Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2005/2006 Stand:

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1 Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2005/2006 Stand: Termin Thema Dozent Di Wirtschaftliche Lemmer/Heering Aspekte/Energiequelle Sonne Fr verschoben wg. Krankheit Di Allerheiligen - Di Symposium Automobile - Displaytechnik Fr Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer Di Kristalline pn-solarzellen Heering Fr Elektrische Eigenschaften Heering Di Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Fr Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Di Anorganische Lemmer Dünnschichtsolarzellen Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Fr Third generation Photovoltaics Lemmer Di Photovoltaische Systeme I Heering Fr Photovoltaische Systeme II Heering Di Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien Di Passive Sonnenenergienutzung Heering Di Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Fr Energiespeiche/Solarchemie Heering Di Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering Di Energieszenarien Lemmer Anfang Februar Exkursion Heering/Lemmer

2 Organische Dünnschichtsolarzellen...Plastiksolarzellen... Ein Teil der Abbildungen stammt von Dr. Christoph Brabec ehemals Siemens AG, Corporate Technology mittlerweile bei Konarka ( Dr. Hoffmann, RWE Schott Solar ( Dr. Gang Yu ehemals Uniax jetzt Dupont Displays (

3 Warum organische Solarzellen?

4 Warum organische Solarzellen?

5 Warum organische Solarzellen? - sehr günstige Ausgangsmaterialien -Abscheidung auf Kunststoffsubraten, mechanische Flexibilität - roll-to-roll (R2R)-production - durch mechanische Flexibilität einfache Integration in Fassaden, Dächer, etc. - keine Entsorgungsproblematik

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7 Elektronische Zustände in organischen Halbleitern delokalisierte Elektronen sind für Halbleitereigenschaften erforderlich, hier am Beispiel von Benzol sp 2 - Hybrid-Orbitale (sorgen für das molekulare Gerüst) Es bleibt jeweils ein einfachbesetztes p z -Orbital übrig. Diese koppeln miteinander und bilden π-orbitale, die sich dann über das ganze Molekül erstrecken. Was ist ein π-elektron???

8 Elektronische Struktur von organischen Halbleitern: Der einfachste Ansatz für die π-elektronen: Ein Teilchen im Kasten Das Teilchen-im-Kasten-Modell Idee: Die Details der molekularen Struktur spielen keine Rolle. Das Molekül wird angesehen als ein Kasten mit einer bestimmten Länge. Die Anzahl der Elektronen, die in den Kasten hineinkommen wird durch die Anzahl der C-Atome gegeben.

9 Optische Übergänge im Kastenmodell Die optischen Übergangsenergien ergeben sich dann wie folgt: 1. Quantenmechanische Berechnung der Energieniveaus im Kasten 2. In jeden Zustand können gemäß dem Pauli-Prinzip zwei Elektronen gepackt werden. 3. Das höchste besetzte Orbital ergibt dann die valenzbandähnlichen Zustände (Highest occupied molecular orbital, HOMO) 4. Das niedrigste unbesetzte Orbital ergibt die leitungsbandähnlichen Zustände. (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) 5. Optischer Übergang bedeutet dann: Ein Elektron wird vom HOMO ins LUMO überführt. Der Abstand der beiden Orbital bestimmt dann das Absorptionsspektrum.

10 Elektronischer Transport in organischen Halbleitern Elektronischer Transport in den Materialien kann nun dadurch erfolgen, dass ein Elektron von einem lokalisierten Zustand zu einem benachbarten hüpft (aus einem Kasten in den nächsten springt). Alq 3

11 Herstellung organischer Halbleiterschichten Es werden zwei Klassen von Materialien unterschieden, die ganz ähnliche elektronische Eigenschschaften haben, aber durch komplett unterschiedliche Methoden hergestellt werden. Konjugierte Polymere Aufschleudern (spin coating) Covion PPV co-polymers Rakelverfahren (doctor blade) Tintenstrahldrucken (ink jet printing) Polyfluorene (Dow) Die Herstellung erfolgt aus der Flüssigphase. Eintauchverfahren (dipping)

12 Aufgedampfte organische Halbleiterschichten Alq 3 Alq 3 HTL ETL

13 Chemical Bandgap Engineering - Bandlücke kann durch Synthese bestimmt werden ideale Anpassung an Sonnenspektrum möglich Absorption (arb. unit) PPV BCHA-PPV MEH-PPV CN-PPV ev gap Processability Bandgap engineeering Wavelength (nm) ICSM2000, July A Member of DuPont i Technologies

14 Unterschiede zwischen anorganischen und organischen Solarzellen 1. -Absorption führt nicht direkt zur Anregung von freien Ladungsträgern -es werden neutrale höhere Zustände Moleküls angeregt (und keine freien Ladungsträger) - es sind (noch) keine stabilen pn-übergänge möglich - p(i)n-übergänge werden ausgenutzt - durch Photoanregung werden sofort freie Ladungsträger angeregt - Exzitoneneffekte spielen (fast) keine Rolle

15 Multifunctionality: Rectification, light emission and photodetection G. Yu et al., APL 64, 1540 (1994); A.J. Heeger and G. Yu US Patent 5,504,323, 04/02/ I d and I ph (ma/cm 2 ) mW/cm 2, 430 nm I ph I d EL Intensity [arb. unit] Bias [V] 10-5 ICSM2000, July aber: sehr geringe Quantenausbeuten!! A Member of DuPont itechnologies

16 Exzitonendissoziation an internen Grenzflächen Photoinduced charge transfer at a D/A interface N.S. Sariciftci et. Al., Science 258, 1474 (1992); N.S. Sariciftci and A.J. Heeger, Intern. J. Mod. Phys. B 8, 237 (1994). OR1 OR1 OR2 OR2 OR1 e - O OCH 3 [5,6]-PCBM OR2 h + C 60 O OCH 3 R 1 =CH 2 CH(C 2 H 5 )C 4 H 9 R 2 =CH 3 [6,6]-PCBM MEH-P P V:C 60 blends Light ICSM2000, July A Member of DuPont itechnologies

17 Tang-Zelle Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986)

18 Die Tang-Zelle: Dissoziation an einer Grenzfläche

19 Organische Heterostrukturen

20 From bilayers to bulk heterostructures Strongly bound exciton in conjugated polymers: low quantum yield for dissociation dissociate exciton at internal interfaces The beauty of the polymer approach:

21 The way out: use composite systems R x R' Polymer Al x R' R n C 60 Substrate ITO hν C 60 as electron acceptor in polymer devices

22 Bulk Heterojunction Materials: Self-assembled Donor/Acceptor Networks Typical grain size: 5-10 nm Interpenetrating continuous network: Bulk D/A junction materials ICSM2000, July A Member of DuPont itechnologies

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24 Optoelectronic properties of bulk heterojunction diodes Improving carrier collection efficiency in PVCs G. Yu et al. Science 270, 1789 (1995); APL 64, 3422 (1994), JAP 78, 4510 (1995) η c (% el/ph) MEHPPV:C 60 blends (a) MEHPPV η e (%) MEHPPV:C 60 blends (b) MEHPPV Light Intensity (W/cm 2 ) Light Intensity (W/cm 2 ) ICSM2000, July A Member of DuPont itechnologies

25 Open circuit voltages

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28 Carrier mobilities in composite materials

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30 Polymer PV cells: Future development Lowing E g while retaining V oc Improving mobility in D, A materials Blend processing and novel device structures Improving F.F. Optical engineering (e.g., concentrators) Target performance: comparable to a-si PV cells ICSM2000, July A Member of DuPont itechnologies

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32 Zusammenfassung: Die Probleme der Polymersolarzellen Problem 1: Ladungstrennung -Ladungstrennung geht nur an Grenzflächen von zwei verschiedenen Materialien - aufgrund geringer Diffusionslängen reichen normale Heterostrukturen nicht aus interpenetrierende Netzwerke Problem 2: Ladungstransport - relativ hohe Bahnwiderstände aufgrund der geringen Beweglichkeiten dünne Zellen bauen (dünnen Zellen heisst aber auch wenig Absorption) Problem 3: Bandlücke - die halbleiterelektronisch guten und gut verstandenen organischen Halbleiter habe alle zu große Bandlücken Problem 4: Stabilität -Photostabilität organischer Materialien

33 Die Farbstoffsolarzelle (Grätzel-Zelle, Dye-sensitized solar cell) Aufbau: -nanoskalige Partikel ergeben porösen Kontakt -adsorbierte Farbstoffmonolage sorgt für Absorption (ca fach erhöht durch grosse Oberfläche) -Kontaktierung durch Elektrolyten (I - /I 3- ) Photoelektrochemische Solarzelle Reaktionen: S+ ω S* (optische Anregung) + S* S + e (Elektronentransfer, Oxidation des Farbstoffes) CB 2S + 3I 2 S+ I (Reduktion des Farbstoffions) + 3 Diffusion von I zur Gegenelektrode 3-3 I + 2e 3 I (Reduktion von Triiodid zu Iodid)

34 Grätzel s-cell

35 A world record I-V-characteristic

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37 Nature 2003

38 Zusammenfassung: Die Probleme der Grätzelzelle - Wirkungsgrade für größere Fläche (Module) nur 5 % - Hermetische Versiegelung für flüssigen Elektrolyten erforderlich - Festkörperalternativen zeigen geringere Wirkungsgrade - Langzeitstabilität fraglich - Kosten hängen momentan mehr von der Produktion als vom Material ab, daher keine unmittelbaren Kostenvorteile offensichtlich -mechanische Flexibilität und Transparenz kann auch von anderen Technologien erfüllt werden