Organische Solarzellen - Teil 2
von
Andreas Dietz
Experimentalphysik Hauptseminar der Universität Stuttgart
WS 2011/12
Quelle: http://www.heliatek.com/
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Gliederung
• Materialien
• Herstellungsverfahren
• Effizienz unterschiedlicher Zelltypen
• Effizienzlimitierende Faktoren
• Physikalische Optimierungsansätze
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Materialien
Quelle: Prof. Dr. Gerhard Gobsch, TU Ilmenau, Erfurt (2006)
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Materialien
• Löslichkeit
• Verfügbarkeit
• keine Hochtemperaturprozesse
• keine Vakuumprozesse
• Recyclebar
• höhere Absorptionskoeffizienten
• geringere Absorptionsbandbreite
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Materialien
Quelle: http://www.zmescience.com/research/graphene-microchip-10102011/
Graphen
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Materialien
PEDOT
Poly(3,4-ethylendioxythiophen)
Polythiophen
leitfähig
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Materialien
Quelle: http://geoffhutchison.net/gallery/molecules/polymers/P3HT.png.html
P3HT
Poly-3-hexylthiophen
Bandlücke: 1,85eV
Absorbtiosband: ca. 300nm
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Materialien
Quelle: Yanmin Wanga, WeiWei, XinLiu, YijieGu; Research progress on polymer heterojunction solar cells, Shandong, China, 2011
PCBMphenyl-C61-butyric acid methyl ester
Elektronenakzeptor
P3HTPoly-3-hexylthiophen
Elektronendonator
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Materialien
Quelle: http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/organic-electronics/plexcore-pv-ink-system.html
25ml P3HT:PCBM-lösung und 25ml PEDOT-lösungca. 1.100 $
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Materialien
Donor-Materialien
PCPDTBTpoly[2,6-(4,4-bis- (2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b’]-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]
PF10TBpoly(9,9-didecanefluorene-alt-(bis-thienylene) benzothiadiazole)
PCDTBTpoly[N-9”-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4’,7’-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole)
Quelle: J. PEET et al, Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols, Santa Barbara USA (2007)
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Herstellungsverfahren
Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010
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Herstellungsverfahren I
Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=J0_dpx5kPiw
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Herstellungsverfahren I
spin coating
• kleine Flächen
• hoher Materialverlust
• empirisches Herstellungsverfahren
• Multilayersysteme problematisch
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Herstellungsverfahren I
spin coating
• gute Dickenhomogenität
• geringe Rauhigkeit
• stufenlose Schichtdicken über mehrere Größenordnungen ca. 10nm – 1µm
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Herstellungsverfahren II
doctor blading - Schichtdicken >µm
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Herstellungsverfahren III
Quelle: http://advanced-machinery.com/new_machinery/view_category/id/182
roll to roll coating - Schichtdicken <µm
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Herstellungsverfahren
Schichtdicken OSZ: ~100nm
Schichtdicken ASZ: ~100µm
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Herstellungsverfahren
annungLeerlaufsp:V
sstromKurzschlus:j
Füllfaktor:FF
P
VjFF
adWirkungsgr
OC
SC
L
OCSC
Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010
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Herstellungsverfahren
• Lösungsmittel
• Mischungsverhältnis (Polymer/Fulleren)
• Lösungskonzentration
• Chemische Struktur
• (Nachbearbeitung z.B. Tempern)
→ self assembly layer
Beeinflussung der Nanomorphologie
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Herstellungsverfahren
Quelle: J. PEET et al, Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols, Santa Barbara USA (2007)
Lösungsmittel
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Herstellungsverfahren
Quelle: Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009)
Mischverhältnis
keine IR Absorption
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Herstellungsverfahren
Quelle: Prof. Dr. Gerhard Gobsch, TU Ilmenau, Erfurt (2006)
Tempern
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Herstellungsverfahren
Quelle: http://www.solarserver.de/solarmagazin/artikelmaerz2006.html
Kosten/Energiebilanz
Kosten Si-Zellen
Herstellungsenergie nach ca. 2,5 Jahren geernetet.
ca. 2 - 4 Monate bei OSZ
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Effizienz unterschiedlicher Zelltypen
Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010
Polaronpaar-Diffusionslänge: ~5nm
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Effizienz unterschiedlicher Zelltypen
Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010
I1=I2
EBL1 > EBL2
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Effizienz unterschiedlicher Zelltypen
Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010
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Effizienz unterschiedlicher Zelltypen
Quelle: M. A. Green et al, Solar cell efficiency tables (version 39), (2011); http://www.heliatek.com/?p=1346
GaAs (thin film) InGaP/GaAs/InGaAs
OS Einzelzelle OS Tandemzelle
OSZ
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Effizienzlimitierende Faktoren
Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010
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Effizienzlimitierende Faktoren
Quelle: http://www.iundm.de/lars/2_Grundlagen.htm
1,3 kW/m² davon ca. 50% Licht
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Effizienzlimitierende Faktoren
Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010
Wichtige Parameter: Perkolation, Traps, Längenskala
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Effizienzlimitierende Faktoren
Quelle: Zhibing Wang et al, Technology ready use of single layer graphene as a transparent electrode for hybrid photovoltaic devices, Pennsylvania USA
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Effizienzlimitierende Faktoren
• Leitfähigkeit
• Absorptionskoeffizient
• Dielektrizität
• Bandlücke
• Degradation (durch UV, H2O, O2,…)
• unskalierbare Herstellungsverfahren
• Nanomorphologie
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Physikalische Optimierungsansätze
• Neue Materialien
• Beeinflussung der Nanomorphologie
• Tandemzellen/Multilayer
• Optimierung der optischen Eigenschaften
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Physikalische Optimierungsansätze
Quelle: Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009)
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Physikalische Optimierungsansätze
Quelle: Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009)
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Zusammenfassung
• Forschung hat wirtschaftliche η=10% Marke erreicht
• Neue Materialien erforderlich
• Massenfertigungstechniken ausbauen
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Literatur• Yanmin Wanga et al, Research progress on polymer heterojunction solar cells, Shandong China (2011)• Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg
(2010)• J. PEET et al, Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane
dithiols, Santa Barbara USA (2007)• Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching
100%, Santa Barbara USA (2009)• M. A. Green et al, Solar cell efficiency tables (version 39), (2011)• Zhibing Wang et al, Technology ready use of single layer graphene as a transparent electrode for hybrid
photovoltaic devices, Pennsylvania USA• M. Limpinsel et al, Investigation of the Photocurrent in Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg (2010)• X. Blase et al, First-principles GW calculations for fullerenes, porphyrins, phtalocyanine, and other
molecules of interest for organic photovoltaic applications, Grenoble Frankreich (2010)• William Shockley, Hans J. Queisser, Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells,
Palo Alto California (1960)• P. Vanlaeke et al, P3HT/PCBM bulk heterojunction solar cells: Relation between morphology and
electro-optical characteristics, Leuven Belgien (2006)• Versuchsanleitung Fachpraktikum: Mikroelektronik und Sensorik - Spin Coating von Polymerschichten,
TU Ilmenau• Prof. Dr. Gerhard Gobsch, TU Ilmenau• http://www.sigmaaldrich.com• http://www.heliatek.com• http://www.solarserver.de/solarmagazin/artikelmaerz2006.html• http://www.youtube.com/watch?v=J0_dpx5kPiw• http://gehrcke.de/files/stud/gehrcke_lichtner_LMprak_organische_solarzellen.pdf
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