I.2: Vorlesung Solarenergie: TerminplanungTermin Thema Dozent Di. 20.4. Wirtschaftliche

Aspekte/Energiequelle Sonne Lemmer/Heering

Do. 22.4. Halbleiterphysikalische Grundlagen photovoltaischer Materialien

Lemmer

Do. 29.4. Kristalline pn-Solarzellen Heering Di. 4.5. Elektrische Eigenschaften Heering Do. 6.5. - ggf. Exkursion - Do. 13.5. Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Di. 18.5. Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Do. 20.5. Christi Himmelfahrt Do. 27.5. Anorganische

Dünnschichtsolarzellen Lemmer

Di. 1.6. Pfingstwoche Do. 3.6. Pfingstwoche Di. 8.6. Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Do. 10.6. Fronleichnam Di. 15.6. Photovoltaische Systeme I Heering Do. 17.6. Photovoltaische Systeme I Heering Do. 24.6. Solarkollektoren Heering Di. 29.6. Passive Sonnenenergienutzung Heering Do. 1.7. Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Do. 8.7. Solarthermische Kraftwerke II Lemmer Di. 13.7. Solarchemie Heering Do. 15.7. Energieszenarien Lemmer Do. 22.7. Exkursion ISE Heering/Lemmer

Organische Dünnschichtsolarzellen

...Plastiksolarzellen...

Ein Teil der Folien stammt von

Dr. Christoph Brabec

Siemens AG, Corporate Technology

CT MM 1 - Innovative Electronics

Warum organische Solarzellen ?

Warum organische Solarzellen ?

Warum organische Solarzellen ?

- sehr günstige Ausgangsmaterialien

-Abscheidung auf Kunststoffsubraten, mechanische Flexibilität

- roll-to-roll (R2R)-production

- durch mechanische Flexibilität einfache Integration in Fassaden, Dächer, etc.

- keine Entsorgungsproblematik

II.4 Electronic states in molecules

→ delocalized π-electronslike in benzene are needed

sp2-hybrid orbitals

pz-orbitalsform π-orbitals

What is a π-electron ???

Electronic structure of organic semiconductors:The most simple approach: particle in the box

II.4.1: The particle-in-the-box model

Forget about the details, the molecule is a box with a length determinedby the size of the molecule. The number of electrons is given by the numberof C-atoms.

Organic optoelectronic materials

Conjugated polymersConjugated polymers Small evaporated moleculesSmall evaporated molecules

Alq3Alq3Alq3

Alq3

Covion PPV co-polymersCovion PPV co-polymers

HTL

ETL

HTL

ETL

Polyfluorene (Dow)Polyfluorene (Dow)

spin-coatingspin-coating vacuum depositionvacuum deposition

„Chemical Bandgap Engineering“

- Bandlücke kann durch Synthese bestimmt werden→ ideale Anpassung an Sonnenspekrum möglich

300 350 400 450 500 550 600 650 700

Abs

orpt

ion

(arb

. uni

t)

Wavelength (nm)

CN-PPV

MEH-PPV

BCHA-PPV

PPV

1.5-2.7 eV gap

Processability

Bandgap engineeering

A Member of DuPont i TechnologiesICSM2000, July 15 - 21 2000

Prinzipien einer konventionellen Solarzelle

Si-Solarzelle:

Licht wird absorbiert

Erzeugung von beweglichen Ladungsträgern

Ladungsträgertrennung

Induziert Unterschiede im Fermi-Niveau an Kontakten

Stromfluß im externen Stromkreis

Unterschiede zwischen anorganischen und organischen Solarzellen

1.

- p(i)n-Übergänge werden ausgenutzt-(noch) keine stabilen pn-Übergänge

-möglich - Exzitoneneffekte spielen keine Rolle

-Absorption führt nicht direkt zur Anregung

von freien Ladungsträgern

Transition from a neutral exciton to a pair of charge carriers

Experiment:

e-h

e

h

Device Scheme:

Dissociation process:

Abs.

e-h+

S1

VII.2: Carrier generation in organic semiconductors

S0

450 500 550 6000

10000

20000

30000

40000

-30 V

0 V

1 nm rotverschoben und bißchen verbreitertA. Haugeneder 04.02.99 14:24:29

Pl i

nten

sity

(arb

. uni

ts)

Wavelength (nm)

450 500 550 6000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

I PL(-

30V

)/IP

L(0V

)

Wavelength (nm)

PL-spectra with/without bias voltage

- Electric field: 30 V/100nm=3*106V/cm !!!-very high electric fields are required to seperate charge charriers

-

ICSM2000, July 15-21 2000

A Member of DuPont iTechnologies

Multifunctionality: Rectification, light emission and photodetection

G. Yu et al., APL 64, 1540 (1994); A.J. Heeger and G. Yu US Patent 5,504,323, 04/02/96

10-11

10 -9

10 -7

10 -5

10 -3

10 -1

10-5

10-3

10-1

101

103

105

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

I d and

I ph (m

A/c

m2 )

EL Intensity [arb. unit]

B ias [V]

20mW /cm 2, 430 nm

Iph

Id

but: low charge carrier generation efficiencies !!

ICSM2000, July 15-21 2000

A Member of DuPont iTechnologies

Photoinduced charge transfer at a D/A interfaceN.S. Sariciftci et. Al., Science 258, 1474 (1992); N.S. Sariciftci and A.J. Heeger, Intern. J. Mod. Phys. B 8, 237 (1994).

OCH3

O

[5,6]-PCBM

O

OCH3

[6,6]-PCBM

C60

OR 2

OR 2

OR2

OR 1

OR 1

OR 1

R1 =CH 2 CH(C 2H 5 )C4 H9R

2=CH

3

h+

e-

MEH-PPV:C 60 blends Light

VII.3: Exciton dissociation at internal interfaces

Tang-Zelle

Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986)

Die Tang-Zelle: Dissoziation an einer Grenzfläche

Organische Heterostrukturen

From bilayers to bulk heterostructures

Strongly bound exciton in conjugatedpolymers:

→ low quantum yield for dissociation

→ dissociate exciton at internalinterfaces

The beauty of the polymer approach:

The way out: use composite systems

C60

Polymer

Substrate

Al

ITO

hν

R

R

R'

R' nx

x

C60 as electron acceptor in polymer devices

ICSM2000, July 15-21 2000

A Member of DuPont iTechnologies

Bulk Heterojunction Materials: Self-assembled Donor/Acceptor Networks

Interpenetrating continuous network: Bulk D/A junction materials

Typical grain size: 5-10 nm

ICSM2000, July 15-21 2000

A Member of DuPont iTechnologies

Improving carrier collection efficiency in PVCsG. Yu et al. Science 270, 1789 (1995); APL 64, 3422 (1994), JAP 78, 4510 (1995)

10-2

10-1

100

101

102

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1

ηc (%

el/p

h)

Light Intensity (W/cm 2)

(a)

10-2

10-1

100

101

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1

ηe (%

)Light Intensity (W/cm 2)

(b)

MEHPPVMEHPPV

MEHPPV:C60 blendsMEHPPV:C60 blends

VII.4: Optoelectronic properties of bulk heterojunction diodes

VII.4.1: Open circuit voltages

VII.4.2: Carrier mobilities in composite materials

VII.5.: Current status of organic photovoltaics

ICSM2000, July 15-21 2000

A Member of DuPont iTechnologies

Polymer PV cells: Future development

• Lowing Eg while retaining Voc

• Improving mobility in D, A materials• Blend processing and novel device structures• Improving F.F.• Optical engineering (e.g., concentrators)

• Target performance: comparable to a-Si PV cells

Zusammenfassung: Die Probleme der Polymersolarzellen

Problem 1: Ladungstrennung

-Ladungstrennung geht nur an Grenzflächen von zwei verschiedenen Materialien

- aufgrund geringer Diffusionslängen reichen „normale“ Heterostrukturen nicht aus → interpenetrierende Netzwerke

Problem 2: Ladungstransport- relativ hohe Bahnwiderstände aufgrund der geringen Beweglichkeiten →dünne Zellen bauen (dünnen Zellen heisst aber auch wenig Absorption)

Problem 3: Bandlücke- die halbleiterelektronisch guten und gut verstandenen organischen Halbleiter habe alle zu große BandlückenProblem 4: Stabilität

-Photostabilität organischer Materialien

Die Farbstoffsolarzelle (Grätzel-Zelle, Dye-sensitized solar cell)

Aufbau:-nanoskalige Partikel ergeben porösen Kontakt-adsorbierte Farbstoffmonolage sorgt für Absorption (ca. 1000-fach erhöht durch grosse Oberfläche)-Kontaktierung durch Elektrolyten (I-/I3-)

„Photoelektrochemische Solarzelle“

Reaktionen:

3-3

3

* (optische Anregung)* (Elektronentransfer, Oxidation des Farbstoffes)

2 3 2 (Reduktion des Farbstoffions)

Diffusion von I zur Gegenelektrode

2 3 (Reduktion von Triiodid

CB

S SS S eS I S I

I e I

ω+ −

+ − −

− − −

+ →

→ +

+ → +

+ → zu Iodid)

Grätzel‘s-cell

A world record I-V-characteristic

Nature 2003

Zusammenfassung: Die Probleme der Grätzelzelle

- Wirkungsgrade für größere Fläche (Module) nur 5 %

- Hermetische Versiegelung für flüssigen Elektrolyten erforderlich

- Festkörperalternativen zeigen geringere Wirkungsgrade

- Langzeitstabilität fraglich

- Kosten hängen momentan mehr von der Produktion als vom Material ab, daher keine unmittelbaren Kostenvorteile offensichtlich

-mechanische Flexibilität und Transparenz kann auch von anderen Technologien erfüllt werden