Organische Photovoltaik und ihr Beitrag zur Energiewende

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1 Organische Photovoltaik und ihr Beitrag zur Energiewende 4. Photovoltaik-Symposium»Photovoltaik und Energiewende«, TGZ Bitterfeld-Wolfen Dr. Olaf R. Hild, Bitterfeld-Wolfen,

2 Gliederung Vorstellung des Fraunhofer COMEDD Organische Photovoltaik: Geschichte, Funktionsweise, Stand der Technik, Märkte Vergleich OPV - PV OPV und Energiewende Zusammenfassung Olaf R. Hild I I slide 2

3 Gliederung Vorstellung des Fraunhofer COMEDD Organische Photovoltaik: Geschichte, Funktionsweise, Stand der Technik, Märkte Vergleich OPV - PV OPV und Energiewende Zusammenfassung Olaf R. Hild I I slide 3

4 Fraunhofer COMEDD Research Institution for Organics, Materials and Electronic Devices Directors: Prof. Dr. Waldemar Hermel (temp.) Dr. Christian May (Deputy) Figures 2013: Permanent staff: 80 Scientific assistants: 11 Operating budget: 7.7 Mio Industrial commissions: 1 Mio Basic funding: 34 % Business Units: Lighting and flexible integration OLED microdisplays and sensorics Process technologies and photovoltaics Olaf R. Hild I I slide 4

5 Organic Photovoltaics COMEDD Anwendungen (Auswahl) Microstructured OLED OLED on CMOS Lighting/Signage Flexible Devices See also: Olaf R. Hild I I slide 5

6 OLED/OPV-Linien am Fraunhofer COMEDD 200 mm System Glass substrates, metal and polymer web up to 200 x 200 mm² Gen2 Line Glass substrates 370 x 470 mm² R2R Line Metal and polymer web up to 300 mm width Olaf R. Hild I I slide 6

7 Gliederung Vorstellung des Fraunhofer COMEDD Organische Photovoltaik: Geschichte, Funktionsweise, Stand der Technik, Märkte Vergleich OPV - PV OPV und Energiewende Zusammenfassung Olaf R. Hild I I slide 7

8 Meilensteine der organischen Elektronik Anfang des 20. Jahrhunderts erste Untersuchungen zu den elektrischen Eigenschaften organischer Materialien 1970s: Entdeckung von (halb-)leitenden Polymeren 1980s: Entdeckung von OLEDs (Tang), erstmals nennenswerte Elektrolumineszenz erreicht. 2000: Nobel Preis in Chemie Entdeckung und Entwicklung von leitfähigen Polymeren (Heeger, MacDiarmid, Shirakawa) Olaf R. Hild I I slide 8

9 Geschichte der OPV (I) 1959: Erstmals Photostrom in Anthracen beobachtet (Kalman und Pope) In den nächsten zwei Jahrzehnten wurde über mehrere einfache organische Bauelemente berichtet: Mit Metall-Organik-Übergängen η< 0.1% 1985 gelang Tang (Kodak) der Durchbruch η~ 1% Bestehend aus einem flachen Übergang von Elektronen-Donor (D) und einem Elektronen-Akzeptormaterial (A) heterojunction Später wurde die bulk heterojunction, eine Mischung von Donor und Akzeptor in einer Schicht eingeführt, weitere Entwicklungen folgten, z.b. Tandemzellen Development of the architecture of organic solar cells over time starting with a planar heterojunction in 1985, a bulk heterojunction in 1991, the insertion of an electron blocking layer (2000), doped transport layers (2004) and the tandem approach (2005). Olaf R. Hild I I slide 9

10 Geschichte der OPV(II) Umweltbewusstsein, steigende Energiepreise, Forschungsförderung sorgten für neue Bauelementkonzepte, Materialien und damit steigende Wirkungsgrade und Lebensdauern. Zertifizierte Zellen Mit mehreren OPV Technologien wurden bereits Wirkungsgrade von 12% erreicht, Lebensdauern von mehreren Jahrzehnten plausibilisiert Olaf R. Hild I I slide 10

11 Motivation zur Entwicklung der OPV Die Entwicklung von Organischer Photovoltaik ist motiviert durch: Potentiell kostengünstige Produktion in Rolle-zu-Rolle Nutzung von ungiftigen, schwermetallfreien Materialien Geringer Verbrauch aktiver Materialien (~ 1g/m 2 ) Kurze Energierücklaufzeiten << 1 Jahr Gutes Schwachlichtverhalten und Temperaturverhalten Flexible, farbige, transparente und leichte Bauelemente sind möglich Produktrelevante Lebensdauern und Wirkungsgrade sind erreicht Flexible Organic Solar Module Colored Organic Solar Module Transparent Organic Solar Module Olaf R. Hild I I slide 11

12 Klassifizierung Organischer Photovoltaik Bezogen auf die Materialklasse: Polymer vs. small molecule Bezogen auf die Architektur des Donor-Akzeptor-Übergangs Bulk (co-deposition) vs. planar heterojunction (layer-by-layer) Bezogen auf die Schichtreihenfolge: Bottom (ITO als transparente Elektrode) vs. top absorbierend (transparente Top-Elektrode) Olaf R. Hild I I slide 12

13 Klassifizierung Organischer Photovoltaik Klasse Vorteile Nachteile bulk - Große D-A-Grenzfläche, dadurch bessere Exzitonenseparation und Ladungsträger Erzeugung planar - Transportwege für Löcher und Elektronen sind frei Bottom - Schwacher optischer Kavitätseffekt Top - Opake Substrate (Metallfolie) sind verwendbar Transparent - Transparente Bauelemente, z.b. f. Smart Windows - Ladungsträgerbeweglichkeit ist deutlich kleiner als in intrinsischen Schichten, mehr Rekombinationsprozesse! - Kleine D-A-Grenzfläche - Nutzt heute hauptsächlich ITO als Elektrode - Starker Mikrokavitätseffekt, hohe Prozessstabilität (Schichtdicken) erforderlich - höhere Reflektivität - Effizienzverlust Olaf R. Hild I I slide 13

14 Klassifizierung Organischer Photovoltaik Klasse Vorteile Nachteile Polymere - Hohe Leitfähigkeit entlang der Polymerkette - Gute Löslichkeit Small molecule Anthracene (the classic organic semiconductor) N 0 0 Al N N 0 - Leichte Reinigung durch Sublimation - Gut definierbare Schichtdicken durch Vakuumverdampfung - Gut dotierbar Small molecules Alq 3 (classic ETL material) PTCDA derivatives (strong absorption) NPB (classic hole transport material) - Reinheitskontrolle schwierig/ Batchvariationen - Aufreinigung aufwändig - Schlechte Löslichkeit - Niedrigere Glasübergangstemperatur T g polymers trans poylacetylene (classic ) Poly (paraphenylvinylene) (PPV) Olaf R. Hild I I slide 14

15 Schichtreihenfolge von Org. Solarzellen metal ETL EA n IP AL HTL i i D A 200 nm p ITO Layer sequence of an OSC device and the corresponding energy levels of each layer. ITO = indium tin oxide, HTL = hole transport layer, AL = absorption layer, ETL = electron transport layer. E Olaf R. Hild I I slide 15

16 Funktionsweise eines D-A Übergangs i. Lichtabsorption und Exzitonenbildung ii. Exzitonendiffusion zum Donor-Akzeptor-Interface Detail of a bulk heterojunction OSC and the photoelectric processes occuring for charge generation. Exzitonenbildung Ladungstransfer Exzitonenseparation iii. Exzitonendissoziation durch Ladungstransfer iv. Exzitonenseparation v. Ladungstransport durch hopping -Mechanismen Alle Schritte beeinflussen die Effizienz! (J SC ) Kritischer Schritt: Exzitonenseparation Olaf R. Hild I I slide 16

17 Modul-Architektur Top view Seitenansicht cathode organic layers anode substrate - + n I total = I 1 = I 2 = = I n current density J (J = I/A), J total = J n V total = V n = V 1 + V V N Monolithische Verschaltung während des Herstellungsprozesses durch Schattenmasken, Drucktechnik und/oder Laser-Prozesse Olaf R. Hild I I slide 17

18 Stabilität, Verkapselung und Ursachen für Degradation Zeitliche Abnahme von Strom und FF; V oc ist lange stabil Wasser ist deutlich problematischer als Sauerstoff: Wasser oxidiert die Al Elektrode Solvatisiert/hydrolisiert die Organik Gute Verkapselung ist erforderlich! WVTR ~ 10-5 g/m 2 und Tag! M. Hermenau et al. Solar En. Mat. & Solar Cells 95, 1268 (2011) Olaf R. Hild I I slide 18

19 Verkapselung von OPV Glas/Glas-Verkapselung Glas/Barrierefolie-Verkapselung Barrierefolienverkapselung Dünnschichtverkapselung Olaf R. Hild I I slide 19

20 Lebensdauer von ZnPc:C 60 OPV Zellen PIN-Struktur Glas-Verkapselung Lichtintensität: ~ 2 Sonnen Quelle: Christiane Falkenberg, PhD thesis, TU Dresden Extrapolierte Lebensdauer: Bis zu 37 Jahre! Herausforderung: Bleibt die Verkapselung solange stabil? Olaf R. Hild I I slide 20

21 OPV Markt #: Inklusive CIGS (Glas + Flex), OPV, DSSC Markterwartung für OPV verhalten (IDTechEx): 87 Mio US-$ in 2022 Jahr Mrd. US-$ 2,64 2,89 3,08 3,41 3,75 4,05 4,73 5,5 7,28 8,05 8,93 Wachstum/ % 9,47 6,57 10,71 9,97 8,00 16,79 16,28 32,36 10,58 10,93 Olaf R. Hild I I slide 21

22 Gliederung Vorstellung des Fraunhofer COMEDD Organische Photovoltaik: Geschichte, Funktionsweise, Stand der Technik, Märkte Vergleich OPV - PV OPV und Energiewende Zusammenfassung Olaf R. Hild I I slide 22

23 Flexibilität und Gewicht Anorganische PV benötigt hohe Temperaturen in der Herstellung Polymerfolien als Substrat scheiden aus. Flexible Polymerfolien ermöglichen: beliebige Formen (1D realisiert, 2D in der Entwicklung) geringes Gewicht: kg/m 2 OPV solar roof. Belelectric OPV integrated in a car rooftop Heliatek OPV integrated in a bus stop shelter Konarka Olaf R. Hild I I slide 23

24 Temperaturverhalten(I) Solarzellen müssen unter extremen Bedingungen funktionieren: T Outdoor = C Der Wirkungsgrad von Si-Basierten Solarzellen sinkt mit steigender Temperatur (Normbed.: 25 C) Olaf R. Hild I I slide 24

25 Temperaturverhalten(II) Der Wirkungsgrad von Si-basierten Solarzellen sinkt mit steigender Temperatur Messung einer kalibrierten Si-Referenzzelle in einem Temperaturbereich von 20 bis 60 C V OC = -14% FF= -5% J SC = -3% η = -19% Olaf R. Hild I I slide 25

26 Temperaturverhalten(III) Der Wirkungsgrad von organischen Solarzellen a steigt mit steigender Temperatur Messung einer org. Solarzelle in einem Temperaturbereich von 20 bis 60 C V OC = -7% FF= +6% J SC = +12% η = +12% a 130 nm ITO / 50 nm p-spiro-ttb / 35 nm C 60 :ZnPc / 20 nm C 60 / 15 nm n-c 60 / 200 nm Al. Olaf R. Hild I I slide 26

27 Tageszeit abhängige Stromerzeugung Vergleich von a-si-zellen und org. Photovoltaik über den Tag OPV zeigt eine geringere Winkelabhängigkeit der Einstrahlung OPV zeigt besseres Schwachlichtverhalten Olaf R. Hild I I slide 27

28 Gliederung Vorstellung des Fraunhofer COMEDD Organische Photovoltaik: Geschichte, Funktionsweise, Stand der Technik, Märkte Vergleich OPV - PV OPV und Energiewende Zusammenfassung Olaf R. Hild I I slide 28

29 OPV und Energiewende Für die OPV gelten grundsätzlich die gleichen Bedingungen wie für andere PV-Technologien Die OPV kann zu einer Entlastung der Stromnetze beitragen, da: sie besonders für mobile Anwendungen geeignet sind über den Tagesverlauf eine längere Nutzung/Energiegewinnung erlaubt Nutzung von Flächen, die bisher nicht (sinnvoll) nutzbar waren Erneuerbare Energien können ausreichend Strom erzeugen, nur nicht immer am Ort und zur Zeit des Bedarfs! Der Schlüssel zur erfolgreichen Energiewende liegt in der geeigneten Kombination von Stromtransport, Stromerzeugung und Speicherung sowie dem Energiesparen Olaf R. Hild I I slide 29

30 Gliederung Vorstellung des Fraunhofer COMEDD Organische Photovoltaik: Geschichte, Funktionsweise, Stand der Technik, Märkte Vergleich OPV - PV OPV und Energiewende Zusammenfassung Olaf R. Hild I I slide 30

31 Zusammenfassung Organische Photovoltaik hat anwendungsrelevante Wirkungsgrade erreicht Norm-Bedingungen zur Angabe des Wirkungsgrades benachteiligen die OPV Die OPV verzichtet auf toxische Materialien und hat eine kurze Energierücklaufzeit Technologien für die Aufskalierung sind verfügbar Herausforderung für die OPV sind die Kosten und die weitere Entwicklung von Konkurrenztechnologien Erste Märkte werden Nischenmärkte sein, der Gesamtmarkt für OPV wird mit < 100 Mio. US-$ eher überschaubar bleiben, es sei denn durch weitere Entwicklungen sinken die Kosten oder es steigen die Wirkungsgrade Die OPV wird einen Beitrag zur Energiewende durch mobile Nutzung, Erschließung neuer Flächen und längere Nutzung über den Tag leisten Olaf R. Hild I I slide 31

32 Danksagung Vielen Dank an: Alle COMEDD Mitarbeiter Prof. Karl Leo für die Zusammenarbeit am COMEDD und der TU- Dresden/IAPP das BMBF für die finanzielle Förderung des Projektes LOTSE, Fkz: 03EK3505B Olaf R. Hild I I slide 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Olaf R. Hild I I slide 33