Organische Photovoltaik

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1 Organische Photovoltaik

2 Konarka

3 Konarka Gegründet in 2001 als Spin-Off der UMass Niederlassungen in Österreich (Linz) und Deutschland (Nürnberg) Führende Patent Position mit mehr als 400 Patenten und Lizenzen Erfahrenes +50 Personen Team mit hoher technischer und industrieller Expertise bisherige Finanzierung >$80M ; Öffentliche Gelder > $20M Nuremberg, Germany R&D process development Headquarters: Lowell, MA USA Production & Application Linz, Austria R&D material & device

4 Einführung und Motivation - Warum Photovoltaik?

5 Kernprobleme der Menschheit im Jahr ENERGY 2. WATER 3. FOOD 4. ENVIRONME NT 5. POVERTY 6. TERRORISM & WAR 7. DISEASE 8. EDUCATION 9 DEMOCRACY Milliarden Leute Milliarden Leute Source: Richard Smalley, Energy & Nanotechnology Conference, Houston.

6 Energiemix in 2050 Erneuerbare Energien werden eine wesentliche Stütze 1. Reduktion der fossilen Brennstoffe 2. Auslaufen der Nuklearenergie; 3. Nachhaltige Entwicklung der Erneuerbaren, vornehmlich Solar 4. Verbesserung der Energie Produktivität Source: Scientfic Adivsor Committee of the German Governemnt for global environmental changes

7 Verfügbarkeit der Solar 1 x Wind 10 5 TW auf der Erdoberfläche 14 10,000 TW TW (technischer Wert) Biomasse 5-7 TW Strömungs- Kraftwerke 0.7 TW Geothermie 1.9 TW Erneuerbaren Versorgungslücke ~ 14 TW in 2050 ~ 33 TW in 2100 Wasser 1.2 TW technisch ma 0.6 TW installierte Lei Source: Arthur Nozik

8 Die Terrawatt Herausforderung Durch das momentane Bevölkerungswachstum wird der Energieverbrauch im Jahr 2050 auf ~28 TW ansteigen, im Vergleich zu ~11 TW heute. Um CO 2 auf 550 ppm (2fache Menge der Vorindustrialisierung) zu halten, muss ein Großteil der zusätzlichen Energie aus CO2 Source: M Graetzel. freien Energie Quellen kommen.

9 Welche Arten der Sonnenenergie gibt es Solar Elektrizität Solar Treibstoff Solar Thermie h + e - CO 2 sugar H 2 O H N N NC H H O N N N CH3 H 2 O O 2 O 2 CO 2 H 2, CH 4 CH 3 OH C Wasser erwärmung Photovoltaik Natürliche Photosynthese Artifizielle Photosynthese C Dampfmaschinen Stromgeneratoren Courtesy A. Nozik

10 Welche Parameter treiben Anwendungen /kwh W/m² /Wp Kg-m 3 /Wp Source: Fraunhofer ISE /m² esthetics flexibility W/mm² Source: EPIA World Market Analysis

11 Märkte Off-Grid Industrial Consumer 90 MW / 9% 20 MW / 2% 90 MW / 9% Economically viable Off-Grid Residential On-Grid 800 MW / 80% Dependant on market support programs Source: Strategies Unlimited

12 PV Wachstums Projektion GW $40B $30B $20B $10B Source: CISA, Sun Screen 2

13 Der globale Energiemix was kann die Photovoltaik beitragen Source: US DoE, 2004

14 Kosten Achillesferse PV muss eine signifikante Kostenreduktion durchlaufen um mit den nicht erneuerbaren Energieträgern mithalten zu können der Photovoltaik Die momentanen industriellen Kostenprojektionen sehen die Photovoltaik innerhalb der nächsten 10 Jahre wettbewerbsfähig zum dem Peak Energie Verbrauch Source: RWE Group

15 Warum organische Photovoltaik brauchen wir noch eine weitere PV Technologie?

16 Kosten - PV vs. anderen Technologien from Martin Green, UNSW

17 Ein Technologie Durchbruch benötigt Grundlagen Welche Strategie sichert die Kostenreduktion nachhaltiger eine evolutionäre Entwicklung oder eine revolutionäre Entwicklung? Nur ein Mix von beiden gibt hohe Sicherheit From T. Surek, JCG, 2005

18 Photovoltaik Roadmap Die meisten PV Roadmaps sehen den Markteintritt von neuen Photovoltaik Technologien zwischen 2020 und 2030

19 Strategie zur Kostenreduktion Eine billige PV Technologie MUSS: auf einem skalierbaren, günstigen und hochvolumigen Produktionspro zess beruhen geringen Invest haben auf

20 Fertigungsvision Als Konsequenz, WIRD solch eine Technologie auf Rolle zu Rolle Druck und Coating Prozessen beruhen kompatibel zu niedrigen Prozesstemperaturen sein. dünne und flexible Produkte

21 Produktion durch [nm] [µm] IC s Massendruck traditio nal microel ectroni c resolution (Integration) MEM s PCB Traditioneller Bilderdruck UND zukünftiger Funktionsdruck productivity [m 2 /h] Source: Kinnban, Handbookof Printmedia & A. Huebler, Print u Medientechnik, Univ. Chemnitz

22 Einleitung in die gedruckte (organische) PV

23 2- - Bulk-heterojunction Komposite Eine PV junction ist charakterisiert durch die Diodeneigenschaft für Ladungsträger e - Die Mehrheit der Ladungsträger kann die Barriere der Diode nicht ohne Rekombination überkommen. 3- OMe O Schilinsky et al, JAP, 2004 Waldauf et al, JAP, 2006

24 Bulk-heterojunction Komposite Brabec et al, MRS Bulletin 2005 Brabec, SOLMAT, 2004

25 Power Plastic TM Technology Laminatdicke: micron Brabec et al, MRS Bulletin 2005 Brabec, SOLMAT, 2004

26 Bulk Heterojunction Erprobte R2R Produktion NREL Zertifikat über 10.4 % Komposite DSSC Hybrid template, liquid BHJ Erprobte R2R Produktion NREL Zertifikat über 5.2% OPV Organic, solid BHJ Nicht zertifizierte Effizienz über ~ 4.5 % Hybrid SC Hybrid template, solid BHJ

27 Materialien für Bulk Heterojunction Organische Halbleiter: Konjugierte Polymere: Polythiophene, Polyfluorene, Klein Moleküle: Fullerenes, Phtalocyanine, Pentacene Anorganische Halbleiter: Quantum dots: ZnS, ZnSe, CdTe, CdS, PbS, PbSe, Nanoparticle, Nanorods: Si, Ge, GaAs,..

28 Effizienz Roadmap Keine fundamentale Limitation bis 20 % Single junction Solarzellen werden 10 % innerhalb weniger Jahre erreichen Tandem und mehrfach junction concepts Solarzellen werden die Rekordeffizienzen ab 2010 dominieren Efficiency (%) United Solar UCSB 1995 NREL United Solar University of Lausanne Cambridge 2000 NREL NREL U. Linz NREL NREL Konarka Konarka Siemens Siemens 2005 Sharp Konarka Thin Film Technologies Cu(In,Ga)Se 2 CdS/CdTe a- Si/a-SiGe Emerging PV Dye cells OPV (polymer) OPV multiple junction OPV single junction 4 0 Year

29 Synergien zu anderen Technologien Flexible und transparente Elektroden Nanoimprinting und patterning

30 Transparente Stromversorgung Building Integrated PV (BIPV) ist einer der schnellst wachsenden PV Anwendungen. BIPV unterstützt das Konzept von kostengünstige

31 Transparente Elektroden Jede semitransparente Solarzelle braucht zwei transparente, leitfähige Elektroden Das Standard Material für diese Elektroden ist ITO, das auf teurem Indium beruht

32 Drucken von transparenten Elektrode Neue Materialklassen erlauben den Direktdruck von hochtransparenten Elektroden Folgende nanostrukturierte Materialklassen sind viel versprechend Wesentliche Synergien mit Displays & Lightning Metallische & Carbon

33 Synergien zu anderen Technologien Flexible und transparente Elektroden Nanoimprinting und patterning

34 Light Management Manipulation von Licht Gut erprobte Technologie Generation von optischen Effekten durch periodische Nanostrukturen in Kombination mit Brechungsindexunterschieden Diese Technologie ist kommerzialisiert als holographische Gratings oder Kinegrams Findet Anwendung in der Verpackung, Beleuchtung, Sicherheitsmerkmale.

35 Light management Nanoimprinting Nanoimprinting erlaubt die Erzeugung von ~ 100 nm Strukturen auf periodischen Substraten. Drei Technologien etabliert, alle kompatibel zu Rolle zu Rolle Prozessierung Soft embossing Hot embossing UV Nano Imprint Lithographie Source: Scarpa et al, Lugli et al, TU Munich

36 Light Management Manipulation von Licht Nanostrukturierung von dünnen Halbleiterschichten erlaubt die Effizienzerhöhung von Solarzellen Erlaubt die Manipulation des optischen Erscheinungsbildes von Dünnschichtsolarzellen Wesentliche Synergien mit Displays & Lightning Optoeletronic Source: ISE Fhg :Inganäs et al, Linköping University Shtein et al, Michigan University

37 Anwendungen & Märkte

38 OE-A Roadmap für die organische PV OE-A, die organic electronic association ist eine Arbeitsgruppe der VDMA (Verein der deutschen Maschinen und Anlagenbauer)

39 Indoor Roadmap Performance Gute Indoor perofrmance, Lebenszeit besser Batterien In-line Produktion Verbesserte Robustheit Smart Cards Weiter Entwicklung der Märkte Elec. Signage Sensors Smart Packaging Elec. Shelf Labels Military Sensors Toys/Games

40 Roadmap für portable Performance Anwendungen Höhere Integration in attraktive Formfaktoren Bewährte Robustness von integrierten Folien Effizienz geringere Fläche Charger (in-the-box) Integrated Infused (avail. area) Accessory Charger Military ChargerCharger (after-market)

41 Outdoor Roadmap Jahre Lebenszeit Effizienz > 7 Jahre 5 Jahre Lebenszeit Performance 3 Jahre Lifetime, Entwicklungs Beschleunigung Jalousien Gebäudeintegriert Beschattung Zelte Militär Zelte

42 Vision

43 Zusammenfassung Photovoltaik, speziell die gedruckte Photovoltaik, ist eine fantastische Option für die nachhaltige Energieproduktion Eine schnelle Entwicklung braucht ausreichend Unterstützung: Fokussierte öffentliche Projekte zur Stärkung der grundlagenorientierten und anwendungsorientierten Forschung, eng gekoppelt an erste Applikationen Aufbau und Ausbau von Kompetenzzentren,