Let the Sunshine in. Sonnige Zeiten für die Organische Photovoltaik Umbau des Energiesystems Beiträge der Chemie Berlin, 24.2.2011 1
die Sonne schickt keine Rechnung Konversion der Solarenergie in chemische h Brennstoffe: Natur Blatt Photosynthese Entwicklung von chemischen Katalysatoren für die Wasserspaltung und CO 2 Reduktion Bau eines künstlichen Blattes Zugang zur Solarenergie, die in Biomasse gespeichert ist Strategien für die Verbesserung der BiokraftstoffHerstellung (non food) Solarenergie und Elektrizität: Photovoltaik (PV)Technologien der nächsten Generation Entwicklung von kostengünstigen, nicht giftigen PVMaterialien mit großem Vorkommen auf der Erde / gute Verfügbarkeit (Synthese) Speicherung der neu gewonnenen Solarenergie Entwicklung von chemischen Katalysatoren und Materialien für die nachhaltige Umwandlung und Speicherung der Solarenergie Chemical Sciences and Society Symposiums (CS3), Kloster Seeon 2009 2
Funktionsweise einer Solarzelle Lichtabsorption von Sonnenlicht durch aktive Halbleiterschicht (Si) LadungsträgerErzeugung an der p/ngrenzfläche ntypsilizium (Pdotiert) (Elektronentransport) p/ngrenzfläche ptypsilizium (Aldotiert) (Lochtransport) Trennung der positiven und negativen Ladungsträger durch eine Asymmetrie (Grenzfläche)( ) in der Struktur Transport der getrennten Ladungen zu den Kontakten und Sammlung an den Kontakten 3
PV verschiedener Generationen Dicke Energie Kosten Labor Produkt Rückzahlzeit [%] [%] [µm] [Jahre] [ /Wp] Si einkristallin 25.0 22.9 300 53 32.5 Si polykristallin 20.4 17.8 Si amorph 9.5 8.2 120 2 CdTe 16.7 10.9 120 1 <1 CIGS (CuInGaSe 2 ) 20.00 13.5 120 2 DSZ (Grätzel) 11.5 ~5 < 0.3 0.50.7* Organische SZ 8.3 ~3 0.10.2 <0.5* 0.40.3* Silizium: allgegenwärtig (Sand), aber teuer, weil hoher Energieverbrauch für die Herstellung DünnfilmTechnologie: geringerer Material und Energieverbrauch (evtl. Problem der Verfügbarkeit und Toxizität) Organische PV: Synthetische ti h molekulare l Materialien, gut verfügbar, nicht giftig, ökofreundlich, großflächige Produktion über Drucken auf flexiblen, transparenten Unterlagen 4
Organische Elektronik Energiesparende und kostengünstige Zukunftstechnologie auf transparenten und flexiblen Unterlagen durch Drucken Ultradünne Displays (OLED) Weiße Beleuchtung (OLED) Plastikelektronik Organische Solarzellen Synthetisch im Labor hergestellte organische Materialien (Polymere, Oligomere, Farbstoffe), geringster Materialverbrauch, preiswert Wichtigste Eigenschaften: Leitfähigkeit, Lichtabsorption, Lichtemission 5
Organische SolarzellenKonzepte Organischer, molekularer phalbleiter (Lochtransport) nhalbleiter (Elektronentransport) Oligomer / kleine MolekülSolarzelle VakuumAbscheidung (hohe Temperatur) PolymerSolarzelle Aus Lösung hergestellt (niedr. Temperatur) Farbstoffsensibilisierte Solarzelle (Grätzel) elektrochemische h Zelle Ladung phl nhl Glas/ITO p Metall n Glas/ITO PEDOT/PSS Metall TiO 2 2I I2 Farbstoff = 8.3% (1.1 cm 2, zertifiziert, Heliatek) = 8.3% (1 cm 2, zertifiziert, Konarka) = 11.1% (0,22 cm 2, zertifiziert, Sharp) 6
Organische EinschichtSolarzelle Die erste organische Solarzelle: Die Natur als Vorbild (Photosynthese) Substrat ITO Metallkontakt (Al) Chlorophyll A (p) Metallkontat (Au) p/ngrenzfläche = 0.001% 001% LeistungsWirkungsgrad der Photosynthese ist nur 0.22%! C.W. Tang, A.C. Albrecht, J. Chem. Phys. 1975, 62, 21392149 7
Organische ZweischichtSolarzelle Der erste organische p/nheteroübergang Substrat ITO CuPhthalocyanin (p) Perylenimid (n) flache p/n Grenzfläche CuPc (Donor) Metallkontakt (Ag) = 0.95 % BBIPTCDI (Akzeptor) Ultradünne Filme durch Vakuumtechnologie C.W. Tang, Appl. Phys. Lett., 1986, 48, 183185 8
Organische Mehrschichtzellen Mischschichten hi ht (p/n) sind möglich Tandemzellen: 2x1 < 2 Substrate ITO MeOTPD MeOTPD (Lochtransp.) Substrate ITO MeOTPD (phtl) ZnPc : C 60 ZnPc : C 60 Fullerene C 60 (n) Fullerene C 60 Metal contact (Al) MeOTPD (phtl) ZnPc =2.1 % ZnPc : C 60 =5.0 % (Ø = 0.78 mm2 110 suns) Fullerene C 60 (n) Metal contact (Al) C 60 = 3.8 % = 5.7 % M. Pfeiffer, K. Leo et al., Appl. Phys. A 2004, 79, 1 J. Xue, B. P. Rand, S. Uchida, S. R. Forrest, J. Appl. Phys. 2005, 98, 124903 9
Komplementäre Absorber Heliatek s TandemzellenTechnologie T l Substrat t ITO ZnPc : C 60 DCV5T : C 60 C 60 DCV5T C 60 ZnPc 6 4 2 Metallkontakt (Al) Heliatek GmbH 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 350 Wavenlength (nm) Weltrekord für OSZ: = 8.3% 3%(1 (1.1 1 cm 2, zertifiziert i t ISE Freiburg) Pressemitteilung vom 17. Oktober 2010 (www.heliatek.com) 10
Firmen in der organischen PV Heliatek (BRD) kleine Moleküle Solarmer (US) Polymere Konarka (US/BRD) Polymere Plexitronics (US) Polymere G24I (Irland) Grätzelzellen 8.3 % Heliatek GmbH 10% Heliatek 8.3% Konarka 5% Heliatek 2% 11
Drucken wie Zeitungen 110 m/sec Konarka 12
Solarfolien aus dem Baumarkt Konarka 13
Erste kommerzielle Nischenprodukte Neubers 14
Zukünftige Herausforderungen Dezentrale Speicherung der gewonnenen Solarenergie Effiziente LiIonenBatterien, Elektromobilität Evonik Magazin Umwandlung des Treibhausgases CO 2 zu Kraftstoffen mit Sonnenenergie (CO 2 Methan oder Methanol) Neue EnergieKurse und Studiengänge, Weiterbildung (2009: ca. 340.000 Beschäftigte im Bereich der regererativen Energien) 15
Zusammenfassung OPV» Natur (Photosynthese) th OLED: energiesparend flexibel, transparent, günstig g gut verfügbar, ungiftig, verbrennbar Wirkungsgrad, Lebensdauer 16
Evonik Magazin PhysikNobelpreis 1921 Theorie des photoelektrischen Effektes 17
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