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Ralf Heintze
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1 F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R P H O T O N I S C H E M I K R O S Y S T E M E I P M S GLOSSAR ORGANISCHE PHOTOVOLTAIK 1

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3 AM (englisch Air mass) Das Spektrum und die Intensität der Solarstrahlung ist abhängig von der Weglänge des Lichts durch die Atmosphäre. AM 0 ist definiert als das Spektrum außerhalb der Atmosphäre (extraterrestrisches Spektrum) im Weltraum, AM 1 ist das Spektrum der senkrecht auf die Erdoberfläche fallenden Sonnenstrahlen, d. h. die Sonne muss dafür genau im Zenit stehen und für AM 1,5 ist der Zenitwinkel. 48,2. Bei AM 1,5 beträgt die globale Strahlungsleistung 1000 W m -2 (100 mw cm -2 ). AM = 1,5 wird als Standardwert für die Vermessung von Solarmodulen verwendet. Man kann AM 1,5 mit künstlichen Lichtquellen unter Verwendung von Filtern simulieren (Solarsimulatoren). Austrittsarbeit (work function) Diese Arbeit muss mindestens aufgewandt werden, um ein Elektron aus einem ungeladenen Festkörper zu entfernen. In der Regel wird die Austrittsarbeit in Elektronenvolt (ev) angegeben. Exziton (exciton) Ein Exziton ist ein gebundener Zustand von Elektron und Loch in einem Halbleiter. Es ist somit eine elementare Anregung des Festkörpers. Ein Exziton kann sich durch den Kristall bewegen und transportiert dabei seine Anregungsenergie durch diesen hindurch. Ein Exziton kann z. B. entstehen, wenn ein Photon in einen Halbleiter eindringt und ein Elektron zum Übergang aus dem Valenzband in das Leitungsband anregt. Das Elektron und das im Valenzband entstandene, entgegengesetzt geladene Loch ziehen sich durch die Coulomb-Kraft gegenseitig an. Ein Frenkel-Exziton beschreibt die Situation, bei der Elektron und Loch an einem Gitterplatz lokalisiert sind. Das wird beobachtet, wenn das Material, in dem es angeregt wurde, eine hohe Exzitonen-Bindungsenergie aufweist. Insbesondere die rein thermische Anregung reicht dann bei Raumtemperatur nicht mehr aus, um Elektron und Loch voneinander zu trennen. Fermi-Niveau Es ist im Bändermodell von Festkörpern das zur Fermi-Energie E f gehörende Energieniveau. Am absoluten Nullpunkt sind alle darunter liegende Zustände vollständig besetzt, 3

4 alle darüber liegenden Zustände leer. Mit zunehmender Temperatur und unter Belichtung erfolgt eine Population von den besetzten in unbesetzte Zustände. FTO Ist ebenso wie ITO ein transparentes, leitfähiges Metalloxid. Dabei ist Zinnoxid zur Erhöhung der Leitfähigkeit mit Fluor dotiert. ITO und FTO sind elektrisch leitfähige, im sichtbaren Bereich transparente Materialien mit einem Widerstand von etwa 10 Ω cm -2. Die Materialien werden auf Trägern wie Glas oder flexiblen Polymeren im großen Umfang als leitfähige Substrate in LCD- Anzeigen eingesetzt. Füllfaktor, FF (fill factor) Er bezeichnet den Quotienten aus der maximalen Leistung einer Solarzelle am Maximum Power Point (MPP) und dem Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom. (Dimensionslos) HOMO Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO), das höchste besetzte Orbital eines Moleküls. ITO Abkürzung für Indium (In) dotiertes Zinnoxid (SnO 2 ). Ein elektrisch leitfähiges Material, welches einen Flächenwiderstand von ca. 10 Ohm bei etwa 90% Transparenz im sichtbaren Bereich erreichen kann. ITO wird zumeist als Anodenmaterial verwendet. IPCE (incident photon-to-current conversion efficiency) Diese Werte werden durch Aufnahme von Photostrom-Aktions-Spektren erhalten. IPCE ist definiert durch die Zahl der Elektronen, die zur Gegenelektrode fließen, dividiert durch die Zahl der eingestrahlten Photonen bestimmter Wellenlänge. Der Wert kann bei einer bestimmten Wellenlänge theoretisch 100% betragen. Praktisch liegen die Werte wegen Reflektions- und Absorptionsverlusten durch ITO-Substrate maximal bei 80-90%. 4

5 Kurzschlussstrom (I SC, shortcut current) Der Kurzschlussstrom ist der Strom, der bei direktem Kontakt von Anode und Kathode fließt. Leerlaufspannung (U OC, open circuit voltage) Als Leerlaufspannung wird die Spannung bezeichnet, die eine Solarzelle ohne Stromfluss, also ohne angeschlossenen Verbraucher, abgibt. Leistung, elektrische (power) Die elektrische Leistung P, die in einer Solarzelle erzeugt wird, ist das Produkt der elektrischen Spannung U und der Stromstärke I und wird in Watt (W) angegeben. Leitfähigkeit, elektrische σ (conductivity) Angegeben wird σ in S cm -1, die ein Körper mit 1 cm Länge d und 1 cm² Querschnittsfläche F besitzt (R= elektrischer Widerstand: σ = d / F R). Isolatoren haben σ von ~<10-10, Halbleiter σ von ~10-10 bis ~10 1 und Metalle σ von ~>10 1 S cm -1. Loch (hole) Bei Halbleitern werden bewegliche positive Ladungsträger vereinfacht»löcher«genannt. Dabei handelt es sich um ein fehlendes Elektron und wird daher auch als Defektelektron oder Elektronenfehlstelle bezeichnet. Der Ladungstransport erfolgt auch hier durch Elektronen. LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO), das niedrigste unbesetzte Orbital eines Moleküls. OPV Organic Photovoltaics, Organische Photovoltaik OSC Organic Solar Cell Photosensibilisator (auch Sensibilisator genannt) (photo sensitizer) Eine Verbindung, bei der durch Absorption eines Photons eine photochemische oder photophysikalische Veränderung 5

6 Stromdichte J [A/cm²] Dunkelkennlinie Hellkennlinie V m V OC [1] [2] FF = V J m m V OC J SC η = V m J m E = V OC J SC FF E ma mw (V OC in V, J SC in, E in ) cm² cm² J m 0 Spannung [V] J SC eintritt. Der Photosensibilisator wird bei dem Vorgang nicht verbraucht sondern er steht cyclisch wieder zur Verfügung. Der Prozess wird auch Photosensibilisierung (Sensibilisierung) genannt. Photovoltaische Parameter zur Berechnung des Wirkungsgrades Zur Charakterisierung organischer Solarzellen werden Strom-Spannungskennlinien unter Beleuchtung und im Dunkeln aufgenommen. Als Ergebnis erhält man eine zwei Kurven, wie sie in der Abb. unten dargestellt sind. Aus der Hellkennlinie lässt sich direkt der Kurzschlussstrom J SC und die Leerlaufspannung V OC ablesen. Die maximale Leistung, die eine Solarzelle liefern kann, ist durch das größte Rechteck gegeben, welches sich in die Strom-Spannungskennlinie einpassen lässt. An dem Punkt, an dem die rechte untere Ecke die Hellkennlinie berührt befindet sich der MPP, der Maximum Power Point. Die dazugehörige Stromdichte wird mit J m und die dazugehörige Spannung mit V m bezeichnet. Der Füllfaktor FF ist ein Maß dafür, wie gut sich das Rechteck der Kennlinie anpasst. Bei Siliziumzellen liegt der FF bei über 0,8, bei leistungsfähigen organischen Solarzellen oberhalb von 0,5 (s. Gleichung [1]). Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle kann über die Gleichung [2] berechnet werden, wenn die Bestrahlungsstärke E (typisch: 100 mw/cm², AM 1.5) bekannt ist. Die maximale Leerlaufspannung einer organischen Solarzelle wird vom Abstand der Fermi- Energien des HOMOs des Akzeptors (z. B. ZnPc) und dem LUMO des Donors (z. B. C60) begrenzt. Singulett-Zustand Im Singulett-Grundzustand befinden sich zwei gepaarte Elektronen im HOMO (höchstes und energiereichstes besetztes Molekülorbital). Durch Absorption eines Photons, das energetisch der Differenz zwischen HOMO und LUMO (niedrigstes und energieärmstes unbesetztes Molekülorbital) entspricht, geht ein Elektron unter Spinerhaltung in das LUMO über. 6

7 Wirkungsgrad (efficiency) Der Wirkungsgrad η (eta) beschreibt das Verhältnis von abgegebener Leistung P (Nutzleistung) zu zugeführter Leistung E (Bestrahlungsstärke). Der Wirkungsgrad wird in % angegeben. Zertifizierung In der Fachliteratur zur Photovoltaik werden viele Daten veröffentlicht, die schwer nachzuvollziehen sind. Aus diesem Grund gibt es unabhängige Zertifizierungslaboratorien, wie beispielsweise das Fraunhofer ISE oder NREL (National Renewable Energy Laboratory). Hier werden Zellen und Module unter Standardbedingungen charakterisiert und die Zellflächen genau vermessen. 7

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