Seniorenakademie SoSe 2011 - · 3 Zellaufbau und Funktion 4 Anlaufverhalten von Farbstoffzellen 5 Fertigungsablauf 6 Zusammenfassung 7 Literatur 8 Offerte ... Struktur einer Farbstoffzelle

Photovoltaikzellen auf Basis natürlicher FarbstoffeB. K. Glück, S. Hänsel, A. Kaiser, H. Scharschuh; HS Lausitz(FH)

1 Einführung: Historie – Anwendungen - Zielstellung2 Photovoltaischer Effekt an Farbstoffen3 Zellaufbau und Funktion4 Anlaufverhalten von Farbstoffzellen5 Fertigungsablauf6 Zusammenfassung7 Literatur8 Offerte

Seniorenakademie SoSe 2011

Seniorenakademie 30.03.2011 B. K. Glück, S. Hänsel, A. Kaiser, H. Scharschuh 2

Photovoltaikzellen auf Basis natürlicher Farbstoffe

1 Einführung - MotivationOxidation

Reduktion

Redoxvorgang

u.a. Reaktionen

Generation, Transport von Ladungen n·e-,

Aktivierung von energetischen Zuständen

Strom aus der Pflanze?

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1 Einführung - Historie1961: M. Calvin: Beschreibung der Photosynthese (Calvin-Prozess; Nobelpreis)

1991: O'Regan & M. Grätzel, Lausanne erste Publikation zur Funktion einer Farbstoffzelle (dye solar cell – DSC) [1]

2000: Im Labor wird eine Effizienz von >10 % erreicht [2]

2006: Umfassende nationale und internationale Arbeiten und Übersichten [3]

2005: Strategische industrielle Produktion von Sony (J), Korea, NL, China, Dyesol (AUS) u.a. [3]

2007: Farbstoffe als Gestaltungselemente [4]

2008: Group, University of Tokyo conversion efficiency up to 10.3% für Laptop-Batterie

Forschung in D: Uni Freiburg, FHTW Berlin, TU Berlin, FhG-ISE, FPL und IPE Stuttgart,

Uni Siegen, Schott Solar u. a. / Fördervorhaben des BMBF vom 06.06.2007

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1 Einführung - AnwendungenAbb. 1: Transparentes Bild als Farbstoffzelle [Sony, 4, 5 ]

Abb. 2 (links): Farbstoffzelle des FhG-ISE, 30 cm x 30 cm [http://www.ise.fraunhofer.de, 10.04.2009, 3]

Abb. 3 (rechts): Farbstoffzelle des KIST (Korea) [http://www.koreaittimes.com/story/kist-dye-sensitized-solar-cell-technologies]


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1 Einführung - Besonderheiten von Farbstoffzellen

+ Transparente und vielfarbige Zellmodule / PV-Fenster

+ hohe Ausbeute [2, 3] bei geringer Beleuchtung / Lichteintrag

+ gute Rohstoffbasis Anwendung natürlicher Farbstoffe

- Langzeitstabilität

- Temperaturstabilität

Zielstellungen HS Lausitz (seit 1996: Präparation PV-Zellen auf Basis 3“-, 4“-c-Si):

• Naturstoffchemie – Schwerpunkt seit 2008

• Ansätze zum Modellverständnis (Bändermodell, Anlaufverhalten)

• Untersuchung des Anlaufverhaltens Farbstoffzellen bei geringen

Beleuchtungsstärken (1000 lx), Modellbildung zum U(t)-Verhalten


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2 Photovoltaischer Effekt bei Farbstoffen - Reaktionsgleichungen

Anregung des Farbstoffes (FS): FS + hν FS* (1)

Elektroneninjektion: FS* + TiO2 FS+ + e- (TiO2) (2)

Ladungstransport im Elektrolyten: I3- + 2e- 3I- (3)

Farbstoffregenerierung:2FS+ + 3I- 2 FS + I3- (4)

W

LUMO

HOMO

XAbb. 4: Energieband-Diagramm zur Darstellung der Elektronenanregung in Farbstoffen /Polymeren; LUMO = Lowest Unoccupied Molecular Orbital; HOMO = Highest OccupiedMolecular Orbital



7

3 Zellaufbau und Funktion

GLASTRÄGERTCO-SCHICHT

KATALYSATOR

ELEKTROLYT

FARBSTOFFHALBLEITER [7]TCO-SCHICHTGLASTRÄGER

- -

Abb. 5: Struktur einer Farbstoffzelle [6]



E = h·ν

8

3 Zellaufbau und Funktion – erweitertes Bandschema

Abb. 6: Potentialverlauf in einer Farbstoffzelle [6]



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3 Zellaufbau und Funktion - Farbstoffe

Methylenblau

Chlorophyll

Rhodamin B

a) Natürliche Farbstoffe (Anthocyane, Chlorophyll)

b) Synthetische Farbstoffe als Referenz (Rhodamin, Methylenblau)

Abb. 7: Strukturen verschiedener für PV. Anwendungen geeigneter Farbstoffe [6]



Licht sensitive Orbitalkomplexe

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Extrakte Enthaltene Anthocyane ßÄqui [mg/l]

Rubus fruticosus (Brombeere) Cy3glc 136,6 ± 4,7

Brassica oleracea capitata(Rotkohl)

Cy3glc 30,5 ± 2,7

Hibiscus syriacus (Eibisch) Cy3glc, Del3sam 87,9 ± 3,1

Vaccinium myrtillus(Heidelbeere)

Cy3glc,Cy3rut, Cy3sam 45,4 ± 2,3

Rubis idaeus (Himbeere) Pet3gal, Cy3glc,Cy3ara, Cy3gal,Del3ara, Mal3ara

79,6 ± 3,2

Spinacea oleracea (Spinat) Chlorophyll 144 mg/l

Synthetische Referenzen: Rhodamin B: 7,12 g/l und Methylenblau: 9,20 g/l

3 Zellaufbau und Funktion - Farbstoffe



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4 Anlaufverhalten bei geringer Beleuchtung – Farbstoffaktivität / Effizienz

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50t [s]

U [m

V]

F1 HibiscusF2 BrombeereF3 RotkohlF4 HeidelbeereF5 HimbeereF6 Chlorophyll

Ev = 1000 lx

Abb. 8: U(t)-Verlauf mit verschiedenen Farbstoffen



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4 Anlaufverhalten bei geringer Beleuchtung – Einfluss der Gegenelektrode

0102030405060708090

100110120130

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

t [s]

U [m

V]

K1 unbeschichtet

K2 Graphit manuell

K3 Graphit gesputtert

K4 Platin gesputtert

Ev = 1000 lx

Abb. 9: U(t)-Verlauf mit Variation der Deckelektroden



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4 Anlaufverhalten bei geringer Beleuchtung – ModellbildungAnsatz: „pT1“-Verhalten

)1()( maxτt

eUtU −−⋅=

Hibiscus syriacus

Ev = 1000 lx

Abb. 10: U(t)-Verlauf der Farbstoffzelle und pT1-Modell



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5 Fertigungsablauf1: Herstellung der Farbstofflösung

2: Farbstoff auf Photoelektrode (A) aufbringen

3: Säubern der Gegenelektrode (K)

4: Elektrisch leitfähige Seite der Gegenelektrode (K) ermitteln

5: Katalysator auf elektrisch leitfähige Seite (K) auftragen

6: Trocknung der Photoelektrode (A) im Exsikkator

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7: Präparation des Elektrolyten

8: Zusammenfügen / Fixierung der Zelle

9: Einspritzen des Elektrolyten

10: Aufbau des Messplatzes, Kontaktierung

11: Bestimmung von I, U und R bei 100.000 lx

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12: Bestimmung von U und I bei unterschiedlicher Beleuchtungsstärke

13: Graphische Darstellung der U/I-E-Abhängigkeit

14: Berechnung der maximal erreichbaren elektrischen Leistung Pel der Farbstoffsolarzelle

15: Berechnung des Wirkungsgrades

16: Auswertung

Kommerzielle Fertigungsanlagen und Werkstoffe am Markt etabliert [8]

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6 Zusammenfassung

1. Bereits bei einer Beleuchtung von 1000 lx (ca. 1/100 des Energieeintrages des Normäquivalents von 1,1 kW/m2) kann eine stabil arbeitende Farbstoffzelle nachgewiesen werden

2. Mit FS-Zellen kommen als regenerative Energiequellen in Frage

3. Natürliche Farbstoffe liefern ungemischt höhere Zellspannungen (Erträge) als Farbstoffgemische

4. Das Bandmodell wurde geschlossen als Potentialverlauf φ(x) der Ladungen dargestellt

5. Das Startverhalten U(t)-Kennlinie ist durch das Modell eines Einschwingvorgangs mittels e-Funktion erklärbar (pT1-Modell)



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7 Literatur[1] B. O'Regan, M. Gratzel: „A Low-Cost, High-Efficiency Solar-Cell Based On Dye-Sensitized Colloidal TiO2 Films“, Nature, 1991 353(6346): 737-740.

[2] M. Grätzel: „Perspectives for dye-sensitized nanocrystalline solar cells“, Progress in Photovoltaics, 2000, 8(1): 171-185.

[3] R. Sastrawan: “Photovoltaic modules of dye solar cells“, Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. B. 2006

[4] US Patent 7312507 - Sensitizing dye solar cell, 25.12.2007 (Sony Corp.)

[5] Japan Chemical Society 89th annual spring” (March 2009 27 ~ 30) on release bzw. http://www.new-laptop-battery.com/newblog/2009/04/tung-sing-type-dye-sensitized-solar-cell-conversion-efficiency-of-103/

[6] H. Scharschuh: „Organische Photovoltaikzellen unter Verwendung natürlicher Farbstoffe“, B. Eng. Thesis, FHL FB BCV, Senftenberg, 18. 3.2009[7] A. Nattestad, M. Ferguson, R. Kerr, Yi-Bing Cheng and U. Bach: „Dye-sensitized nickel(II)oxidephotocathodes for tandem solar cell applications“, 2008 Nanotechnology 19 295304 doi: 10.1088/0957-4484/19/29/295304 .[8] Fa. Dyesol, Hmepage: http://www.dyesol.com



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8 Workshop – Offerte

Fertigung von 10 verschiedenen Farbstoff-PV-Zellen im Labor

Kapazität: max. 10 Teilnehmer (ggf. per Los)

Termin: 28.04. (Do.) [alternativ: 06.06. (Mo.)] ca. 15.30 Uhr ff.

eventuell vormittags? Essen in der Mensa Auswertung nachmittags

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