Di. 6.12. Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Fr. 9.12. Third generation Photovoltaics Lemmer Di. 13.12. Photovoltaische Systeme I Heering Fr. 16.12. Photovoltaische Systeme II Heering Di. 20.12. Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien Di. 10.01. Passive Sonnenenergienutzung Heering Di. 17.01. Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Fr. 20.01. Energiespeiche/Solarchemie Heering Di. 24.01. Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering Di. 31.01. Energieszenarien Lemmer Anfang Februar Exkursion Heering/Lemmer
Organische Dünnschichtsolarzellen
...Plastiksolarzellen...
Dr. Christoph Brabecehemals Siemens AG, Corporate Technology
mittlerweile bei Konarka (www.konarka.com)
Dr. Hoffmann, RWE Schott Solar(www.rweschottsolar.com)
Dr. Gang Yuehemals Uniax jetzt Dupont Displays
(www.olight.com)
Ein Teil der Abbildungen stammt von
Warum organische Solarzellen ?
Warum organische Solarzellen ?
Warum organische Solarzellen ?
- sehr günstige Ausgangsmaterialien
-Abscheidung auf Kunststoffsubraten, mechanische Flexibilität
- roll-to-roll (R2R)-production
- durch mechanische Flexibilität einfache Integration in Fassaden, Dächer, etc.
- keine Entsorgungsproblematik
Elektronische Zustände in organischen Halbleitern
→ delokalisierte Elektronensind für Halbleitereigenschaften
erforderlich, hier am Beispiel von Benzol
sp2-Hybrid-Orbitale
(sorgen für das molekulare Gerüst)
Es bleibt jeweils ein einfachbesetztes pz-Orbital übrig. Diese koppeln miteinander und bilden π-Orbitale, die sich dann
über das ganze Molekül
erstrecken.
Was ist ein π-Elektron ???
Elektronische Struktur von organischen Halbleitern:Der einfachste Ansatz für die π-Elektronen: Ein Teilchen im Kasten
Das Teilchen-im-Kasten-Modell
Idee: Die Details der molekularen Struktur spielen keine Rolle. Das Molekül wird angesehen als ein Kasten mit einer bestimmten Länge. Die Anzahl der Elektronen, die in den Kasten hineinkommen wird durch die Anzahl der C-Atome gegeben.
Optische Übergänge im Kastenmodell
1. Quantenmechanische Berechnung der Energieniveaus im Kasten
2. In jeden Zustand können gemäß dem Pauli-Prinzip zwei Elektronen gepackt werden.
3. Das höchste besetzte Orbital ergibt dann die valenzbandähnlichen Zustände (Highest occupied molecular orbital, HOMO)
4. Das niedrigste unbesetzte Orbital ergibt die leitungsbandähnlichen Zustände. (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)
5. Optischer Übergang bedeutet dann: Ein Elektron wird vom HOMO ins LUMO überführt. Der Abstand der beiden Orbital bestimmt dann das Absorptionsspektrum.
Die optischen Übergangsenergien ergeben sich dann wie folgt:
Elektronischer Transport in organischen Halbleitern
Elektronischer Transport in den Materialien kann nun dadurch erfolgen, dass ein Elektron von einem lokalisierten Zustand zu einem benachbarten „hüpft“ (aus einem Kasten in den nächsten springt).
Alq3
Herstellung organischer Halbleiterschichten
Covion PPV co-polymers
Polyfluorene (Dow)
Konjugierte Polymere
Covion PPV co-polymers
Polyfluorene (Dow)
Es werden zwei Klassen von Materialien unterschieden, die ganz ähnliche elektronische Eigenschschaften haben, aber durch komplett unterschiedliche Methoden hergestellt werden.
Die Herstellung erfolgt aus der Flüssigphase.
Aufschleudern(spin coating)
Rakelverfahren(doctor blade)
Tintenstrahldrucken(ink jet printing)
Eintauchverfahren(dipping)
Aufgedampfte organische Halbleiterschichten
Alq3Alq3Alq3
Alq3
HTLHTL
ETLETL
„Chemical Bandgap Engineering“
- Bandlücke kann durch Synthese bestimmt werden→ ideale Anpassung an Sonnenspektrum möglich
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Abs
orpt
ion
(arb
. uni
t)
Wavelength (nm)
CN-PPV
MEH-PPV
BCHA-PPV
PPV
1.5-2.7 eV gap
Processability
Bandgap engineeering
A Member of DuPont i TechnologiesICSM2000, July 15 - 21 2000
Unterschiede zwischen anorganischen und organischen Solarzellen
1.
-Absorption führt nicht direkt zur Anregung von freien Ladungsträgern-es werden neutrale höhere Zustände Moleküls angeregt (und keine freienLadungsträger)- es sind (noch) keine stabilen pn-Übergänge möglich
- p(i)n-Übergänge werden ausgenutzt- durch Photoanregung werden sofort freie Ladungsträger angeregt- Exzitoneneffekte spielen (fast) keine Rolle
ICSM2000, July 15-21 2000
A Member of DuPont iTechnologies
Multifunctionality: Rectification, light emission and photodetection
G. Yu et al., APL 64, 1540 (1994); A.J. Heeger and G. Yu US Patent 5,504,323, 04/02/96
10-11
10 -9
10 -7
10 -5
10 -3
10 -1
10-5
10-3
10-1
101
103
105
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
I d and
I ph (m
A/c
m2 )
EL Intensity [arb. unit]
B ias [V]
20mW /cm 2, 430 nm
Iph
Id
aber: sehr geringe Quantenausbeuten !!
ICSM2000, July 15-21 2000
A Member of DuPont iTechnologies
Photoinduced charge transfer at a D/A interfaceN.S. Sariciftci et. Al., Science 258, 1474 (1992); N.S. Sariciftci and A.J. Heeger, Intern. J. Mod. Phys. B 8, 237 (1994).
Optoelectronic properties of bulk heterojunction diodes
Open circuit voltages
Carrier mobilities in composite materials
ICSM2000, July 15-21 2000
A Member of DuPont iTechnologies
Polymer PV cells: Future development
• Lowing Eg while retaining Voc
• Improving mobility in D, A materials• Blend processing and novel device structures• Improving F.F.• Optical engineering (e.g., concentrators)
• Target performance: comparable to a-Si PV cells
Zusammenfassung: Die Probleme der Polymersolarzellen
Problem 1: Ladungstrennung
-Ladungstrennung geht nur an Grenzflächen von zwei verschiedenen Materialien
- aufgrund geringer Diffusionslängen reichen „normale“ Heterostrukturen nicht aus → interpenetrierende Netzwerke
Problem 2: Ladungstransport- relativ hohe Bahnwiderstände aufgrund der geringen Beweglichkeiten →dünne Zellen bauen (dünnen Zellen heisst aber auch wenig Absorption)
Problem 3: Bandlücke- die halbleiterelektronisch guten und gut verstandenen organischen Halbleiter habe alle zu große BandlückenProblem 4: Stabilität
-Photostabilität organischer Materialien
Die Farbstoffsolarzelle (Grätzel-Zelle, Dye-sensitized solar cell)
Aufbau:-nanoskalige Partikel ergeben porösen Kontakt-adsorbierte Farbstoffmonolage sorgt für Absorption (ca. 1000-fach erhöht durch grosse Oberfläche)-Kontaktierung durch Elektrolyten (I-/I3-)
„Photoelektrochemische Solarzelle“
Reaktionen:
3-3
3
* (optische Anregung)* (Elektronentransfer, Oxidation des Farbstoffes)
2 3 2 (Reduktion des Farbstoffions)
Diffusion von I zur Gegenelektrode
2 3 (Reduktion von Triiodid
CB
S SS S e
S I S I
I e I
ω+ −
+ − −
− − −
+ →
→ +
+ → +
+ → zu Iodid)
Grätzel‘s-cell
A world record I-V-characteristic
Nature 2003
Zusammenfassung: Die Probleme der Grätzelzelle
- Wirkungsgrade für größere Fläche (Module) nur 5 %
- Hermetische Versiegelung für flüssigen Elektrolyten erforderlich
