ORGANISCHESOLARZELLEN

Bearbeitet von Dorothee Dick

Warum Erforschung von alternativen zu Si-Solarzellen?

Großflächig kostengünstige Fertigungsprozesse

Hohe Flexibilität (flexible Solarzellen) Massereduzierung durch geringere Dicke und

Dichte der Schichten Zuschneiden je nach benötigter Größe

(Plastiksolarzelle) Hohe Umweltverträglichkeit

Hoher Bedarf an preiswerteren Solarzellenlow-cost Technologie

Energiegewinnung? – Organische Halbleiter

Photosensibilisierungs-Solarzellen

Feststoff-Solarzellen3 Alternativen!

Idee aus der Natur: Energiegewinnung durchPhotosynthese

Idee von anorganischen Halbleitern(Si-Solarzelle)

Organische Farbstoffe:

Auf lösungsmittelprozessierbarenPolymeren

Auf aufdampfbaren „kleinen Molekülen“ bzw. Oligomeren

Organische HalbleiterFunktionsweise: (ähnlich Si-Hl)

Hauptunterschied:org. Schichten meist amorph WW gering

Delokalisiertes, konjugiertes Pi-Elektronensystem (sp2-Hybridisierung der Kohlenstoffatome

Anregung bei Photoneneinfall, wegen schwacher pi-Bindung

Keine direkte Bildung freier Ladungsträgerpaare (Polarisation gering)

Bildung neutraler Anregungszustände (Frenkel-Exzitonen)

p-n-Dotierung möglich

Auswirkungen der schwachen intermolekularen WW

Niedriger Schmelzpunkt, eine hohe Zerbrechlichkeit, aber auch FlexibilitätBänder eher schmal

Absorptionsspektrum molekülabhängig, sehr groß Geringe Dichte und Beweglichkeit der Ladungsträger

Hopping-TransportSpannungserzeugung nur geringe Schichtdicke möglich

(Beweglichkeit abhängig von Temperatur, el.Feldstärke, Ladungsträgerdichte)

Bildung von Frenkel-Exzitonen (mit hoher Bindungsenergie)

Trennung z.B. durch photoaktiven Donator-Akzeptor-Heteroübergang

Trotz allem oft: Benutzung Banddiagramm

Energieniveaus freier Ldgsträger ~ Bandkante E- Leitungsniveau = LUMO (lowest unoccupied

molecular orbital) ~leitungsbandkanteTransportniveau für Löcher = HOMO (highest occupied molecular orbital) ~ valenzband

Organische Halbleiter: Grundlagen

1. Photoneneinstrahlung: lokalisierte Anregung eines Moleküls = Exziton

2. Exzitonendiffusion (~10nm möglich sonst relaxiert es)

3. DissoziationHeteroübergang zur Trennung benötigt (Ladungstransfer begünstigendes Nachbarmolekül)

4. Ldgsträgertransport/-extraktion (Hopping-Transport)

Idee: Problem mit der Diffusionslänge vermeiden durch Mischschichten

Dicke der Substanz kann (unabhängig von Diffusionslänge) für Absorption ideal gewählt werden

Unabhängig von Lichteinfall immer ein Heteroübergang in Reichweite

Verbessern der Struktur durch „Tempern“:Substrat 5 Minuten bei 140°C auf die Heizplatte Ausbildung semi-kristalliner Strukturen Besserer Ladungstransport

Vermischen Donator und Akzeptor in lichtabsorbierender Schicht

ALLGEMEINER AUFBAU:

Effiziente Methode zur Erzeugung freier Ladungsträger: Ultraschneller photoinduzierter

Elektronentransfer (<50fs) viel schneller als Rekombi oder photoangeregte Zerfallsprozesse Quantenausbeute fast 1

Welche Stoffe verwenden wir hierfür?

Zink-Phthalocyanin (ZnPc) : blauer Farbstoff.

C60 Fulleren : starke Akzeptorwirkung und gute Elektronenleitfähigkeit

Ist der photoerzeugte Zustand langlebig? Lichtinduzierte Untersuchungen ergaben: Bildung langlebiger Radikale

Bulk-heterojunction-Konzept (Donator/Akzeptor-Netzwerk ):

Zweite Elektrode – Reflektiert Interferenz nutzbar

Feststoff-Solarzellen

LÖSUNGSMITTELPROZESSIERBARENPOLYMEREN

Bei den Polymer-Solarzellen hat sich das Donator-Akzeptor-Mischsystem durchgesetzt.

P3HT: PCBM beste Materialkombination (Wirkungsgrad 3,1)

Kurzschlussstrom für höhere Mobilität

Schichtdicke limitiert Absorptionsmaximum konjugierter

Polymere meist bei oder unter 600nm (Maximum der Photonenflussdichte des Sonnenspektrums ca. bei 750nm)

Mit organischen Farbstoffen:Intensive FarbigkeitHohe Absorption im sichtbaren SpektrumLichteindringtiefe unter 50nm

Herstellungsverfahren

SPIN-COATING Für polymere Solarzellen Tropfen einer Lösung auf

ein rotierendes Substrat Gleichmäßig verteilte

Schicht Ca. 30cm Durchmesser

DRUCKVERFAHREN

Kontinuierliche Massenproduktion:

Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren

Tintenstrahldruck Siebdruck

Organische AufdampfschichtenDÜNNSCHICHTSOLARZELLEN P-I-N-SOLARZELLE Zellen auf einfache Plastik- oder

Metallfolie aufbringen thermisches Verdampfen im

Hochvakuum Einfach da keine exakten

Anforderungen an die Stöchiometrie der Schichten

Produktion bereits für OLED-Displays oder Leuchtdioden

Gezielte und effiziente p-n-dotierung durch kontrollierte Mischverdampfung möglich

wide-gap Transportschichten (große Bandlücke) Schichtdicke optimierbar

Absorption hoch, Rekombination gering hohe Quantenausbeute

Zwischenschicht:Schutz vorBeschädigungen,Interferenz-ausnutzung

Wirkungsgrad nur bei etwa 3% mehrere seriell-geschaltete Solarzellen schichten

TANDEM-SOLARZELLE: 1. 1990 Wirkungsgrad 5,7% Leichte Stapelbarkeit

dotierter Zellen Rekombinationsschicht

zwischen Einzelzellen Komplettes Sonnenspektrum

absorbieren durch Mischung geeigneterter Stoffe

BCP-Schicht (Bathocuproin) verhindert Löschen von Exzitonen am Metallkontakt,jedoch keine Barrierefür den Elektronentransport

Externe Quanteneffizienz einer organischen Solarzelle mit einer photoaktiven Schichtaus C60 und ZnPc (Mischschicht, 50 nm)(durchgezogene Linie). Im Vergleich die Absorptionskoeffizientenvon C60 (gepunktet) und ZnPc (gestrichelt).

Photosensibilisierungs-SolarzellenDie Idee der Pflanzen: Photosynthese

Elektronenakzeptor: Anorganische Nanopartikel (meist Titandioxid)Photosensibilisator (z.B. Chlorophyll, Phthalocyanin )Organische Farbstoffmoleküle an der Oberfläche der Nanopartikel verankertElektrolyt (verhindert Rekombination, liefert neue e-) Wirkungsgrad:

momentanmit flüssigem Elektrolyt (Redox-paar Iodid/Iod ) 11%Fester Elektrolyt (Ldgsträgerbew. eingeschränkt) nur 5% (Stand2010)

Neu: Elektrolyt verfestigen,neuer Farbstoff5 Jahre haltbarWirkungsgrad: 9,1 %

1. Michael Grätzel 1991 : Grätzel Zelle

Vorteil: Auch bei geringer Lichteinstrahlung sehr effektiv

Weitere Vorteile derOrganischen Solarzellen

Durchsichtige Module können an Fensterflächen angebracht werden

Farbige Module auch optisches Highlight

Chemisches Maßschneidern(an Sonnenspektrum)

Hohe Lichtempfindlichkeit (Wirkungsgrad bei photosensibilisierten Zellennimmt bei schlechterEinstrahlung kaum ab)Praktisch für:

Ladegeräte (für Laptop, Handy,…)Einarbeitung in Textilien,Verwendung als Fenster,Farbige Verschönerung verschiedener Gebäude…

Zukunft?

Dringender Forschungsbedarf : Lebensdauer(momentan maximal ca. 5 Jahre)

Empfindlichkeit der organischen Solarzellen gegen V-Licht Wasser Sauerstoff

geeigneten Verkapselung ist zu finden!

Forscher halten Wirkungsgrade von 20% durchaus für möglich. (geplant für 2020)

Forschung an besseren Absorbersubstanzen

Wirkungsgrade momentan:3% pin 12% Tandem im Labor (8% real)OVP 7%11% 3.Generation Photosenibilisatorzelle (25Jahre haltbar)

Toyota und Hyundai beispielsweise möchten bereits 2010 erste Fahrzeuge mit Solardächern auf den Markt bringen, die die Lithium-Ionen-Batterien der Plug-In-Hybridautos unterstützen.

Photovoltaik in Gebäuden, Textilien, Autos, Flugzeugen:

Die Integration von hauchdünnen, organischen Solarzellen in Gebäudeteilen (BIPV) – beispielsweise in Glas-Fassaden oder Ziegeln – wird in den kommenden Jahren verstärkt an Bedeutung gewinnen. Nach Einschätzung der Analysten könnten Solardächer, -fenster, -fassaden oder -ziegel herkömmliche Materialien beim Bau von Gebäuden ablösen.

Consumer Electronics:Displays aus Farbstoff-Solarzellen könnten in Zukunft Produkte wie Handys schmücken und sie unabhängig vom Stromnetz aufladen

Sunset Organisches Solar-ModulFür 89,95 €Technische DatenLeistung 1,3 WpNennspannung 7,9 VNennstrom 164 mALeerlauf-Spannung 11,3 VKurzschluss-Strom 202 mALeistungsgarantie 2 JahreAbm. (B x H x T) 340 x 273 x 0,5 mmleichtes, dünnschichtiges Photovoltaikmaterial aus lichtreaktiven Materialien, die aus leitenden Polymeren sowie aus organischen Nano-Materialien gefertigt werden

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit