Die Nanokomposit-Solarzelle

Transkript

1 Rio+20 Wissenschaftler/innen und Jugendliche ziehen Bilanz Die Nanokomposit-Solarzelle Betreuer: Assoc. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gregor Trimmel Praktikantin: Elke Carola Huber Unterschrift Betreuer: Unterschrift Praktikantin:

2 Einleitung Der Klimawandel ist schon seit längerem ein uns allen bekanntes Problem. In den nächsten 100 Jahren soll die Durchschnittstemperatur zwischen 2 und 4,5 Grad Celsius ansteigen, was sich unter anderem durch einen Rückgang des Eises am Nord- und Südpol zeigt. Dies bringt einige Probleme mit sich: Der Wasserspiegel wird steigen, einige Inseln könnten versinken, und es wird Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenwelt haben. Aus diesem Grund müssen wir unsere Umwelt schützen. Ein Schritt in die richtige Richtung ist es, unsere Energieversorgung umzustellen. Die Verwendung von herkömmlichen Energiequellen wie Erdöl, Kohle und Gas führt dazu, dass bei der Verbrennung viel Kohlendioxid freigesetzt wird, welches erheblich zum Treibhauseffekt und der damit verbundenen Erderwärmung beiträgt. Deshalb ist es wichtig, alternative Energiequellen wie zum Beispiel Wasserkraft, Windenergie und Solarenergie zu verwenden. Solarenergie ist vielversprechend, da die Sonne eine unerschöpfliche und für jeden nutzbare Energiequelle ist, die uns mit mehr als genug Energie versorgt: In nur einer halben Stunde bekommt die Erde durch sie genug Energie, um den Energiebedarf für ein ganzes Jahr abzudecken. Mithilfe von Solarzellen kann die Energie der Sonne in elektrische Energie umgewandelt werden. Dieser Vorgang verursacht keine Treibhausgase und schadet der Umwelt nicht. Die herkömmlichen und derzeit am meisten verwendeten Solarzellen bestehen aus Silizium, ihre Herstellung ist allerdings sehr aufwendig und teuer. Eine Alternative zu Silizium- Solarzellen sind organische Solarzellen, die einige Vorteile mit sich bringen. Allerdings sind die Effizienzen im Moment noch zu niedrig und die Langzeitstabilität ist nicht ausreichend, um mit Silizium-Solarzellen in Konkurrenz zu treten. Organische Solarzellen Organische Solarzellen bieten einige Vorteile. Sie sind leicht herzustellen, und die Produktionskosten sind gering. Außerdem sind organische Solarzellen flexibel und leicht, das bedeutet, dass sie zusammenrollbar sind. Dadurch wäre es möglich, Zeltplanen mit Solarzellen zu bedrucken oder sie direkt in Autolacke einzuarbeiten. Weiters wäre es möglich, halbtransparente Solarzellen an großen Fensterflächen oder Jalousien anzubringen. Auch an Fassaden oder an Balkonen könnten organische Solarzellen zum Einsatz kommen. Da diese Solarzellen auch farbig sind, hätten Architekten völlig neue Möglichkeiten, Häuser zu gestalten. Des Weiteren ist ihre Herstellung energieeffizient, und sie können im Gegensatz zu Silizium- Solarzellen in einem kontinuierlichen Produktionsverfahren gebaut werden. Christian Doppler Labor für Nanokomposit-Solarzellen

3 Mein Praktikum habe ich im Christian Doppler Labor (CD-Labor) für Nanokomposit- Solarzellen absolviert. Die Nanokomposit-Solarzelle besteht aus einer Mischung aus anorganischen Halbleiterpartikeln und halbleitenden Kunststoffen. Diese Gruppe der organischen Solarzellen hat grundsätzlich die gleichen Vorteile wie rein organische Solarzellen. Ihre Effizienzen liegen noch unter denen von rein organischen Solarzellen, doch sollten theoretisch höhere Effizienzen möglich sein, da insgesamt mehr Licht absorbiert werden kann. Weiters beträgt die Absorberschicht von Nanokomposit-Solarzellen nur circa 200 Nanometer. Das bedeutet, dass sie durch den sehr geringen Materialeinsatz kostengünstig hergestellt werden können. Das CD-Labor wurde gegründet, um intensive Forschung in diesem vielversprechenden Gebiet der Photovoltaik zu betreiben. Im CD-Labor konnte der Wirkungsgrad bereits innerhalb von zwei Jahren von 0,5 % auf 3 % gesteigert werden. Eine weitere Möglichkeit, die Effizienz der Solarzelle zu steigern, bieten Tandem-Solarzellen, die ich während meines Praktikums gebaut habe. Im Grunde genommen werden bei einer Tandemzelle einfach zwei Einzelzellen mit jeweils komplementären Absorptionseigenschaften übereinandergelegt. Das bedeutet, dass die untere Zelle einen bestimmten Wellenlängenbereich des Lichts absorbiert, während das restliche Licht durch die erste Zelle durchgeht und von der zweiten Zelle absorbiert wird. Dadurch wird im Vergleich zu einzelnen Solarzellen mehr Licht absorbiert, was zu einer höheren Effizienz führt. Derzeitiger Forschungsstand und Entwicklungsbedarf Derzeit liegt der Wirkungsgrad von im Labor angefertigten organischen Solarzellen mit 10,6 % trotz Verbesserung in den vergangenen Jahren noch immer unter der Effizienz von Silizium-Solarzellen beziehungsweise liegt er bei Nanokomposit-Solarzellen bei circa 3,5 %. Ein weiteres Problem ist die schlechte Langzeitstabilität und die Sauerstoffempfindlichkeit organischer Solarzellen. In Glas eingeschlossene organische Solarzellen haben eine Lebensdauer von ungefähr 15 Jahren, während eine flexible Zelle eine maximale Lebensdauer von fünf Jahren erreicht. Darüber hinaus steigt natürlich mit zunehmender Qualität der Verpackung der Preis der Solarzelle. Wenn diese Grundproblematik gelöst wird, kommt der eigentliche Vorteil von organischen Solarzellen zum Tragen. Ihr technologisches Potenzial liegt darin, sie mithilfe eines Rolle-zu Rolle-Verfahrens herzustellen. Somit eröffnet sich die Möglichkeit, Solarzellen wie Zeitungen zu drucken. Introduction

4 Climate change is a well-known problem of the present age. The average temperature will rise between 2 and 4.5 degree Celsius within the next 100 years. For example the climate change becomes noticeable by the decline of the ice at the North- and the South Pole. This will implicate several problems: The water level is going to rise, some islands might disappear and the climate change will have an impact on the flora and fauna. For these reasons we have to protect the environment. One step in the right direction is to change our energy supply. The use of popular energy sources like crude oil, coal and gas implies that a lot of carbon dioxide is released during the combustion. This involves a significant contribution to the greenhouse effect and the associated global warming. Therefore it is important to use alternative energy sources like hydraulic energy, wind energy and solar energy. Solar power is a promising energy source as the sun is an infinite source of energy which provides us with more than enough energy and everyone can use it: In just half an hour the earth receives enough energy from the sun to cover the demand for energy for a whole year. With the help of solar cells the energy of the sun can be converted into electrical energy. This procedure does not cause any greenhouse gas and does not harm the environment The conventional and nowadays mostly used solar cells consist of silicon, however the production of this kind of solar cell is very complex and expensive. An option to silicon solar cells are organic solar cells as they have several advantages. However, at the moment the efficiency is too low and the long-term stability is not adequate to compete the silicon solar cells. Organic solar cells Organic solar cells offer several advantages. They are easy to produce and the production costs are low. Furthermore, organic solar cells are flexible and do not weigh much, this means that they can be convolved. Thus, it would be possible to print solar cells on a tent or to include them directly in the car paint. Moreover, it would be possible to fix semitransparent solar cells on big windows or on blinds. Another opportunity would be to use solar cells on veneers and on balconies. This would entail remarkable advantages for architects when they plan houses: They have more abilities to design buildings by the utilization of coloured solar cells. In addition to that, their production is more energy-efficient compared to silicon solar cells, because they can be manufactured in a continuous production process. CD-Laboratory for Nanocomposite Solar Cells

5 I completed my internship at the Christian Doppler Laboratory for Nanocomposite Solar Cells. The nanocomposite solar cell consists of a mixture of inorganic semiconducting nanoparticles and semiconducting plastic materials. These special kind of organic solar cells basically have the same advantages as pure organic solar cells. Their efficiency is still below the efficiency of pure organic solar cells, but theoretically higher efficiencies should be possible as more light can be absorbed. Another advantage is that their absorber layer is only about 200 nanometres thick. That means that they could be produced in a very costefficient way because the material usage is very low. The Christian Doppler Laboratory for Nanocomposite Solar Cells was founded to intense research on this promising field of photovoltaic. In the CD-Laboratory the efficiency could already be increased from 0.5% to 3% within two years. Tandem solar cells, which I built during my internship, offer another possibility to improve the efficiency. Basically, a tandem solar cell consists of two single cells with different absorption properties which are placed one above the other. That means that the first solar cell absorbs the light in a specific wavelength range, whereas the remaining light passes and is absorbed in the second cell. As a result compared to single cells more light can be absorbed which leads to increased efficiency. Present state of research and development needs At present, the efficiency of organic solar cells produced in laboratories is about 10.6%, the efficiency of nanocomposite solar cells is about 3.5%. Despite the improvements during the last years this is still less than the efficiency achieved with silicon solar cells. Another problem is the bad long-term stability and sensitivity to oxygen of organic solar cells. If organic solar cells are locked in a glass the durability will be about 15 years whereas flexible cells reach a maximal durability of five years. In addition to that, the solar cell, of course, will get more expensive if the quality of the packaging increases. When it is possible to solve this basic problem the actual advantages of organic solar cells will count. Their technological potential is the possibility to produce this kind of solar cells in a roll-to-roll-process. This offers the opportunity to print solar cells like newspapers.