DE2806464C3 - Elektrisches Bauelement - Google Patents
Elektrisches BauelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit mindestens einem Schaltungsbestandteil, welcher
aus einem festen lonenleiter, insbesondere einem ionenleitenden Festelektrolyten besteht.
Feste lonenleiter und ionenleitende Festelektrolyte transportieren den elektrischen Strom im wesentlichen
über Ionen. Neben den mit einem Massetransport entsprechend dem Faradayschen Gesetz verbundenen
Ionentransport fließen in den festen lonenleitern und
Festelektrolyten aber auch Elektronenströme. Der Beitrag der Ionenleitung bzw. der Elektronenleitung zur
Gesamtleitfähigkeit des Stoffs wird durch die Überführungszahl gekennzeichnet, die das Verhältnis der
Teilleitfähigkeit der an der Stromleitung beteiligten Teilchensorten zur Gesamtleitfähigkeit ist. Bei festen,
gemischten lonenleitern sind die Überführungszahlen der Ionenleitung und der Elektronenleitung vergleich
bar groß. In Festelektrolyten ist die Überführungszahl der Ionenleitung wesentlich größer als die Überführungszahl
der Elektronenleitung.
Festelektrolyte werden als Ersatz für flüssige Elektrolyte in elektrochemischen Energiespeichern und
als Elektrolyte in chemotronischen Schaltkreisen sowie als Elektrolyte in galvanischen Meßzellen zur Bestimmung
thermodynamischer und kinetischer Daten chemischer Reaktionen eingesetzt (G. Holzäpfel und H.
Rickert »High Ionic Conductivity in Solids — ίο Theoretical Aspects and Application«, Festkörperprobleme
XV, 1975, Seiten 317 bis 349, Verlag Pergamon, Vieweg und A. F. Bogenschütz, W. Krusemark »Elektrochemische
Bauelemente«, Seiten 18,19 und 41 bis 46, 1976, Verlag Chemie, Weinheim). Die Oberfläche des
Ionenleiters bzw. des Festelektrolyts ist üblicherweise im Abstand voneinander mit zwei elektronenleitenden
Elektroden kontaktiert, von denen die eine die entsprechenden Atome bzw. Moleküle ionisiert und die
Ionen an den Iorenleiter bzw. Festelektrolyt abgibt und
von denen die andere die Ionen entlädt Während die Ionen durch den Ionenleiter bzw. Festelektrolyt
wandern, erfolgt der Elektronentransport über eine Schaltung zwischen den Elektroden. Die zu ionisierenden
Atome bzw. Moleküle können beispielsweise aus
2ί der Materialsubstanz der Elektroden stammen, wie es
beispielsweise bei elektrochemischen Energiespeichern (Batterien) der Fall ist, sie können aber auch durch
poröse Elektroden von außen zugeführt werden, wie es beispielweise bei Meßsonden der Fall ist.
ίο Bei den meisten Anwendungsfällen soll die Ionenleitfähigkeit
möglichst groß sein, während die Elektronenleitfähigkeit vernachlässigt werden soll. Obwohl eine
Reihe von festen Ionenleitern und Festelektrolyten bekannt geworden ist, werden die vorstehenden
r· Bedingungen lediglich von wenigen Stoffen mehr oder
weniger gut erfüllt. Insbesondere die Zahl der Festelektrolyte mit technisch verwertbaren Eigenschaften
ist bisher sehr klein. Technisch verwertbare Festelektrolyte sind beispielsweise AgI, RbAg4I5,
^-Aluminiumoxid (/J-Na2O · 11AI2O3), dotiertes ZrO2
und CaF2. Andererseits sind eine große Zahl gemischter lonenleiter bekannt geworden, die sich aufgrund ihrer
hohen Überführungszahl der Elektronenleitung lediglich in geringem Umfang technisch verwerten lassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu zeigen, wie bei festen lonenleitern und insbesondere ionenleitenden
Festelektrolyten die Überführungszahl der Elektronenleitung vernachlässigbar klern gemacht werden
kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Unterdrückung des Elektronenstroms durch den lonenleiter
bzw. Festelektrolyt quer zur Ionenstromrichtung in oder angrenzend an dem lonenleiter bzw. Festelektrolyt
wenigstens ein in Sperrichtung vorspannbarer
pn-übergang gebildet ist, dessen p-leitender bzw. η-leitender Bereich jeweils aus einem die Ionen des
lonenleiters bzw. Festelektrolyts leitenden Material besteht.
Der in Sperrichtung polarisierte pn-übergang unterdrückt den Elektronenstrom durch den lonenleiter bzw.
Festelektrolyt, während er den lonenstrom im wesentlichen nicht behindert. Probleme, die sich aus der
Elektronenleitung der lonenleiter bzw. Festelektrolyte ergeben, können somit außer acht gelassen werden,
wodurch die Zahl technisch verwertbarer Ionenleiter und Festelektrolyte erheblich steigt. Die technisch
verwertbaren lonenleiter und Festelektrolyte können insbesondere auch hinsichtlich ihres Korrosionsverhai-
tens und ihrer Reaktionsfähigkeit mit Stoffen der Umgebung, insbesondere der Elektroden optimal
ausgewählt werden.
Der pn-Übergang kann dadurch gebildet sein, daß der
Ionenleiter bzw. Festelektrolyt aus einem p- oder η-leitenden Material besteht und daß sich an den
Ionenleiter bzw. Festelektrolyt ein Materialbereich aus einem die gleichen Ionen leitenden Ionenleiter bzw.
Festelektrolyt vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp anschließt Hierbei kann es sich um Ionenleiter bzw. ι ο
Festelektrolyte handeln, die von sich aus bereits unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp haben. Die unterschiedlichen
Leitfähigkeitstypen können aber auch durch Dotierung aneinandergrenzender Bereiche mit
Akzeptoren bzw. Donatoren präpariert werden.
Je nach Ausführungsform könnten der η-leitende und der p-leitende Bereich des pn-Übergangs mit Kontakten
versehen sein, an die eine externe Spannungsquelle angeschlossen wird. Bevorzugt werden jedoch Ausführungsformen,
bei denen die Bereiche enfjegengesetzten Leitfähigkeitstyps des pn-Übergangs bezogen auf die
durch die Richtung des Ionenstroms durch den Ionenleiter bzw. Festelektrolyt festgelegte elektromotorische
Kraft (EMK) des Schaltungsbestandteils so angeordnet sind, daß der pn-Übergang durch die EMK
in Sperrichtung vorgespannt ist.
Um das Bauelement bipolar betreiben zu können, kann quer zur Ionenstromrichtung in oder angrenzend
an den Ionenleiter bzw. Festelektrolyt ein pnp-Übergang
oder ein npn-Übergang gebildet sein. Derartige w
Übergänge können ähnlich dem unipolaren pn-Übergang durch Dotierung des lonenleiters bzw. Festelektrolyten
mit Donatoren oder Akzeptoren präpariert oder als Serienschaltung gemischter Ionenleiter bzw.
Festelektrolyte vom entgegengesetzten Leitfähigkeits- J5
typ gebildet sein.
Die Mittelzone des pnp- bzw. npn-Übergangs derartiger Bauelemente kann mit einer Steuerelektrode
kontaktiert sein, die wiederum mit einer eine Sperrspannung liefernden Schaltung verbunden sein kann.
Derartige Schaltungen sind beispielsweise aus der Transistortechnik zum Einstellen der Basisvorspannung
bekannt. Über eine derartige Schaltung kann darüberhinaus der Elektronenstrom durch den Ionenleiter bzw.
Festelektrolyt gesteuert werden.
Der Ionenleiter bzw. Festelektrolyt ist zwischen zwei Elektroden angeordnet, von denen die eine Elektrode
aus einem die Ionen abgebenden oder für die Ionen bzw. die sie entha'tenden Stoffe physikalisch durchlässigen
Material und die andere Elektrode aus einem die Ionen aufnehmenden oder für die Ionen durchlässigen
Material besteht. Bevorzugt sind eine oder beide Elektroden durch den Ionenleiter bzw. Festelektrolyt
und/oder das Material des pn-Übergangs gebildet.
Die Erfindung wird bevorzugt bei an sich bekannten Energiezellen oder Meßsonden eingesetzt. Bei Energiezellen
ermöglicht sie die Optimierung des Festelektrolyten hinsichtlich der Energie- und Leistungsdichte sowie
hinsichtlich der mechanischen Beständigkeit und Korrosionsfestigkeit. Weiterhin ermöglicht sie die Auswahl bo
von Festelektrolyten, die bereits bei niedrigen Temperaturen elektrochemische Pea! '.tonen ausreichender Größenordnung
erreichen. Bei Verwendung als Meßsonde können eine Reihe ansonsten schwer zugänglicher
thermodynamischer Größen, wie chemisches Potential, Aktivität oder Bildungsenergie gemessen werden. Aus
der Temperaturabhängigkeit der EMK einer galvanischen Zelle lassen sich Entropien und Enthalpien
berechnen. Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt bei Meßsonden zur direkten elektrischen Messung und
Kontrolle kinetischer Prozesse bei chemischen Reaktionen, Kondensations- und Verdampfungsprozessen,
Diffusionsvorgängen in Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen, Phasengrenzprozessen und ähnlichem.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Energiezelle
mit pn-Übergang;
F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Energiezelle mit npn- oder pnp-Übergang und
F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Meßsonde zur Messung des Sauerstoffgehalts einer Schmelze.
F i g. 1 zeigt den Aufbau einer Energiezelle bestehend aus einer mit einem Anschluß 1 versehener ersten
Elektrode 3, einer daran anschließenden Schicht 5 aus einem p- oder η-leitenden Festelektiodenmaterial, einer
an die Schicht 5 anschließenden Schicht 7 aus einem Festelektrolytmaterial vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
und einer an die Schicht anschließenden, mit einem Anschluß 9 versehenen zweiten Elektrode 11.
Das Festelektrolytmaterial der Schichten 5 und 7 leitet denselben lonentyp. Die Elektrode 3 besteht aus einem
zu Ionen dieses Typs ionisierbaren Material. Das Material der Elektrode 11 ist so gewählt, daß es diese
Ionen entladen und aufnehmen kann. Die Materialien der Elektrode 3 und 11 haben unterschiedliche
Stellungen innerhalb der elektrochemischen Spannungsreihe und sind, sofern es sich nicht um Metalle
handelt, durch Metall- oder Kohlenstoffzusätze elektronenleitend gemacht.
Die Leitfähigkeitstypen der Schichten 5 und 7 sind so gewählt, daß die EMK der Energiezelle den durch die
Schichten 5, 7 gebildeten pn-Übergang in Spenichtung
vorgespannt, so daß der Elektronensirom durch die Schichten 5, 7 gesperrt ist, was eine innere Entladung
der Energiezelle verhindert. Gibt die Elektrode 11 zum
Beispiel negativ geladene Ionen ab, so besteht die Schicht 7 aus einem η-leitenden Festelektrolytniaterial.
Bei einer in der Praxis erprobten Energiezelle bestand die positive Elektrode aus Silber, die Schicht 5
aus Ag2Te (p-ieitend), die Schicht 7 aus Ag2S (n-ieitend)
und die negative Elektrode 11 aus Schwefel, dem zur Verbesserung der Leitfähigkeit Kohlenstoff beigemischt
war. Messungen zeigten, daß die Elektronenleitung bei Raumtemperatur durch den Einfluß des
pn-Übergangs bei Polarisation mit einer Sperrspannung von 236 mV um den Faktor 102 herabgesetzt wird. Die
lonenleitung wird durch den pn-Übergang nicht beeinflußt.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem im
Unterschied zur Ausführungsform nach F i g. 1 zwischen eine erste Elektrode 13 und eine zweite Elektrode 15
einer Energiezelle zwei Schichten 17, 19 aus einem η-leitenden Festelektrolytmaterial angeordnet sind.
Zwischen den Schichten 17, 19 ist eine Schicht 21 aus einem p-leitenden Festelektrolytmaterial geschaltet.
Die Schichten 17 bis 21 sind wiederum für die von einer der beiden Elektroden 13 oder 15 abgegebenen bzw.
von der jeweils anderen Elektrode aufgenommenen Ionen durchlässig. Die Schicht 21 ist mit einer
Steuerelektrode 23 kontaktiert, an die, wie aus der Transistortechnik bekannt, eine Spannungsquelle 25 zur
Erzeugung einer Sperrspannung angeschlossen ist. Die Schichten 17 und 19 können aus demselben Festelektrolytmaterial
bestehen.
Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau einer
Meßsonde, mit der der Sauerstoffgehalt einer Metallschmelze 27 gemessen werden kann. Auf die Oberfläche
der Metallschmelze 27 aufgesetzt bzw. in die Metallschmelze 27 eingetaucht ist ein Körper 29 aus einem
sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial von einem ersten Leitfähigkeitstyp. Quer zur Ionenstromrichtung
des Körpers 29 ist eine Schicht 31 aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial vom
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufgebracht, die mit einer für Sauerstoff durchlässigen, porösen Platinschicht
33 bedeckt ist. Neben dem Körper 29 ist eine inaktive Elektrode 35 in die Schmelze 29 getaucht. Das
Partialdruckgefälle zwischen dem in der Metallschmelze 27 gelösten Sauerstoff und dem Atmosphärensauerstoff
treibt die Sauerstoffionen durch die Festelektrolyte des Körpers 29 bzw. der Schicht 3i, wobei zwischen der
Elektrode 35 und der Platinschicht 33 eine Spannung (EMK) entsteht, die ein Maß für den Sauerstoffgeha
der Metallschmelze 27 ist Der Leitfähigkeitstyp de Körpers 29 bzw. der Schicht 31 ist so gewählt, daß de
dazwischen gebildete pn-übergang in Sperrichtun polarisiert isi. Fehlmessungen aufgrund der Elektronen
ströme zwischen der Metallschmelze und der Platin schicht 33 werden vermieden.
In den Ausführungsbeispielen der F i g. 1 bis 3 sind di Festelektrolyte schichtförmig dargestellt. Andere Ge
ίο staltungen sind entsprechend den Anforderunge
denkbar. Die Schichten können jeweils aus unterschied liehen Festelektrolytmaterialien bestehen; geeigne
sind aber auch Schichten, die aus ein und demselbei Festelektrolytmaterial bestehen, welches zur Bilduni
des bzw. der pn-Übergänge mit geeigneten Donatorei bzw. Akzeptoren dotiert ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Elektrisches Bauelement mit mindestens einem Schaltungsbestandteil, welcher aus einem festen
Ionenleiter, insbesondere einem ionenleitenden Festelektrolyten besteht, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Unterdrückung des Elektronenstroms durch den Ionenleiter bzw. Festelektroiyten
(5, 7; 17—21; 29, 31) quer zur Ionenstromrichtung in oder angrenzend an dem lonenleiter bzw.
Festelektrolyt wenigstens ein in Sperrichtung vorspannbarer ρη-Übergang gebildet ist, dessen
p-leitender bzw. η-leitender Bereich jeweils aus einem die Ionen des Ionenleiters bzw. Festelektrolyts
leitenden Material besteht
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps des pn-Übergangs bezogen auf die durch die Richtung des Ionenstroms durch den
lonenleiter bzw. Festelektrolyt (5, 7; 29, 31) festgelegte EMK des Schaltungsbestandteils so
angeordnet sind, daß der pn-Obergang durch die EMK in Sperrichtung vorgespannt ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß quer zur Ionenstromrichtung in oder
angrenzend an den lonenleiter bzw. Festelektrolyten ein pnp-Übergang oder ein npn-Übergang
(17-21) gebildet ist.
4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelzone (21) des pnp- bzw.
npn-Übergangs mit einer Steuerelektrode (23) kontaktiert ist.
5. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lonenleiter bzw. Festelektrolyt (5,
7; 17-21,29,31) zwischen zwei Elektroden (3,1; 13,
15; 27, 33) angeordnet ist, von denen die eine Elektrode aus einem die Ionen abgebenden oder für
die Ionen oder die sie enthaltenden Stoffe physikalisch durchlässigen Material und die andere
Elektrode aus einem die Ionen aufnehmenden oder ebenfalls für die Ionen durchlässigen Material
besteht.
6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Elektroden durch den
lonenleiter bzw. Festelektrolyt und/oder das Material des pn-Übergangs gebildet sind.
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