Neue Entwicklungen im Bau von Solarzellen mit aktiven organischen Materialien

Transkript

1 Neue Entwicklungen im Bau von Solarzellen mit aktiven organischen Materialien Prof. Frank Nüesch Abteilung Funktionspolymere Empa 8600 Dübendorf

2 Halbleitermaterialien Silizium Germanium In Organische Einkristalle und amorphe Pulver Cu Se CI(G)S

3 Silizium Kristallstruktur gie Energ Bandlücke 1eV Energieniveaus der Si Atome Energiebänder des Si Kristalls

4 Molekülkristall Energie Bandlücke 1eV Merocyaninfarbstoff Energieniveaus des Moleküls Energiebänder des Molekülkristalls

5 Eigenschaften von organischen Halbleitern Organische Halbleiter sind als reiner Festkörper Isolatoren.Leitfähigkeit kann durch Injektion oder chemisches/physikalisches Dotieren erreicht werden Organische Halbleiter sind weich und duktil Organische Halbleiter, insb. auf Farbstoffen basierend, weisen sehr hohe Absorptionskoeffizienten aus, die 100 mal grösser als diejenigen von anorganischen Halbleitern sein können Organische Halbleiter haben schmale Absorptionsbänder Organische Halbleiter haben geringe Ladungsträgermobilitäten, die 3 bis 6 Größenordnungen kleiner sind als bei anorganischen Halbleitern Die Eigenschaften von organisch Halbleitern können durch chemische Synthese fast beliebig angepasst werden (Absorption, Löslichkeit, Kristallinität) 5

6 Organischer Donor-Akzeptor Übergang Hans Meier, Bamberg 1960 Grenzschicht Leitungsband zur Elektrode V zur Elektrode Valenzband Akzeptor Material Donor Material

7 Entwicklung organischer Laborsolarzellen weltweit 10 amorphes Silizium Mitsubishi Chemical Heliatek 8 Heliatek Solarmer Konarka Heliatek Solarmer Solarmer Wirkungsg grad (%) Kodak Univ. Princeton Univ. Santa Barbara Univ. Princeton Univ. Los Angeles Univ. Groningen Univ. Linz Cavendish Laboratory Siemens Univ. Linz Konarka Heliatek Univ. Santa Barbara Plextronix NREL, Konarka, Univ. Linz Kleine Moleküle (Farbstoffmoleküle) Polymere

8 Solarzellenaufbau bei Solarmer und Heliatek photon exciton anode electron-hole pair cathode 100 nm

9 Ultradünne Absorberschichten e N ClO 4 - N+ CyC C 60 Lichtteilchen + Pol Transp. Elektrode Elektronen Donor ~30 nm Elektronen Akzeptor Aluminium pristine - Pol doped mol/mol NOBF 4 absorption Fan B., Castro F. A., Heier J., Hany R., Nuesch F., Org. Electron., 11, 2010, Bilayer device

10 Ionische Farbstoffe für organische Solarzellen Empa licenced

11 Lebensdauer von organischen Solarzellen M. Jorgensen et al., Adv. Mater. 2012, 24, Suren A. Gevorgyan et al., Solar EnergyMaterials&SolarCells95(2011)

12 R2R Herstellungsverfahren Tiefe Kosten verlangen: Verfahren mit hohem Durchsatz (geringe Amortisierung) -> R2R Fabrikation der Substrate -> R2R Fabrikation der aktiven Solarzellschichten -> R2R Herstellung der Einkappselungsschichten Es braucht flexible Substrate, -> günstige Barriereschichten -> kostengünstige transparente, flexible Elektrode -> Integrierte Leiterbahnen Erstes Produkt. Ladetasche mit Konarka Solarzelle

13 Entwicklung von Gewebeelektroden (KTI Projekt) 13

14 Anforderungen an die Device-Einkapselung Ca Test Mocon Test Lebensmittel-verpackung Plastik substrate ( PET, PEN, PP) S. Logothetidis Materials Science and Engineering B 152 (2008)

15 Neue Entwicklungen in Farbstoffzellen The Interdisciplinary Committee of the World Cultural Council has selected Prof. Michael Grätzel as the winner of the ALBERT EINSTEIN World Award of Science 2012.

16 "Durchsichtige" Farbstoffzellen Photovoltaische Fenster Flexible, durchsichtige PV Filme Tandem Solarzellen ll Absorption von Squarainfarbstoffen UV Vis NIR AM Modelierung Synthese LUMO HOMO e / Wm -2 nm -1 Spectral Irradiance Dyes in solution A / a.u u wavelenght / nm Synthesis Demonstratoren Solarzellenherstellung N O O HO O N + sichtbar rot NIR

17 Neue Redox-Mediatoren 12.3% using porphyrin dye Aswani Yella et al., SCIENCE VOL 334 (4), p. 629, 2011 Jun-Ho Yum et al., nature communications 3:

18 Neue Elektrolytsysteme flüssig Geringer Dampdruck Gute Ionendiffusion 1 Sonne 0.3 Sonne 0.1 Sonne Bestrahlung mit 0.8 Sonne à/ 60 C Stability tests at 60 o C conducted by Toyota Research(Asin) R. Harikisun, H. Desilvestro / Solar Energy 85 (2011)

19 Empa Akademie

20 Danksagung