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Organische Solarzellen - Teil 2

Experimentalphysik Hauptseminar der Universität Stuttgart WS 2011/12. Organische Solarzellen - Teil 2. von Andreas Dietz. Quelle: http://www.heliatek.com/. Gliederung. Materialien Herstellungsverfahren Effizienz unterschiedlicher Zelltypen Effizienzlimitierende Faktoren

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Organische Solarzellen - Teil 2

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Presentation Transcript

  1. Experimentalphysik Hauptseminar der Universität Stuttgart WS 2011/12 Organische Solarzellen - Teil 2 von Andreas Dietz Quelle: http://www.heliatek.com/

  2. Gliederung • Materialien • Herstellungsverfahren • Effizienz unterschiedlicher Zelltypen • Effizienzlimitierende Faktoren • Physikalische Optimierungsansätze

  3. Materialien Quelle: Prof. Dr. Gerhard Gobsch, TU Ilmenau, Erfurt (2006)

  4. Materialien • Löslichkeit • Verfügbarkeit • keine Hochtemperaturprozesse • keine Vakuumprozesse • Recyclebar • höhere Absorptionskoeffizienten • geringere Absorptionsbandbreite

  5. Materialien Graphen Quelle: http://www.zmescience.com/research/graphene-microchip-10102011/

  6. Materialien leitfähig Polythiophen PEDOT Poly(3,4-ethylendioxythiophen)

  7. Materialien P3HT Poly-3-hexylthiophen Bandlücke: 1,85eV Absorbtiosband: ca. 300nm Quelle: http://geoffhutchison.net/gallery/molecules/polymers/P3HT.png.html

  8. Materialien P3HT Poly-3-hexylthiophen Elektronendonator PCBMphenyl-C61-butyric acid methyl esterElektronenakzeptor Quelle: Yanmin Wanga, WeiWei, XinLiu, YijieGu; Research progress on polymer heterojunction solar cells, Shandong, China, 2011

  9. Materialien 25ml P3HT:PCBM-lösung und 25ml PEDOT-lösung ca. 1.100 $ Quelle: http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/organic-electronics/plexcore-pv-ink-system.html

  10. Materialien Donor-Materialien PCPDTBT poly[2,6-(4,4-bis- (2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b’] -dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)] PF10TB poly(9,9-didecanefluorene-alt-(bis-thienylene) benzothiadiazole) PCDTBT poly[N-9”-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4’,7’-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole) Quelle: J. PEET et al, Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols, Santa Barbara USA (2007)

  11. Herstellungsverfahren Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

  12. Herstellungsverfahren I Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=J0_dpx5kPiw

  13. Herstellungsverfahren I • kleine Flächen • hoher Materialverlust • empirisches Herstellungsverfahren • Multilayersysteme problematisch spin coating

  14. Herstellungsverfahren I • gute Dickenhomogenität • geringe Rauhigkeit • stufenlose Schichtdicken über mehrere Größenordnungen ca. 10nm – 1µm spin coating

  15. Herstellungsverfahren II doctor blading - Schichtdicken >µm

  16. Herstellungsverfahren III roll to roll coating - Schichtdicken <µm Quelle: http://advanced-machinery.com/new_machinery/view_category/id/182

  17. Herstellungsverfahren Schichtdicken OSZ: ~100nm Schichtdicken ASZ: ~100µm

  18. Herstellungsverfahren Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

  19. Herstellungsverfahren Beeinflussung der Nanomorphologie • Lösungsmittel • Mischungsverhältnis (Polymer/Fulleren) • Lösungskonzentration • Chemische Struktur • (Nachbearbeitung z.B. Tempern) → self assembly layer

  20. Herstellungsverfahren Lösungsmittel Quelle: J. PEET et al, Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols, Santa Barbara USA (2007)

  21. Herstellungsverfahren Mischverhältnis keine IR Absorption Quelle: Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009)

  22. Herstellungsverfahren Tempern Quelle: Prof. Dr. Gerhard Gobsch, TU Ilmenau, Erfurt (2006)

  23. Herstellungsverfahren Kosten/Energiebilanz Herstellungsenergie nach ca. 2,5 Jahren geernetet. ca. 2 - 4 Monate bei OSZ Kosten Si-Zellen Quelle: http://www.solarserver.de/solarmagazin/artikelmaerz2006.html

  24. Effizienz unterschiedlicher Zelltypen Polaronpaar-Diffusionslänge: ~5nm Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

  25. Effizienz unterschiedlicher Zelltypen I1=I2 EBL1 > EBL2 Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

  26. Effizienz unterschiedlicher Zelltypen Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

  27. Effizienz unterschiedlicher Zelltypen GaAs (thin film) InGaP/GaAs/InGaAs OS Einzelzelle OS Tandemzelle OSZ Quelle: M. A. Green et al, Solar cell efficiency tables (version 39), (2011); http://www.heliatek.com/?p=1346

  28. Effizienzlimitierende Faktoren Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

  29. Effizienzlimitierende Faktoren 1,3 kW/m² davon ca. 50% Licht Quelle: http://www.iundm.de/lars/2_Grundlagen.htm

  30. Effizienzlimitierende Faktoren Wichtige Parameter: Perkolation, Traps, Längenskala Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

  31. Effizienzlimitierende Faktoren Quelle: Zhibing Wang et al, Technology ready use of single layer graphene as a transparent electrode for hybrid photovoltaic devices, Pennsylvania USA

  32. Effizienzlimitierende Faktoren • Leitfähigkeit • Absorptionskoeffizient • Dielektrizität • Bandlücke • Degradation (durch UV, H2O, O2,…) • unskalierbare Herstellungsverfahren • Nanomorphologie

  33. Physikalische Optimierungsansätze • Neue Materialien • Beeinflussung der Nanomorphologie • Tandemzellen/Multilayer • Optimierung der optischen Eigenschaften

  34. Physikalische Optimierungsansätze Quelle: Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009)

  35. Physikalische Optimierungsansätze Quelle: Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009)

  36. Zusammenfassung • Forschung hat wirtschaftliche η=10% Marke erreicht • Neue Materialien erforderlich • Massenfertigungstechniken ausbauen

  37. Literatur • Yanmin Wanga et al, Research progress on polymer heterojunction solar cells, Shandong China (2011) • Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg (2010) • J. PEET et al, Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols, Santa Barbara USA (2007) • Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009) • M. A. Green et al, Solar cell efficiency tables (version 39), (2011) • Zhibing Wang et al, Technology ready use of single layer graphene as a transparent electrode for hybrid photovoltaic devices, Pennsylvania USA • M. Limpinsel et al, Investigation of the Photocurrent in Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg (2010) • X. Blase et al, First-principles GW calculations for fullerenes, porphyrins, phtalocyanine, and other molecules of interest for organic photovoltaic applications, Grenoble Frankreich (2010) • William Shockley, Hans J. Queisser, Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells, Palo Alto California (1960) • P. Vanlaeke et al, P3HT/PCBM bulk heterojunction solar cells: Relation between morphology and electro-optical characteristics, Leuven Belgien (2006) • Versuchsanleitung Fachpraktikum: Mikroelektronik und Sensorik - Spin Coating von Polymerschichten, TU Ilmenau • Prof. Dr. Gerhard Gobsch, TU Ilmenau • http://www.sigmaaldrich.com • http://www.heliatek.com • http://www.solarserver.de/solarmagazin/artikelmaerz2006.html • http://www.youtube.com/watch?v=J0_dpx5kPiw • http://gehrcke.de/files/stud/gehrcke_lichtner_LMprak_organische_solarzellen.pdf

  38. Zeit für Fragen

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