Ü ersicht üb ü e b r di d e Vo V r o lesun u g g Sol o arene n rgi g e Anorganische Dünnschichtsolarzellen

Transkript

1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 1. Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 7.1 a-si:h Solarzellen 7.2 Herstellung von Zellen und Modulen 7.3 Tandem- und Stapelzellen 7.4 Kristalline Si-Dünnschichtzellen 7.5 CIGS-Technologie 7.6 CdTe 7.7 Rolle-zu-Rolle-Technologien

2

3 CdTe-Solarzellen Quelle: Diss. Fritsche, TU Darmstadt 2003

4 Energiebanddiagramm CdTe-Solarzelle Quelle: Diss. Fritsche, TU Darmstadt 2003

5

6 Herstellung von CdTe-Solarzellen Quelle: Diss. Fritsche, TU Darmstadt 2003

7

8

9 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 1. Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 7.1 a-si:h Solarzellen 7.2 Herstellung von Zellen und Modulen 7.3 Tandem- und Stapelzellen 7.4 Kristalline Si-Dünnschichtzellen 7.5 CIGS-Technologie 7.6 CdTe 7.7 Rolle-zu-Rolle-Technologien

10 Rolle-zu-Rolle-Produktion (R2R) - sehr günstige Ausgangsmaterialien -Abscheidung auf Kunststoffsubraten, mechanische Flexibilität - roll-to-roll (R2R)-production - durch mechanische Flexibilität einfache Integration in Fassaden, Dächer, etc. - keine Entsorgungsproblematik - 0,5 /W p möglich??

11 Vakuumfreie Herstellungstechnik z. B. Quelle: Diplomarbeit Dipl.-Ing. Sönke Rogalla

12

13

14 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 1. Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Organische Solarzellen

15 Plastiksolarzellen? - große Ähnlichkeit mit organischer Leuchtdioden (OLED)-Technologie

16 Materialien Konjugierte Polymere Merck (Covion) PPV Ko-Polymere Polyfluorene Sumitomo (Dow) Lumation Deposition aus der Flüssigphase Small molecules

17 Elektronische Zustände in organischen Molekülen/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???

18 Dünnschichtherstellung Spin Coating Bild: H. Antoniadis, Osram OS Rakeln Ink Jet Printing Dipping Konjugierte Polymere Aufdampfen kleiner Moleküle

19 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

20 Organische Nanokompositmaterialien für die PV Materials Exciton P3HT PCBM Electron donor Electron acceptor Structure Al Kathode (100 nm) P3HT:PCBM (300 nm) Pedot:PSS (40 nm) ITO Anode (125 nm) Substrat

21 Elektronische Struktur der Solarzelle R x R' x R' R n C 60 - Ladungstrennung durch ein eingebautes Feld, das durch unterschiedliche Ferminiveaus der Kontakte hervorgerufen wird - Kompositsystem aus Polymeren und Fullerenen

22 Quelle:

23 Quelle:

24

25

26 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 + hω 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)

27 Grätzel s-cell

28 A world record I-V-characteristic

29 Wirkungsgrade der verschiedenen PV-Technologien Quelle: NREL