Projekt Machbarkeitsstudie

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1 Projekt Machbarkeitsstudie Können Flüssigkristallanzeigen (LCDs) als organische Solarzellen (Grätzel-Zelle) eingesetzt werden? Projekt 1 Studiengang Optotechnik und Bildverarbeitung - Hochschule Darmstadt Orhan Fatihoglu, Daniel Krüger, Tanja Latzel, Ellen Moritz, Stephan Penkert, Stefan Rothermich Dr. Heinz Haberzettl (Projektbetreuer)

2 Inhaltsverzeichnis 1. Projektvorstellung 2. Aufbau LCD-Modul 3. Informationssammlung 4. Funktionsweise LCD / Grätzel-Zelle 5. Bau einer Grätzel-Zelle 6. Alterungssimulation 7. Messungen 8. Ergebnisse 2 SS 2012

3 Vergleich der Technologien Projektvorstellung 3

4 Vergleich der Technologien Projektvorstellung 4 Ähnliche Schichten in gleicher Farbe

5 Projektvorstellung 5 Nutzen: - LCDs recyclen - Erneuerbare Energien

6 Projektvorstellung 6

7 Projektvorstellung 7 Voraussichtliche Entwicklung von tragbaren LCD-Anwendungen ( Smartphones, Handys, etc )

8 Aufbau LCD-Modul 8 Die Bilderfolge zeigt die Zerlegung eines TFT- Bildschirms in seine Makro-Komponenten

9 Aufbau LCD-Modul 9 (1) Bezel/Rahmen (2) LCD (3) Kunststoffrahmen (4) Fresnel-Scheibe (5) Diffusoren (6) Beleuchtung (6) ( 5 ) (4) (3) (2) (1)

10 Informationssammlung Projektmanagement LCD Aufbau u. Funktionsweise, Typen (Aktive und passive Matrix-Ansteuerung) Photovoltaik Aufbau u. Funktionsweise Grätzel-Zelle Alterungsprozesse 10

11 Funktionsweise LCD 11

12 Funktionsweise Grätzel-Zelle 12

13 Materialien: Bau einer Grätzel-Zelle 13 Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtete Glassubstrate Titandioxid ( als weißes Pulver ) Salpetersäure (verdünnt) Kaliumiodid Farbstoffe: frisch hergestellte aus Himbeeren, Kirschen, einer Grapefruit oder Pfefferminztee (Konzentrat) und Hibiskustee (Konzentrat) Flüssigkristall ( worst-case eines Farbstoffes )

14 Bau einer Grätzel-Zelle Reinigung der Glassubstrate und Widerstandsmessung Abb. 2 Leitende Schicht Bestimmung der leitfähigen Seite Abb. 3 nichtleitende Schicht

15 Bau einer Grätzel-Zelle 15 2.Test auf der Heizplatte Zur Bestimmung der Heizkurve, Prozesszeit und Handlings-Möglichkeiten Abb. 4 Test bei ca. 250 C

16 Bau einer Grätzel-Zelle 16 Abb. 5 Mischen der Substrate Abb. 6 Anrühren Titanoxid wird in Salpetersäure zu einer druckbaren Paste verrührt.

17 Titandioxid Bau einer Grätzel-Zelle Anrühren der TiO 2 -Paste Salpetersäure +

18 Bau einer Grätzel-Zelle Abkleben der Glasränder Abb. 7 und 8 Abkleben der Ränder mit Tesafilm

19 Bau einer Grätzel-Zelle Auftragen der TiO 2 -Paste Abb. 9 Auftragen der Paste Abb. 10 Aufstreichen der Paste mithilfe eines Glasstäbchens

20 Bau einer Grätzel-Zelle Trocknen der TiO 2 -Paste Abb. 11 Trocknen der beschichteten Glassubstrate auf Heizplatten Abb. 12 Temperaturmessung der Heizplatte

21 Bau einer Grätzel-Zelle Auspressen und Filterung der Früchte Abb. 13 Filterung des Himbeersaftes Abb. 14 Auspressen von Kirschen

22 Bau einer Grätzel-Zelle Auftragen des Farbstoffes Abb. 15 Auftragen von Hibiskustee Abb. 16 Station zum Farbstoffauftragen

23 Bau einer Grätzel-Zelle Einwirken des Farbstoffs Abb. 17 Himbeere Abb.18 Einwirken

24 Bau einer Grätzel-Zelle Aufbringen des Katalysators Abb. 19 Rußen der leitenden Seite Abb. 20 Ergebnis nach Rußen

25 Bau einer Grätzel-Zelle Einbringen des Elektrolyts Abb. 21 Einschleusen der Kaliumiodidlösung Die Kapillarkraft zwischen den zusammengelegten Glassubstraten zieht den Elektrolyten in die Zelle.

26 Bau einer Grätzel-Zelle Messungen Abb. 22 Messaufbau am Overhead-Projektor Overhead-Projektor als einfache Referenz Lichtquelle für alle Testzellen Abb. 22 Messung der Zelle mit Pfefferminztee

27 Bau einer Grätzel-Zelle 27 Messergebnisse:

28 Alterungssimulation Laserbeschuss von LCD s (siehe folgende Seiten ) UV-Bestrahlung Wärmebehandlung Feuchtebehandlung Knacken 28

29 Alterungssimulation 29 Conductive Spacer Spacer Electrode (ITO) Alignment Layer Isolation Layer LC Direction + Pretilt Polarizer Retardation Film (optional) m Glass d LC Δn Seal Glass Polarizer Backlight (CCFL, LED) Optical performance of the cell is governed by LC layer thickness (d) and birefringence of LC material (Δn)

30 Alterungssimulation Fokussierter Laserstrahl auf ITO-Bahn 30 Conductive Spacer Spacer Electrode (ITO) Alignment Layer Isolation Layer LC Direction + Pretilt Polarizer Retardation Film (optional) m Glass d LC Δn Seal Nd:YAG 1064nm 6 mj/puls (8ns) Glass Polarizer Backlight (CCFL, LED) Optical performance of the cell is governed by LC layer thickness (d) and birefringence of LC material (Δn)

31 Alterungssimulation 31 Laserbeschuss

32 Alterungssimulation Das IR-Licht wird von ITO-Schicht absorbiert Das ITO - Material erhitzt sich und die Umgebung Der Flüssigkristall geht in die Gasphase über und die ITO Schichten incl. überlagerte Schichten platzen weg Ohne Gasphase ist die Wärmeableitung derart hoch, dass das ITO kaum zerstört wird 32

33 Alterungssimulation 33 Knacken

34 UV-Bestrahlung Alterungssimulation 34 Beschädigung des Flüssigkristalls Mehr freie Ionenträger Änderung der Schaltspannung

35 Messungen 35 Leitsilbern Damit ein Kabel auf dem Glassubstrat leitfähig angelötet werden kann, muß die zu kontaktieren Seite mit einer leitfähigen Farbe (Leitsilber) angestrichen werden.

36 Messungen 36 Messplatz Löten Neben den Messungen am Overhead- Projektor wurden die Zellen auch unter Tageslicht untersucht (privater Balkon & h-da C10 07 Südseite des Hochhauses).

37 Spannungsmessung Dienstag, Ort: Sonniger Balkon Zeit U/mV 10: : : : : : : : : : : : : :53 52 U/mV Messungen 37 LCD als Lichtsensor Mittwoch, Ort: Fenster h_da 7. OG Zeit U/mV 10: : : : : : : : : :00 11:12 12:24 13:36 14:48 16:00 17:12 18:24 19:36 Die Reduktion der Sonnenstrahlung durch Außenblenden an den Fenstern der Südseite des Hochhaus C10 funktioniert. Zeit

38 Vergleich der Schichten Ergebnisse 38 Die rötlich markierten Materialien reduzieren die Effektivität eines LCD als Grätzel-Zelle

39 Problem: Spannung, aber kein Strom Ergebnisse einsetzbar als Lichtsensor LCDs möglicherweise als organische Solarzelle einsetzbar, jedoch unwirtschaftlich 39 Zukunftsvision: Polarisationsschicht in LCDs aus organischen Solarzellen Energieverlust an Filtern Umwandlung in Solarenergie

40 40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dankeschön an die Sponsoren: Optrex, Babenhausen ( Glas, LCDs, Laser ) CLOU Farbwerke, Offenbach ( Titanoxid ) Samsung, Kelsterbach ( LCD Bildschirme )