Transcript Organische_Solarzellen_

Bearbeitet von
Dorothee Dick
Hoher Bedarf an preiswerteren Solarzellen
low-cost Technologie
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Großflächig kostengünstige
Fertigungsprozesse
Hohe Flexibilität (flexible Solarzellen)
Massereduzierung durch geringere Dicke und
Dichte der Schichten
Zuschneiden je nach benötigter Größe
(Plastiksolarzelle)
Hohe Umweltverträglichkeit
3 Alternativen!
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PhotosensibilisierungsSolarzellen
Idee aus der Natur:
Energiegewinnung durch
Photosynthese
Idee von anorganischen
Halbleitern
(Si-Solarzelle)
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Feststoff-Solarzellen
Organische Farbstoffe:
Auf
lösungsmittelprozessierbaren
Polymeren
Auf aufdampfbaren „kleinen
Molekülen“ bzw. Oligomeren
Funktionsweise: (ähnlich Si-Hl)
Hauptunterschied:
org. Schichten meist amorph  WW gering
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Delokalisiertes, konjugiertes
Pi-Elektronensystem (sp2Hybridisierung der
Kohlenstoffatome
Anregung bei
Photoneneinfall, wegen
schwacher pi-Bindung
Keine direkte Bildung freier
Ladungsträgerpaare
(Polarisation gering)
Bildung neutraler
Anregungszustände (FrenkelExzitonen)
p-n-Dotierung möglich
Niedriger Schmelzpunkt, eine hohe Zerbrechlichkeit,
aber auch Flexibilität
Bänder eher schmal
 Absorptionsspektrum molekülabhängig, sehr groß
 Geringe Dichte und Beweglichkeit der Ladungsträger
Hopping-Transport
Spannungserzeugung  nur geringe Schichtdicke
möglich
 (Beweglichkeit abhängig von Temperatur,
el.Feldstärke, Ladungsträgerdichte)
 Bildung von Frenkel-Exzitonen (mit hoher
Bindungsenergie)
 Trennung z.B. durch photoaktiven Donator-AkzeptorHeteroübergang
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Energieniveaus freier Ldgsträger ~ Bandkante
E- Leitungsniveau = LUMO (lowest unoccupied
molecular orbital) ~leitungsbandkante
Transportniveau für Löcher = HOMO (highest
occupied molecular orbital) ~ valenzband
1.
2.
3.
4.
Photoneneinstrahlung:
lokalisierte Anregung eines
Moleküls = Exziton
Exzitonendiffusion (~10nm
möglich sonst relaxiert es)
Dissoziation
Heteroübergang zur
Trennung benötigt
(Ladungstransfer
begünstigendes
Nachbarmolekül)
Ldgsträgertransport/extraktion (HoppingTransport)
Idee: Problem mit der Diffusionslänge
vermeiden durch Mischschichten
Unabhängig von Lichteinfall
immer ein Heteroübergang in
Reichweite
Dicke der Substanz kann
(unabhängig von Diffusionslänge)
für Absorption ideal gewählt
werden
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: Bulk-heterojunction-Konzept (Donator/
Akzeptor-Netzwerk ):
Effiziente Methode zur Erzeugung freier
Ladungsträger:
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Ultraschneller photoinduzierter
Elektronentransfer (<50fs)
 viel schneller als Rekombi oder
photoangeregte Zerfallsprozesse 
Quantenausbeute fast 1
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Zweite Elektrode – Reflektiert
 Interferenz nutzbar
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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
LÖSUNGSMITTELPROZESSIERBAREN
POLYMEREN
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Bei den Polymer-Solarzellen hat
sich das Donator-AkzeptorMischsystem 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 Farbigkeit
Hohe Absorption im sichtbaren
Spektrum
Lichteindringtiefe unter 50nm
SPIN-COATING
 Für polymere Solarzellen
 Tropfen einer Lösung auf
ein rotierendes Substrat
 Gleichmäßig verteilte
Schicht
 Ca. 30cm Durchmesser
DRUCKVERFAHREN
Kontinuierliche
Massenproduktion:
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Rolle-zu-RolleDruckverfahren
Tintenstrahldruck
Siebdruck
P-I-N-SOLARZELLE
DÜNNSCHICHTSOLARZELLEN
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Zellen auf einfache Plastikoder Metallfolie aufbringen
thermisches Verdampfen im
Hochvakuum
Einfach da keine exakten
Anforderungen an die
Stöchiometrie der Schichten
Produktion bereits für OLEDDisplays oder Leuchtdioden
Gezielte und effiziente p-ndotierung durch kontrollierte
Mischverdampfung möglich
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wide-gap Transportschichten
(große Bandlücke) 
Schichtdicke optimierbar
Absorption hoch, Rekombination
gering  hohe Quantenausbeute
Zwischenschicht:
Schutz vor
Beschädigungen,
Interferenzausnutzung
Wirkungsgrad nur bei etwa 3%
 mehrere seriell-geschaltete Solarzellen
schichten
TANDEM-SOLARZELLE:
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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 Barriere
für den
Elektronentransport
Externe Quanteneffizienz einer
organischen Solarzelle mit einer
photoaktiven Schicht
aus C60 und ZnPc (Mischschicht, 50
nm)(durchgezogene Linie). Im Vergleich
die Absorptionskoeffizienten
von C60 (gepunktet) und ZnPc
(gestrichelt).
Die Idee der Pflanzen: Photosynthese
Elektronenakzeptor: Anorganische Nanopartikel (meist
Titandioxid)
Photosensibilisator (z.B. Chlorophyll, Phthalocyanin )
Organische Farbstoffmoleküle an der Oberfläche der
Nanopartikel verankert
Elektrolyt (verhindert Rekombination, liefert neue e-)
1. Michael Grätzel 1991 : Grätzel Zelle
Vorteil: Auch bei geringer
Lichteinstrahlung sehr effektiv
Wirkungsgrad:
momentan
mit flüssigem Elektrolyt
(Redox-paar Iodid/Iod )
 11%
Fester Elektrolyt
(Ldgsträgerbew.
eingeschränkt) nur 5%
(Stand2010)
Neu:
Elektrolyt verfestigen,
neuer Farbstoff
5 Jahre haltbar
Wirkungsgrad: 9,1 %
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Durchsichtige Module können an
Fensterflächen angebracht werden
Farbige Module auch optisches
Highlight
Chemisches Maßschneidern
(an Sonnenspektrum)
Hohe Lichtempfindlichkeit
(Wirkungsgrad bei
photosensibilisierten Zellen
nimmt bei schlechter
Einstrahlung kaum ab)
Praktisch für:
Ladegeräte (für Laptop, Handy,…)
Einarbeitung in Textilien,
Verwendung als Fenster,
Farbige Verschönerung verschiedener
Gebäude…
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Dringender Forschungsbedarf : Lebensdauer
(momentan maximal ca. 5 Jahre)
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Empfindlichkeit der organischen Solarzellen gegen
V-Licht
Wasser
Sauerstoff
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geeigneten Verkapselung ist zu finden!
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Forschung an besseren
Absorbersubstanzen
Wirkungsgrade
momentan:
3% pin 
12% Tandem im Labor
(8% real)
OVP 7%
11% 3.Generation
Photosenibilisatorzelle
(25Jahre haltbar)
Forscher halten Wirkungsgrade von 20%
durchaus für möglich. (geplant für 2020)
Photovoltaik in Gebäuden, Textilien, Autos,
Flugzeugen:
Toyota und Hyundai
beispielsweise möchten bereits
2010 erste Fahrzeuge mit
Solardächern auf den Markt
bringen, die die Lithium-IonenBatterien der Plug-In-Hybridautos
unterstützen.
Die Integration von
hauchdünnen, organischen
Solarzellen in Gebäudeteilen
(BIPV) – beispielsweise in GlasFassaden 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-Modul
Für 89,95 €
Technische Daten
Leistung 1,3 Wp
Nennspannung
7,9 V
Nennstrom
164 mA
Leerlauf-Spannung 11,3 V
Kurzschluss-Strom 202 mA
Leistungsgarantie 2 Jahre
Abm.
(B x H x T) 340 x 273 x 0,5 mm
leichtes, dünnschichtiges Photovoltaikmaterial
aus lichtreaktiven Materialien, die aus
leitenden Polymeren sowie aus organischen
Nano-Materialien gefertigt werden
Vielen Dank für ihre
Aufmerksamkeit