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
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2 2nd
3 3rd
CH 684 811 A5 CH 684 811 A5
4 4th
die Form einer entlang des Randes einseitig frei verlaufenden Schiene, mit der alle auf sie zulaufenden Leiterbahnen verbunden sind. the shape of a rail running freely on one side along the edge, to which all conductor tracks running towards it are connected.
Das ist vor allem für die angestrebte Wärmeableitung aus der Fläche der Glasscheibe von Vorteil. This is particularly advantageous for the desired heat dissipation from the surface of the glass pane.
Insbesondere unter dem letzteren Gesichtspunkt kann die Schiene auch am Rand der Glasscheibe ringsum laufen und zur Wärmeübertragung auf eine Einfassungs- und Haltekonstruktion der Zelle dienen, in der Regel eine Vielzahl von Zellen aufnehmende Gitterkonstruktion. Eine solche Haltekonstruktion kann wie Kühlrippen wirken. In particular from the latter point of view, the rail can also run all the way around the edge of the glass pane and can be used for heat transfer to an enclosure and holding structure of the cell, as a rule a plurality of cell structure accommodating cells. Such a support structure can act like cooling fins.
Schliesslich wird es mit den nach der Erfindung ermöglichten grösseren Abmessungen der Zellen und dementsprechend geringeren Störungen des Lichteinfalles durch Halterahmen o.dgl. sinnvoll, die Zellen doppelt oder mehrfach auszubilden und mit unterschiedlichen Sensibilisatoren in den verschiedenen Zellen verschiedene Wellenlängenbereiche des Lichtspektrums optimiert auszuschöpfen. Finally, with the larger dimensions of the cells made possible according to the invention and correspondingly fewer disturbances in the incidence of light by holding frames or the like. It makes sense to train the cells twice or more and to use different wavelength ranges of the light spectrum in an optimized manner with different sensitizers in the different cells.
Dafür können Glasscheiben ohne weiteres beidseitig mit der Beschichtung und den Leiterbahnen versehen werden. For this purpose, glass panes can easily be provided with the coating and the conductor tracks on both sides.
Die Zeichnungen geben Ausführungsbeispiele der Erfindung wieder, mit Rücksicht auf die im Verhältnis sehr dünnen Beschichtungen und Leiterbahnen jedoch nicht massstäblich. The drawings show exemplary embodiments of the invention, but not to scale in view of the relatively thin coatings and conductor tracks.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Glasscheibe, 1 shows a cross section through a first glass pane,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Glasscheibe, 2 shows a cross section through a second glass pane,
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte Glasscheibe, 3 shows a cross section through a third glass pane,
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine vierte Glasscheibe, 4 shows a cross section through a fourth glass pane,
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine photovoltaische Zelle und Fig. 5 shows a cross section through a photovoltaic cell and
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite photovoltaische Zelle. 6 shows a cross section through a second photovoltaic cell.
In eine Glasscheibe 1 sind Nuten 2 eingefräst, -gewalzt, -gepresst, -geätzt o.dgl. Eine elektrisch leitende Beschichtung 3 der Glasscheibe 1, z.B. aus Zinndioxid und z.B. 0,2 bis 0,5 jim dick, zieht sich auch durch die Nuten 2. Die Nuten 2 sind auf der Beschichtung 3 mit einer unter der Bezeichnung «Leitsilber» bekannten pastösen Masse, im wesentlichen aus einer Silberlegierung, gefüllt worden, und durch Brennen bei 500°C ist die Masse zu einem zusammenhängenden elektrischen Leiter gesintert worden. Die damit entstandenen Leiterbahnen sind mit 4 bezeichnet. Sie sind, noch in den Nuten 2, mit einer Abdeckung 5 überschichtet. Die Abdeckung besteht z.B. aus Wasserglas, ggf. mit Einlagerung von Molybdän, Wolfram und/oder Titan oder aus Glaslot. Mit einer solchen Einlagerung kann auch die Abdeckung noch zur Leiterbahn gemacht werden. Rechtwinklig zu den Nuten 2 und Leiterbahnen 4 verlaufende, gleiche Nuten und Leiterbahnen erscheinen mit den gestrichelten Linien 6 bzw. 7. Grooves 2 are milled, rolled, pressed, etched or the like into a glass pane 1. An electrically conductive coating 3 of the glass sheet 1, e.g. from tin dioxide and e.g. 0.2 to 0.5 µm thick, also runs through the grooves 2. The grooves 2 on the coating 3 have been filled with a pasty mass known essentially as a “conductive silver”, essentially made of a silver alloy, and by firing at 500 ° C the mass has been sintered into a coherent electrical conductor. The resulting conductor tracks are labeled 4. They are still covered with a cover 5 in the grooves 2. The cover is e.g. made of water glass, if necessary with storage of molybdenum, tungsten and / or titanium or made of glass solder. With such storage, the cover can also be made into a conductor track. The same grooves and conductor tracks running at right angles to the grooves 2 and conductor tracks 4 appear with the dashed lines 6 and 7 respectively.
Nach Fig. 2 ist in die Glasscheibe 1 nur eine Schar paralleler, massiver Drähte, z.B. aus Kupfer, als Leiterbahnen 8 eingewalzt und mit der Beschichtung 3 überdeckt worden. According to Fig. 2, only a family of parallel, solid wires, e.g. made of copper, rolled as conductor tracks 8 and covered with the coating 3.
In Fig. 3 entsprechen Nuten 11, Leiterbahnen 12 und Abdeckungen 13 den Nuten 2, Leiterbahnen 4 und Abdeckungen 5. Sie haben lediglich andere, gerundete Querschnitte. In FIG. 3, grooves 11, conductor tracks 12 and covers 13 correspond to the grooves 2, conductor tracks 4 and covers 5. They only have different, rounded cross sections.
In Fig. 4 entsprechen Nuten 16, Leiterbahnen 17 und Abdeckungen 18 wiederum den Nuten 2, Leiterbahnen 4 und Abdeckungen 5 der Fig. 1, jedoch mit anderen Querschnitten: In FIG. 4, grooves 16, conductor tracks 17 and covers 18 again correspond to grooves 2, conductor tracks 4 and covers 5 of FIG. 1, but with different cross sections:
Die Nuten 16 sind hinterschnitten, und die Abdeckungen 18 breiten sich in die Hinterschnitte 19 aus. The grooves 16 are undercut and the covers 18 extend into the undercuts 19.
Im übrigen verbleibt hier in den Nuten 16 ein freier Raum 20 über den Abdeckungen 18, der an der einen Glasscheibe der oben erwähnten photovolta-ischen Zelle als Reservoir für den, sich langsam verbrauchenden, Elektrolyten dienen kann. Otherwise, a free space 20 remains above the covers 18 in the grooves 16, which can serve on one glass pane of the above-mentioned photovoltaic cell as a reservoir for the slowly consuming electrolyte.
In allen Fällen beträgt die Dicke der Leiterbahnen mindestens das 25- bis 50fache der Dicke der Beschickung 3, vorzugsweise mehr als das 150fache. In all cases, the thickness of the conductor tracks is at least 25 to 50 times the thickness of the feed 3, preferably more than 150 times.
Die in Fig. 5 als Anwendungsbeispiel dargestellte photovoltaische Zelle setzt sich zusammen aus zwei in einem Rahmen 21 gehaltenen, mit der Beschichtung 3 und den, hier mit 22 bezeichneten, Leiterbahnen versehenen Glasscheiben 1, wobei der Zwischenraum zwischen den Glasscheiben 1 die eingangs erwähnten und in ihrer Funktion erläuterten Materialien enthält und ringsum durch eine Dichtung 23, z.B. aus Silikonmasse, geschlossen ist. The photovoltaic cell shown in FIG. 5 as an application example is composed of two glass panes 1 held in a frame 21, provided with the coating 3 and the conductor tracks, here designated with 22, the space between the glass panes 1 being as mentioned at the beginning and in contains functionally explained materials and all around by a seal 23, for example made of silicone compound, is closed.
Die Leiterbahnen 22 sind, wie die Leiterbahnen 4, in zwei zueinander rechtwinkligen Scharen angeordnet, von denen die eine nur in gestrichelten Linien erscheint. Die letzteren, parallel zur Zeichenebene verlaufenden Leiterbahnen 22 sind an ihrem einen Ende verbunden mit einer hier entlang des Randes der Glasscheibe 1 verlaufenden Kontakt-Schiene 24. The conductor tracks 22, like the conductor tracks 4, are arranged in two sets perpendicular to one another, one of which only appears in broken lines. The latter, parallel to the plane of the drawing, are connected at one end to a contact rail 24 running here along the edge of the glass pane 1.
In den Rahmen 21 ist auf die Kontakt-Schienen 24 der beiden Glasscheiben 1 jeweils ein Kontaktelement 25 gepresst, von dem eine Anschlussleitung 26 zu einem Stecker 27 für den Plus-Pol bzw. 28 für den Minus-Pol führt. Im übrigen sitzt der betreffende Rand der Glasscheibe 1 jeweils in einem ihn einfassenden, isolierenden, vorzugsweise etwas elastischen U-Profil 29. In the frame 21, a contact element 25 is pressed onto the contact rails 24 of the two glass panes 1, from which a connecting line 26 leads to a plug 27 for the positive pole or 28 for the negative pole. Otherwise, the relevant edge of the glass pane 1 is seated in an insulating, preferably somewhat elastic, U-profile 29 that surrounds it.
Vor der photovoltaischen Zelle sitzt in dem Rahmen 21 eine Schutzscheibe 30. Ein Flansch 31 mit Schrauben 32 dient zur Befestigung des Rahmens 21 in einer umfassenderen Haltekonstruktion. A protective pane 30 sits in the frame 21 in front of the photovoltaic cell. A flange 31 with screws 32 serves to fasten the frame 21 in a more extensive holding construction.
Fig. 6 zeigt die Verwendung einer beidseitig mit der Beschichtung 3 und den Leiterbahnen 22 versehenen Glasscheibe 33 zwischen zwei einseitig beschichteten Glasscheiben 1 zur Herstellung einer doppelten photovoltaischen Zelle. 6 shows the use of a glass pane 33 provided on both sides with the coating 3 and the conductor tracks 22 between two glass panes 1 coated on one side for producing a double photovoltaic cell.
Der weitere Aufbau ist analog Fig. 8. An die Stelle der Kontaktelemente 25 tritt dabei für die zweiseitig beschichtete Glasscheibe 33 ein klammerför-miges, auf die beiden Kontakt-Schienen 24 der Glasscheibe 33 greifendes Kontaktelement 34 und ein zwischen die Kontakt-Schienen 24 der Glasscheiben 1 greifendes Kontaktelement 25. The further structure is analogous to FIG. 8. In place of the contact elements 25 there is a clamp-shaped contact element 34 for the two-sided coated glass pane 33, which engages on the two contact rails 24 of the glass pane 33 and between the contact rails 24 Glass panes 1 contact element 25.
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