F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R P H O T O N I S C H E M I K R O S Y S T E M E I P M S GLOSSAR ORGANISCHE PHOTOVOLTAIK

Ähnliche Dokumente
Physik 4 Praktikum Auswertung PVM

Strom und Spannungsmessung, Addition von Widerständen, Kirchhoffsche Regeln, Halbleiter, p-n-übergang, Dioden, fotovoltaischer Effekt

Norbert Koch. Polymer gegen Silizium: Wer wird in der Elektronik gewinnen?

2-01. Das Ethen-Molekül. Perspektivische Darstellung des Ethen-Moleküls.

5 Elektronenübergänge im Festkörper

1 Leitfähigkeit in Festkörpern

Die Silizium - Solarzelle

14. November Silizium-Solarzelle. Gruppe 36. Simon Honc Christian Hütter

Solarzellen der 3. Generation

Qualification of organic heterojunction solar cells

Abb. 1 Solarzellen PHOTOVOLTAIK. Stefan Hartmann

Lichtquanten. Hallwachs, Photoelektronenspektrometer, 2010

Physikalisches Anfängerpraktikum Teil 2 Elektrizitätslehre. Protokollant: Versuch 27 Solarzellen

Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde. Sommersemester 2007

Halbleiter. Das Herz unserer multimedialen Welt. Bastian Inselmann - LK Physik

Grundlagen der Rechnertechnologie Sommersemester Vorlesung Dr.-Ing. Wolfgang Heenes

Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

1.17eV exp eV exp Halbleiter

Physik Organischer Halbleiter:

Sonnenenergie: Photovoltaik

Festkörperelektronik 2008 Übungsblatt 6

Festkörperelektronik 2008 Übungsblatt 5

Fortgeschrittenen Praktikum TU Dresden 08. Mai Solarzelle (SZ)

Physikalisches Praktikum II Bachelor Physikalische Technik: Lasertechnik Prof. Dr. H.-Ch. Mertins, MSc. M. Gilbert

Auswertung. D07: Photoeffekt

Google-Ergebnis für

Photonische Materialien 9. Vorlesung

Lichtquanten. Quelle: CERN Teachers Lab

Messung hochkapazitiver PV- Bauelemente

Freie Elektronen bilden ein Elektronengas. Feste positive Aluminiumionen. Abb. 1.1: Metallbindung: Feste Atomrümpfe und freie Valenzelektronen

Motivation Physikalische Grundlagen Ausblick. Photovoltaik. Physikalische Grundlagen. Serkan Sahin. Bachelor Seminar SoSe


Lichtquanten Das Photonenmodell des Lichts

Spektroskopie-Seminar SS UV-Vis-Spektroskopie. UV-Vis-Spektroskopie

Bestimmung des planckschen Wirkungsquantums aus der Schwellenspannung von LEDs (A9)

Detektoren in der Kern- und Teilchenphysik Szintillationsdetektoren Ionisationsdetektoren Halbleiterdetektoren

Die chemische Bindung

18. Vorlesung III. Elektrizität und Magnetismus

4.2 Halbleiter-Dioden und -Solarzellen

Elektrizitätslehre 3.

HVG-Mitteilung Nr Bedeutung des Eisengehaltes von Deckgläsern für Photovoltaik-Module auf deren Systemeigenschaften

Halbleiter. pn-übergang Solarzelle Leuchtdiode

Fortgeschrittenenpraktikum: Ausarbeitung - Versuch 14 Optische Absorption Durchgeführt am 13. Juni 2002

32. n oder p? (Ü) Sie müssen die Dotierung in einem unbekannten Halbleiterplättchen bestimmen.

Leitfähige Polymere: Mechanismen. Entdeckt 1977 durch H. Shirakawa, A. MacDiarmid, A. Heeger bei Polyacethylen [CH] n (Nobelpreis für Chemie 2000)

Gleichstromkreis. 2.2 Messgeräte für Spannung, Stromstärke und Widerstand. Siehe Abschnitt 2.4 beim Versuch E 1 Kennlinien elektronischer Bauelemente

Versuch 33: Photovoltaik - Optische und elektrische Charakterisierung von Solarzellen Institut für Technische Physik II

Spezifischer Widerstand fester Körper. Leiter Halbleiter Isolatoren. Kupferoxid

5. Photoelektrochemische Solarzellen Beispiel: n-halbleiter als Elektrode. Verbiegung des elektrischen Potentials im Halbleiter hin zur Oberfläche

UNIVERSITÄ T REGENSBURG

Dotierung. = gezieltes Verunreinigen des Si-Kristalls mit bestimmten Fremdatomen. n-dotierung Einbau. von Atomen mit 3 Valenzelektronen

h-bestimmung mit LEDs

Elektrotechnik: Übungsblatt 2 - Der Stromkreis

Solarzellen- und Solarmodulherstellung: Überblick über den Stand der Technik und aktuelle Entwicklungen

Ein Beitrag zu Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Cu(In, Ga)Se 2

Dielektrizitätskonstante

Ferienkurs Experimentalphysik 3

Lichtquanten. Hallwachs, Photoelektronenspektrometer, 2010

Übungen zur Vorlesung Physikalische Chemie II Lösungsvorschlag zu Blatt 5

n-typ negative Spannung positive Spannung p-typ Halbleiter in Sperrrichtung Festk0203_ /26/2003

Solarzellen und Solargeneratoren

Physik und Sensorik. Photodetektoren. Chemnitz 8. Oktober 2017 Prof. Dr. Uli Schwarz

= e kt. 2. Halbleiter-Bauelemente. 2.1 Reine und dotierte Halbleiter 2.2 der pn-übergang 2.3 Die Diode 2.4 Schaltungen mit Dioden

Versuch Leitfähige Polymere (engl. Conductive Polymer)

Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde. Sommersemester VL #19 am

Versuch Fluoreszenz-Quenching

6.2.6 Ohmsches Gesetz ******

Potential und Spannung

Protokoll für das NAWI-Profil. Namen: / Klasse: Datum:

Physik und Sensorik. Photodetektoren. Chemnitz 8. Oktober 2017 Prof. Dr. Uli Schwarz

Innerer lichtelektrischer Effekt

Wechselwirkung zwischen Licht und chemischen Verbindungen

2 Elektrische Ladung, Strom, Spannung

Ferienkurs Experimentalphysik 3

Die kovalente Bindung

VERSUCH 1 TEIL A: SPANNUNGSTEILUNG, SPANNUNGSEINSTELLUNG, GESETZE VON OHM UND KIRCHHOFF

12. Vorlesung. Logix Schaltungsanalyse Elektrische Schaltelemente Logikschaltungen Diode Transistor Multiplexer Aufbau Schaltungsrealisierung

Festkörper. Festkörper

PS3 - PL11. Grundlagen-Vertiefung zu Szintillationszähler und Energiespektren Version vom 29. Februar 2012

Teil C: Elektrische Charakterisierung von Solarzellen

Photonik Technische Nutzung von Licht

Organische Leuchtdioden: Licht aus Molekülen

Elektrostatik. 4 Demonstrationsexperimente verwendete Materialien: Polyestertuch, Kunststoffstäbe (einer frei drehbar gelagert), Glasstab

Molekulare Elektronik

TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERGAKADEMIE FREIBERG. Versuch: Elektrische Leitfähigkeit (Sekundarstufe I) Moduli: Physikalische Eigenschaften

Schülerexperimente mit Solarzellen

Sonnenenergie: Photovoltaik. Physik und Technologie der Solarzelle

Gleichstromtechnik. Vorlesung 3: Ladung und elektrischer Strom. Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann

11. Elektronen im Festkörper

Grundwissen. Physik. Jahrgangsstufe 8

Dye Sensitized Solar Cells ( ) (Dienstag, 10:00-12:00 Departement Physik, Seminarzimmer 3.12)

11. Elektronen im Festkörper

Ultraviolette Photoelektronenspektroskopie (UPS)

Photovoltaik: Wie geht es weiter?

Licht als Teilchenstrahlung

Dunkel- und Hellkennlinie des Solarmoduls. Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung! Messgerät + V + A. Solarmodul

Transkript:

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R P H O T O N I S C H E M I K R O S Y S T E M E I P M S GLOSSAR ORGANISCHE PHOTOVOLTAIK 1

2

AM (englisch Air mass) Das Spektrum und die Intensität der Solarstrahlung ist abhängig von der Weglänge des Lichts durch die Atmosphäre. AM 0 ist definiert als das Spektrum außerhalb der Atmosphäre (extraterrestrisches Spektrum) im Weltraum, AM 1 ist das Spektrum der senkrecht auf die Erdoberfläche fallenden Sonnenstrahlen, d. h. die Sonne muss dafür genau im Zenit stehen und für AM 1,5 ist der Zenitwinkel. 48,2. Bei AM 1,5 beträgt die globale Strahlungsleistung 1000 W m -2 (100 mw cm -2 ). AM = 1,5 wird als Standardwert für die Vermessung von Solarmodulen verwendet. Man kann AM 1,5 mit künstlichen Lichtquellen unter Verwendung von Filtern simulieren (Solarsimulatoren). Austrittsarbeit (work function) Diese Arbeit muss mindestens aufgewandt werden, um ein Elektron aus einem ungeladenen Festkörper zu entfernen. In der Regel wird die Austrittsarbeit in Elektronenvolt (ev) angegeben. Exziton (exciton) Ein Exziton ist ein gebundener Zustand von Elektron und Loch in einem Halbleiter. Es ist somit eine elementare Anregung des Festkörpers. Ein Exziton kann sich durch den Kristall bewegen und transportiert dabei seine Anregungsenergie durch diesen hindurch. Ein Exziton kann z. B. entstehen, wenn ein Photon in einen Halbleiter eindringt und ein Elektron zum Übergang aus dem Valenzband in das Leitungsband anregt. Das Elektron und das im Valenzband entstandene, entgegengesetzt geladene Loch ziehen sich durch die Coulomb-Kraft gegenseitig an. Ein Frenkel-Exziton beschreibt die Situation, bei der Elektron und Loch an einem Gitterplatz lokalisiert sind. Das wird beobachtet, wenn das Material, in dem es angeregt wurde, eine hohe Exzitonen-Bindungsenergie aufweist. Insbesondere die rein thermische Anregung reicht dann bei Raumtemperatur nicht mehr aus, um Elektron und Loch voneinander zu trennen. Fermi-Niveau Es ist im Bändermodell von Festkörpern das zur Fermi-Energie E f gehörende Energieniveau. Am absoluten Nullpunkt sind alle darunter liegende Zustände vollständig besetzt, 3

alle darüber liegenden Zustände leer. Mit zunehmender Temperatur und unter Belichtung erfolgt eine Population von den besetzten in unbesetzte Zustände. FTO Ist ebenso wie ITO ein transparentes, leitfähiges Metalloxid. Dabei ist Zinnoxid zur Erhöhung der Leitfähigkeit mit Fluor dotiert. ITO und FTO sind elektrisch leitfähige, im sichtbaren Bereich transparente Materialien mit einem Widerstand von etwa 10 Ω cm -2. Die Materialien werden auf Trägern wie Glas oder flexiblen Polymeren im großen Umfang als leitfähige Substrate in LCD- Anzeigen eingesetzt. Füllfaktor, FF (fill factor) Er bezeichnet den Quotienten aus der maximalen Leistung einer Solarzelle am Maximum Power Point (MPP) und dem Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom. (Dimensionslos) HOMO Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO), das höchste besetzte Orbital eines Moleküls. ITO Abkürzung für Indium (In) dotiertes Zinnoxid (SnO 2 ). Ein elektrisch leitfähiges Material, welches einen Flächenwiderstand von ca. 10 Ohm bei etwa 90% Transparenz im sichtbaren Bereich erreichen kann. ITO wird zumeist als Anodenmaterial verwendet. IPCE (incident photon-to-current conversion efficiency) Diese Werte werden durch Aufnahme von Photostrom-Aktions-Spektren erhalten. IPCE ist definiert durch die Zahl der Elektronen, die zur Gegenelektrode fließen, dividiert durch die Zahl der eingestrahlten Photonen bestimmter Wellenlänge. Der Wert kann bei einer bestimmten Wellenlänge theoretisch 100% betragen. Praktisch liegen die Werte wegen Reflektions- und Absorptionsverlusten durch ITO-Substrate maximal bei 80-90%. 4

Kurzschlussstrom (I SC, shortcut current) Der Kurzschlussstrom ist der Strom, der bei direktem Kontakt von Anode und Kathode fließt. Leerlaufspannung (U OC, open circuit voltage) Als Leerlaufspannung wird die Spannung bezeichnet, die eine Solarzelle ohne Stromfluss, also ohne angeschlossenen Verbraucher, abgibt. Leistung, elektrische (power) Die elektrische Leistung P, die in einer Solarzelle erzeugt wird, ist das Produkt der elektrischen Spannung U und der Stromstärke I und wird in Watt (W) angegeben. Leitfähigkeit, elektrische σ (conductivity) Angegeben wird σ in S cm -1, die ein Körper mit 1 cm Länge d und 1 cm² Querschnittsfläche F besitzt (R= elektrischer Widerstand: σ = d / F R). Isolatoren haben σ von ~<10-10, Halbleiter σ von ~10-10 bis ~10 1 und Metalle σ von ~>10 1 S cm -1. Loch (hole) Bei Halbleitern werden bewegliche positive Ladungsträger vereinfacht»löcher«genannt. Dabei handelt es sich um ein fehlendes Elektron und wird daher auch als Defektelektron oder Elektronenfehlstelle bezeichnet. Der Ladungstransport erfolgt auch hier durch Elektronen. LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO), das niedrigste unbesetzte Orbital eines Moleküls. OPV Organic Photovoltaics, Organische Photovoltaik OSC Organic Solar Cell Photosensibilisator (auch Sensibilisator genannt) (photo sensitizer) Eine Verbindung, bei der durch Absorption eines Photons eine photochemische oder photophysikalische Veränderung 5

Stromdichte J [A/cm²] Dunkelkennlinie Hellkennlinie V m V OC [1] [2] FF = V J m m V OC J SC η = V m J m E = V OC J SC FF E ma mw (V OC in V, J SC in, E in ) cm² cm² J m 0 Spannung [V] J SC eintritt. Der Photosensibilisator wird bei dem Vorgang nicht verbraucht sondern er steht cyclisch wieder zur Verfügung. Der Prozess wird auch Photosensibilisierung (Sensibilisierung) genannt. Photovoltaische Parameter zur Berechnung des Wirkungsgrades Zur Charakterisierung organischer Solarzellen werden Strom-Spannungskennlinien unter Beleuchtung und im Dunkeln aufgenommen. Als Ergebnis erhält man eine zwei Kurven, wie sie in der Abb. unten dargestellt sind. Aus der Hellkennlinie lässt sich direkt der Kurzschlussstrom J SC und die Leerlaufspannung V OC ablesen. Die maximale Leistung, die eine Solarzelle liefern kann, ist durch das größte Rechteck gegeben, welches sich in die Strom-Spannungskennlinie einpassen lässt. An dem Punkt, an dem die rechte untere Ecke die Hellkennlinie berührt befindet sich der MPP, der Maximum Power Point. Die dazugehörige Stromdichte wird mit J m und die dazugehörige Spannung mit V m bezeichnet. Der Füllfaktor FF ist ein Maß dafür, wie gut sich das Rechteck der Kennlinie anpasst. Bei Siliziumzellen liegt der FF bei über 0,8, bei leistungsfähigen organischen Solarzellen oberhalb von 0,5 (s. Gleichung [1]). Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle kann über die Gleichung [2] berechnet werden, wenn die Bestrahlungsstärke E (typisch: 100 mw/cm², AM 1.5) bekannt ist. Die maximale Leerlaufspannung einer organischen Solarzelle wird vom Abstand der Fermi- Energien des HOMOs des Akzeptors (z. B. ZnPc) und dem LUMO des Donors (z. B. C60) begrenzt. Singulett-Zustand Im Singulett-Grundzustand befinden sich zwei gepaarte Elektronen im HOMO (höchstes und energiereichstes besetztes Molekülorbital). Durch Absorption eines Photons, das energetisch der Differenz zwischen HOMO und LUMO (niedrigstes und energieärmstes unbesetztes Molekülorbital) entspricht, geht ein Elektron unter Spinerhaltung in das LUMO über. 6

Wirkungsgrad (efficiency) Der Wirkungsgrad η (eta) beschreibt das Verhältnis von abgegebener Leistung P (Nutzleistung) zu zugeführter Leistung E (Bestrahlungsstärke). Der Wirkungsgrad wird in % angegeben. Zertifizierung In der Fachliteratur zur Photovoltaik werden viele Daten veröffentlicht, die schwer nachzuvollziehen sind. Aus diesem Grund gibt es unabhängige Zertifizierungslaboratorien, wie beispielsweise das Fraunhofer ISE oder NREL (National Renewable Energy Laboratory). Hier werden Zellen und Module unter Standardbedingungen charakterisiert und die Zellflächen genau vermessen. 7