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ORGANISCHESOLARZELLEN
Bearbeitet von Dorothee Dick
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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Herstellungsverfahren
SPIN-COATING Für polymere Solarzellen Tropfen einer Lösung auf
ein rotierendes Substrat Gleichmäßig verteilte
Schicht Ca. 30cm Durchmesser
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DRUCKVERFAHREN
Kontinuierliche Massenproduktion:
Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren
Tintenstrahldruck Siebdruck
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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
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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).
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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
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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…
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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)
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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
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