NEW SYNTHESIS METHODS FOR NANOCOMPOSITE SOLAR CELLS Gregor Trimmel, Thomas Rath 12.02.2010
y f Technology Graz University of Christian Doppler Pilotlabor für Nanokomposit-Solarzellen getragen durch: Institut für Chemische Technologie von Materialien, TU Graz Stremayrgasse 16/II, A-8010 Graz, Österreich NanoTecCenter Weiz Forschungsgesellschaft mbh Franz-Pichler-Straße 32, A-8160 Weiz, Österreich Institut für Elektronenmikroskopie und Feinstrukturforschung, TU Graz Steyrergasse 17, A-8010 Graz, Österreich mit dem Industriepartner: ISOVOLTA AG A-2355 Wiener Neudorf, Österreich www.organicsolarcells.tugraz.at
Das CD-Labor für Nanokomposit-Solarzellen Wissenschaftliche Zielsetzung Synthese und Charakterisierung von nanostrukturierten Kompositmaterialien für die Photovoltaik und Implementierung dieser Materialien in industrielle Prozesstechnologien und Bauelemente.
Die Nanokomposit-Solarzelle - - - Aluminium Lichtabsorption Ladungstrennung + + Ladungstransport + ITO Mischung aus organischen konjugierten Polymeren und Fullerenen oder anorganischen Halbleiterpartikeln CdSe, CdTe, PbS, TiO2, ZnO, ZnS,CuInS2 Vorteile: leicht und flexibel, billig in der Herstellung für Folienanwendungen, out-door-bereich: Freizeit,... Nachteile: Stabilität, Einkapselung erforderlich
Die Nanokompositsolarzelle ll (NKSZ) Elektroden Nanokompositschicht ht 180 nm Glas / PET ITO Elektrode Aktivschicht: 180 nm = 0,2 µm >< Blatt Papier: ca. 0,1 mm 500 x dünner als ein Blatt Papier! Vorteil: Zielsetzung: geringer g Materialbedarf! kontrollierte Herstellung der NKSZ homogen, reproduzierbar, mit großer Geschwindigkeit definierte und nanostrukturierte Morpholgie!
Struktur des CD-Pilotlabors FELMI TU Graz Morphologieuntersuchung ICTM TU Graz Synthese, Charakterisierung, Screening in einfachen Bauelementen Material Morphologie - Eigenschaft Technologieentwicklung NTC Weiz Fabrikation und Testen von Bauelementen, Drucktechniken CDL Nanokomposit-Solarzellen Leiter: Gregor Trimmel Synthese und Charakterisierung von nanstrukturierten t Kompositmaterialien t i für die Photovoltaik und Implementierung in Industrielle Prozesse. ISOVOLTA AG Technologieentwicklung Wissenschaftliche Kooperationen Komplementäre Charakterisierungs- Techniken, Theoretische h Berechnungen
Nanostrukturierte Morphologien Anorganischer Halbleiter Organischer Halbleiter Elektronen Löcher Heterogen Gradient Geordnet Ordnungsgrad der Morphologie Heterogen: hohe Grenzfläche: gute Ladungstrennung Isolierte Bereiche: schlechte Ladungsextraktion Gradient: hohe Grenzfläche: gute Ladungstrennung Verringerung der isolierten Bereiche, verbesserter Ladungsfluss zur Elektrode Geordnet: hohe Grenzfläche und kontinuierliche Leitungspfade zur passenden Elektrode: hohe Effizienz
ZnS-Nanopartikel - Agglomeration (A) TAA-MW-1.1/0, (B) TAA-MW-1.1/10, (C) TAA-MW-1.1/10 (D) TAA-1.1/0, (E) TAA-1.1/10, (F) HMDST-1.1/0 T. Rath, et al., Inorg. Chem. 2008, 47, 3014
Alternative Synthesemethoden long chained amines XRD analysis 14 1,4 1,2 ZnS + OA ZnS + DA ] ty norm. [a.u.] Intensit 10 1,0 0,8 0,6 0,4 OA oleylamine DA dodecylamine 0,2 0,0 20 40 60 80 2 θ /d deg
Alternative Synthesemethoden OA DC OA OA DC
In-Situ Synthese von Nanokompositschichten Synthese der Anorganischen Nanopartikel direkt im Polymer Keine Stabilisatoren erforderlich Viele Materialkombinationen möglich: ZnS, CdS, CuInS 2,. + conjugated polymer drop coated precursor solution polymer, CuX, InX 3, thiourea nanocomposite layer polymer / CuInS 2 -nanoparticles thermal conversion step 150 220 C substrate: ITO-coated glass polymer nanoparticles Polymer: PPV-precursor Cl - S + 200 C n - HCl / - C 4 H 8 S n PPV precursor soluble PPV not soluble
Elektronenmikroskopische Charakterisierung 100 nm 5 1/nm Ring Radius (1/nm) d (nm) (hkl) 50 nm 1 3.128 0.320 (112) 2 5.139 0.195 (204) / (220) 3 6.001 0.167 (116 / (312) 4 8.858 0.113 (424)
Zeitaufgelöste Röntgendiffraktometrische Studie 112 reflection of nanocrystalline CuInS 2 ~ 28 2θ / onset ~ 100 C peaks of precursor compounds 200 C 25 C Measured with synchrotron radiation at Elettra Trieste, collaboration with H. Amenitsch
PbS / Polythiophene Christian Doppler Pilotlaboratory for Nanocomposite Solarcells Metallsulfid lfid / Polymer Nanokomposite CdS / Polythiophene ZnS / Polythiophene particle size: > 200 nm particle size: 3 5 nm particle size: 2 3 nm 8000 cps intensity / 7000 6000 5000 4000 3000 2000 PbS cps intensity / 350 300 250 200 150 100 CdS intensity / cps 2500 2000 1500 1000 ZnS 1000 0 0 20 40 60 2 θ / 500 50 0 20 40 60 0 20 40 60 2 θ / 2 θ /
Elektrische Charakterisierung Elektroden Nanokompositschicht Glas / PET ITO Elektrode curren t density [ma /cm 2 ] 0,4 0,2 0 P3EBT/CdS -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 02-0,2 voltage [V] -0,4-0,6 Metal V OC / I SC / sulfide mv µa/cm 2 FF PbS no working solar cells were obtained ZnS 710 8 0.22 CdS 510 460 0.28
CuInS 2 /Polymer Solarzellen Ca/Al Glas ITO EBL CuInS 2 / PPV Nanocomposite Current-Voltage Curve SOL4G2-3_3 i [µa/cm²] 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0-500 -1000-1500 -2000-2500 SC -3000-3500 -4000-4500 -1,8-1,6-1,4-1,2-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Illumination: 60 mw/cm², halogen lamp not corrected I SC = 2122 [µa/cm²] dark illuminated U [V] V OC = 705 [mv] i mpp = 1150 [µa/cm²] V mpp = 390 [mv] η = 0,75% FF = 0,30
CuInS 2 /Polymer Solarzellen Current-Voltage Curve SOL7-1_2_3 i [µa/cm² ²] 10000 dark illuminated 5000 Illumination: 60 mw/cm², halogen lamp not corrected 0-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0-5000 -10000-15000 U [V] I SC = 507 5,07 [ma/cm²] V OC = 630 [mv] I mpp = 2,42 [ma/cm²] V mpp = 285 [mv] η = 1,15 % FF = 0,22
Zusammenfassung Nanokompositmaterialien sind vielversprechende Materialien für zukünftige PV-Anwendungen Rekordwirkungsgrade bei ca. 7,5 % Fulleren/Polymer ca. 3,2% Nanopartikel/Polymer In-Situ Synthese von Nanokompositschichten ist ein vielversprechendes Verfahren niedere Prozesstemperaturen (bis ca. 200 C) keine Stabilisatoren erforderlich) Herausforderungen Optimierung des Wirkungsgrads Kontrolle der Phasenseparation (Morphologiekontrolle)
ICTM Christian Doppler Pilotlaboratory for Nanocomposite Solarcells Danksagung g Franz Stelzer, Robert Saf, Eugen Maier, Dorith Meischler, Sonja Larissegger, Michael Edler, Achim Fischereder, Andreas Pein, Sebastian Dunst, Stefan Moscher, Kathrin Bohnemann, Karin Bartl, Alejandro Santis, Christopher Fradler FELMI TUG Ferdinand Hofer, Wernfried Haas, Peter Pölt, Werner Grogger, Armin Zankl, Ilse Letofsky-Papst NTC-Weiz Members Emil List, Gernot Mauthner, Roman Trattnig Kooperationspartnern: t Tallinn University of Technology Dieter Meissner Karin Zojer (TUG), Manfred Gruber (TUG), Benjamin Stickler (TUG), Roland Resel (TUG), Birgit Kunert (TUG), Oliver Werzer (TUG), Heinz Amenitsch (Elettra) ISOVOLTA AG Albert Plessing, Andreas Ruplitsch Financial Support by: