Seniorenakademie SoSe 2011

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1 Seniorenakademie SoSe 2011 Photovoltaikzellen auf Basis ; HS Lausitz (FH) 1 Einführung: Historie Anwendungen - Zielstellung 2 Photovoltaischer Effekt an Farbstoffen 3 Zellaufbau und Funktion 4 Anlaufverhalten von Farbstoffzellen 5 Fertigungsablauf 6 Zusammenfassung 7 Literatur 8 Offerte

2 1 Einführung - Motivation Oxidation Reduktion Redoxvorgang u.a. Reaktionen Generation, Transport von Ladungen n e -, Aktivierung von energetischen Zuständen Strom aus der Pflanze? 2

3 1 Einführung - Historie 1961: M. Calvin: Beschreibung der Photosynthese (Calvin-Prozess; Nobelpreis) 1991: O'Regan & M. Grätzel, Lausanne erste Publikation zur Funktion einer Farbstoffzelle (dye solar cell DSC) [1] 2000: Im Labor wird eine Effizienz von >10 % erreicht [2] 2006: Umfassende nationale und internationale Arbeiten und Übersichten [3] 2005: Strategische industrielle Produktion von Sony (J), Korea, NL, China, Dyesol (AUS) u.a. [3] 2007: Farbstoffe als Gestaltungselemente [4] 2008: Group, University of Tokyo conversion efficiency up to 10.3% für Laptop-Batterie Forschung in D: Uni Freiburg, FHTW Berlin, TU Berlin, FhG-ISE, FPL und IPE Stuttgart, Uni Siegen, Schott Solar u. a. / Fördervorhaben des BMBF vom

4 1 Einführung - Anwendungen Abb. 1: Transparentes Bild als Farbstoffzelle [Sony, 4, 5 ] Abb. 2 (links): Farbstoffzelle des FhG- ISE, 30 cm x 30 cm [ e, , 3] Abb. 3 (rechts): Farbstoffzelle des KIST (Korea) [ 4

5 1 Einführung - Besonderheiten von Farbstoffzellen + Transparente und vielfarbige Zellmodule / PV-Fenster + hohe Ausbeute [2, 3] bei geringer Beleuchtung / Lichteintrag + gute Rohstoffbasis Anwendung - Langzeitstabilität - Temperaturstabilität Zielstellungen HS Lausitz (seit 1996: Präparation PV-Zellen auf Basis 3 -, 4 -c-si): Naturstoffchemie Schwerpunkt seit 2008 Ansätze zum Modellverständnis (Bändermodell, Anlaufverhalten) Untersuchung des Anlaufverhaltens Farbstoffzellen bei geringen Beleuchtungsstärken (1000 lx), Modellbildung zum U(t)-Verhalten 5

6 2 Photovoltaischer Effekt bei Farbstoffen - Reaktionsgleichungen Anregung des Farbstoffes (FS): FS + hν FS* (1) Elektroneninjektion: FS* + TiO 2 FS + + e - (TiO 2 ) (2) Ladungstransport im Elektrolyten: I e - 3I - (3) Farbstoffregenerierung: 2FS + + 3I - 2 FS + I 3 - (4) W LUMO HOMO Abb. 4: Energieband-Diagramm zur Darstellung der Elektronenanregung in Farbstoffen / Polymeren; LUMO = Lowest Unoccupied Molecular Orbital; HOMO = Highest Occupied Molecular Orbital X 6

7 3 Zellaufbau und Funktion E = h ν GLASTRÄGER TCO-SCHICHT KATALYSATOR ELEKTROLYT - - Abb. 5: Struktur einer Farbstoffzelle [6] FARBSTOFF HALBLEITER [7] TCO-SCHICHT GLASTRÄGER 7

8 3 Zellaufbau und Funktion erweitertes Bandschema Abb. 6: Potentialverlauf in einer Farbstoffzelle [6] 8

9 3 Zellaufbau und Funktion - Farbstoffe a) Natürliche Farbstoffe (Anthocyane, Chlorophyll) Chlorophyll b) Synthetische Farbstoffe als Referenz (Rhodamin, Methylenblau) Licht sensitive Orbitalkomplexe Methylenblau Rhodamin B Abb. 7: Strukturen verschiedener für PV. Anwendungen geeigneter Farbstoffe [6] 9

10 3 Zellaufbau und Funktion - Farbstoffe Extrakte Enthaltene Anthocyane ß Äqui [mg/l] Rubus fruticosus (Brombeere) Cy3glc 136,6 ± 4,7 Brassica oleracea capitata Cy3glc 30,5 ± 2,7 (Rotkohl) Hibiscus syriacus (Eibisch) Cy3glc, Del3sam 87,9 ± 3,1 Vaccinium myrtillus (Heidelbeere) Rubis idaeus (Himbeere) Cy3glc,Cy3rut, Cy3sam 45,4 ± 2,3 Pet3gal, Cy3glc,Cy3ara, Cy3gal,Del3ara, Mal3ara 79,6 ± 3,2 Spinacea oleracea (Spinat) Chlorophyll 144 mg/l Synthetische Referenzen: Rhodamin B: 7,12 g/l und Methylenblau: 9,20 g/l 10

11 4 Anlaufverhalten bei geringer Beleuchtung Farbstoffaktivität / Effizienz U [mv] E v = 1000 lx F1 Hibiscus F2 Brombeere F3 Rotkohl F4 Heidelbeere F5 Himbeere F6 Chlorophyll t [s] Abb. 8: U(t)-Verlauf mit verschiedenen Farbstoffen 11

12 4 Anlaufverhalten bei geringer Beleuchtung Einfluss der Gegenelektrode U[mV] E v = 1000 lx K1 unbeschichtet K2 Graphit manuell K3 Graphit gesputtert K4 Platin gesputtert t [s] Abb. 9: U(t)-Verlauf mit Variation der Deckelektroden 12

13 4 Anlaufverhalten bei geringer Beleuchtung Modellbildung Ansatz: pt1 -Verhalten Hibiscus syriacus U ( t) = U max (1 e t τ ) E v = 1000 lx Abb. 10: U(t)-Verlauf der Farbstoffzelle und pt1-modell 13

14 5 Fertigungsablauf 1: Herstellung der Farbstofflösung 2: Farbstoff auf Photoelektrode (A) aufbringen 3: Säubern der Gegenelektrode (K) 4: Elektrisch leitfähige Seite der Gegenelektrode (K) ermitteln 5: Katalysator auf elektrisch leitfähige Seite (K) auftragen 6: Trocknung der Photoelektrode (A) im Exsikkator 14

15 7: Präparation des Elektrolyten 8: Zusammenfügen / Fixierung der Zelle 9: Einspritzen des Elektrolyten 10: Aufbau des Messplatzes, Kontaktierung 11: Bestimmung von I, U und R bei lx 15

16 12: Bestimmung von U und I bei unterschiedlicher Beleuchtungsstärke 13: Graphische Darstellung der U/I-E-Abhängigkeit 14: Berechnung der maximal erreichbaren elektrischen Leistung P el der Farbstoffsolarzelle 15: Berechnung des Wirkungsgrades 16: Auswertung Kommerzielle Fertigungsanlagen und Werkstoffe am Markt etabliert [8] B. K. Glück, S. 16Hänsel, A. Kaiser, H. Scharschuh 16

17 6 Zusammenfassung 1. Bereits bei einer Beleuchtung von 1000 lx (ca. 1/100 des Energieeintrages des Normäquivalents von 1,1 kw/m 2 ) kann eine stabil arbeitende Farbstoffzelle nachgewiesen werden 2. Mit FS-Zellen kommen als regenerative Energiequellen in Frage 3. Natürliche Farbstoffe liefern ungemischt höhere Zellspannungen (Erträge) als Farbstoffgemische 4. Das Bandmodell wurde geschlossen als Potentialverlauf φ(x) der Ladungen dargestellt 5. Das Startverhalten U(t)-Kennlinie ist durch das Modell eines Einschwingvorgangs mittels e-funktion erklärbar (pt1-modell) 17

18 7 Literatur [1] B. O'Regan, M. Gratzel: A Low-Cost, High-Efficiency Solar-Cell Based On Dye-Sensitized Colloidal TiO2 Films, Nature, (6346): [2] M. Grätzel: Perspectives for dye-sensitized nanocrystalline solar cells, Progress in Photovoltaics, 2000, 8(1): [3] R. Sastrawan: Photovoltaic modules of dye solar cells, Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. B [4] US Patent Sensitizing dye solar cell, (Sony Corp.) [5] Japan Chemical Society 89th annual spring (March ~ 30) on release bzw. [6] H. Scharschuh: Organische Photovoltaikzellen unter Verwendung, B. Eng. Thesis, FHL FB BCV, Senftenberg, [7] A. Nattestad, M. Ferguson, R. Kerr, Yi-Bing Cheng and U. Bach: Dye-sensitized nickel(ii)oxide photocathodes for tandem solar cell applications, 2008 Nanotechnology doi: / /19/29/ [8] Fa. Dyesol, Hmepage: 18

19 8 Workshop Offerte Fertigung von 10 verschiedenen Farbstoff-PV-Zellen im Labor Kapazität: max. 10 Teilnehmer (ggf. per Los) Termin: (Do.) [alternativ: (Mo.)] ca Uhr ff. eventuell vormittags? Essen in der Mensa Auswertung nachmittags B. K. Glück, S. 19Hänsel, A. Kaiser, H. Scharschuh 19