Vorläufige Terminplanung Vorlesung „Solarenergie“ WS 2005/2006 Stand: 10.11.2005 Termin Thema Dozent Di. 25.10. Wirtschaftliche

Aspekte/Energiequelle Sonne Lemmer/Heering

Fr. 04.11. - verschoben wg. Krankheit Di. 01.11. Allerheiligen - Di. 08.11. Symposium Automobile

Displaytechnik -

Fr. 11.11. Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer Di. 15.11. Kristalline pn-Solarzellen Heering Fr. 18.11. Elektrische Eigenschaften Heering Di. 22.11. Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Fr. 25.11. Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Di. 29.11. Anorganische

Dünnschichtsolarzellen Lemmer

Di. 6.12. Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Fr. 9.12. Third generation Photovoltaics Lemmer Di. 13.12. Photovoltaische Systeme I Heering Fr. 16.12. Photovoltaische Systeme II Heering Di. 20.12. Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien Di. 10.01. Passive Sonnenenergienutzung Heering Di. 17.01. Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Fr. 20.01. Energiespeiche/Solarchemie Heering Di. 24.01. Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering Di. 31.01. Energieszenarien Lemmer Anfang Februar Exkursion Heering/Lemmer

Organische Dünnschichtsolarzellen

...Plastiksolarzellen...

Dr. Christoph Brabecehemals Siemens AG, Corporate Technology

mittlerweile bei Konarka (www.konarka.com)

Dr. Hoffmann, RWE Schott Solar(www.rweschottsolar.com)

Dr. Gang Yuehemals Uniax jetzt Dupont Displays

(www.olight.com)

Ein Teil der Abbildungen stammt von

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

Elektronische Zustände in organischen Halbleitern

→ delokalisierte Elektronensind für Halbleitereigenschaften

erforderlich, hier am Beispiel von Benzol

sp2-Hybrid-Orbitale

(sorgen für das molekulare Gerüst)

Es bleibt jeweils ein einfachbesetztes pz-Orbital übrig. Diese koppeln miteinander und bilden π-Orbitale, die sich dann

über das ganze Molekül

erstrecken.

Was ist ein π-Elektron ???

Elektronische Struktur von organischen Halbleitern:Der einfachste Ansatz für die π-Elektronen: Ein Teilchen im Kasten

Das Teilchen-im-Kasten-Modell

Idee: Die Details der molekularen Struktur spielen keine Rolle. Das Molekül wird angesehen als ein Kasten mit einer bestimmten Länge. Die Anzahl der Elektronen, die in den Kasten hineinkommen wird durch die Anzahl der C-Atome gegeben.

Optische Übergänge im Kastenmodell

1. Quantenmechanische Berechnung der Energieniveaus im Kasten

2. In jeden Zustand können gemäß dem Pauli-Prinzip zwei Elektronen gepackt werden.

3. Das höchste besetzte Orbital ergibt dann die valenzbandähnlichen Zustände (Highest occupied molecular orbital, HOMO)

4. Das niedrigste unbesetzte Orbital ergibt die leitungsbandähnlichen Zustände. (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)

5. Optischer Übergang bedeutet dann: Ein Elektron wird vom HOMO ins LUMO überführt. Der Abstand der beiden Orbital bestimmt dann das Absorptionsspektrum.

Die optischen Übergangsenergien ergeben sich dann wie folgt:

Elektronischer Transport in organischen Halbleitern

Elektronischer Transport in den Materialien kann nun dadurch erfolgen, dass ein Elektron von einem lokalisierten Zustand zu einem benachbarten „hüpft“ (aus einem Kasten in den nächsten springt).

Alq3

Herstellung organischer Halbleiterschichten

Covion PPV co-polymers

Polyfluorene (Dow)

Konjugierte Polymere

Covion PPV co-polymers

Polyfluorene (Dow)

Es werden zwei Klassen von Materialien unterschieden, die ganz ähnliche elektronische Eigenschschaften haben, aber durch komplett unterschiedliche Methoden hergestellt werden.

Die Herstellung erfolgt aus der Flüssigphase.

Aufschleudern(spin coating)

Rakelverfahren(doctor blade)

Tintenstrahldrucken(ink jet printing)

Eintauchverfahren(dipping)

Aufgedampfte organische Halbleiterschichten

Alq3Alq3Alq3

Alq3

HTLHTL

ETLETL

„Chemical Bandgap Engineering“

- Bandlücke kann durch Synthese bestimmt werden→ ideale Anpassung an Sonnenspektrum 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

Unterschiede zwischen anorganischen und organischen Solarzellen

1.

-Absorption führt nicht direkt zur Anregung von freien Ladungsträgern-es werden neutrale höhere Zustände Moleküls angeregt (und keine freienLadungsträger)- es sind (noch) keine stabilen pn-Übergänge möglich

- p(i)n-Übergänge werden ausgenutzt- durch Photoanregung werden sofort freie Ladungsträger angeregt- Exzitoneneffekte spielen (fast) keine Rolle

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

aber: sehr geringe Quantenausbeuten !!

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

OR 2

OR 1

OR 1

OR 1

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

2=CH

3

h+

e-

MEH-P P V:C 60 ble nds Light

Exzitonendissoziation an internen Grenzflächen

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

R

R

R'

R' nx

x

C60

Polymer

Substrate

Al

ITO

hν

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

Optoelectronic properties of bulk heterojunction diodes

Open circuit voltages

Carrier mobilities in composite materials

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 e

S 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