Farbstoffsensibilisierte Solarzellen

1. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen Vorgetragen von: Markus Thiemann 13.03.12

2. Übersicht • Wie funktioniert die Farbstoffsensibilisierte Solarzelle? • Was sind die Materialanforderungen? • Warum Farbstoffsensibilisierte Solarzellen? • Wo steht die Zelle im Vergleich zur Si-Solarzelle?

3. Motivation • 1991 berichtet M. Grätzel über Farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC=Dyesensitizedsolar cell) • 2010 erhielt M. GrätzelMillenium Preis für DSSC • kostengünstigere Alternative zur Si-Solarzelle • Absorbtionsbereich leicht anpassbar Quelle: http://earth2tech.files.wordpress.com/2008/06/dssc.jpg?w=343&h=227

4. Aufbau der DSSC Elektrode hν h≈20-40μm Elektrolyt d≈10μm Halbleiter mit Farbstoff Glaselektrode

5. Funktionsweise Ablauf Farbstoff D wird durch sichtbares Licht in Zustand D* gehoben e- wird in Leitungsband von TiO2 injiziert D+ wird durch Elektrolyt R/R- reduziert Elektrolyt diffundiert zur Pt-Elektrode und wird reduziert Leerlaufspannung Voc bestimmt durch Efnund RedoxpotentialR/R- D*/D+ LUMO 2. EFn Voc 1. 4. R/R- 3. HOMO D/D+ Halbleiter Elektrode e- p+

6. Verlustmechanismen Ladungsrekombinationen Zerfall des Angeregten Farbstoffs D* vor Ladungsinjektion Rekombination mit D+ Ladungsrekombination mit Elektrolyt (Dunkelstrom) Potentialverluste sorgen für kleineres Voc. D*/D+ EFn 3. 1. 2. R/R- D/D+ Halbleiter Elektrode

7. Zeitskalen • Ladungsinjektionszeit τi≈10-12s • Farbstoffzerfallszeit τz≈50ns • Farbstoffreduktion τR≈10ns • Farbstoffrekombination τrekom≈10-6-10-3s τi D*/D+ EFn τz τrekom R/R- τR D/D+ Halbleiter Elektrode

8. Halbleiter/Elektrolytkontakt Solvathülle Rox Rox e- Rox Ec Rox/Rred Ec Efn Efn Rred Rred Ev Rred Fluktuationen in Solvathülle Ev Halbleiter Elektrolyt Rox Ec Rox Halbleiter Elektrolyt Efn Ev Rred Rred Halbleiter Elektrolyt

9. Halbleiter Anforderungen • Efnsollte deutlich über Redoxpotential des Elektrolyten liegen • Hohe Elektronenmobilität • Transparent im sichtbaren Spektralbereich (hohe Bandlücke) Quelle:M.Grätzel, Photochemistry Reviews 4 (2003) 145–153 • Verwendete Halbleiter • gesintertes TiO2, ZnO, SnO2 • => deutliche Vergrößerung der Oberfläche

10. Halbleiter • Elektron wandert von Partikel zu Partikel • Hüpfwahrscheinlichkeit abhängig vom Abstand der Partikel • Elektron nimmt nicht direkten Weg durch den Halbleiter (τ≈10ms) => geringe effektive Elektronenmobilität=> nur begrenzte Schichtdicken möglich Elektronentransport durch poröse Medien

11. Optimierungsansatz: Nanotubes\-wires Vorteile Nachteil geringere effektive Oberfläche • Höhere Elektronenmobilität • dickere Schichten möglich • niedrigere Rekombinationsraten Quelle: Law et al., nature materials, Vol. 4, June 2005 Quelle: Law et al., nature materials, Vol. 4, June 2005 Quelle: Mor et al.,NanoLett., Vol. 6, No. 2, 2006

12. Farbstoffe D*/D+ EFn R/R- D/D+ Halbleiter Elektrode Anforderungen starkes Absorptionsvermögen über sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich LUMOniveau muss im Leitungsband von TiO2 liegen HOMOniveau muss unter Redoxpotential des Elektrolyten liegen Injektionszeit schneller als Zerfallszeit benötigt Ankergruppe (Carbon-, Phosphorsäuregruppe)

13. Verwendete Farbstoffe Übergangsmetallkomplexe Organische Farbstoffe

14. Verwendete Farbstoffe Übergangsmetallkomplexe Organische Farbstoffe Black Dye N3 TiO2 Quelle: M. Grätzel / Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 4 (2003) 145–153 Quelle: Hara et al., Adv. Func. Mater. 2005, 15 , No.2, February

15. Optimierung des Absorptionsspektrums Kombination mehrerer Farbstoffe (Concerto-Effekt) • Voraussetzung: • kein Wechselwirkungen zwischen den Farbstoffen • Farbstoffe haften an möglichst unterschiedlichen Stellen am TiO2 • Vorteile: • Farbstoffe können Cluster verhindern • => höherer Quantenwirkungsgrad Quelle: Ogura et al. Appl. Phys. Lett. 94, 073308 2009

16. Optimierung des Absorptionsspektrums FRET (Förster-Resonanzenergietransfer) Relais-Farbstoff Quelle: Hardin et al. NATURE PHOTONICS | VOL 3 | JULY 2009 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/FRET

17. Verhinderung von Ladungsrekombination e--Donatorketten Chromophor absorbiert Licht und injiziert e- in TiO2 Donatorketten sorgen für große räumliche Trennung der Ladungen => Ladungsrekombination wird unwahrscheinlicher Rekombinationszeiten im Bereich von 10-3<τr <1s e- e- e- e- hν TiO2 p+ p+ p+ Chromophor Triphenylamin-Ketten (Donatoren)

18. Verhinderung von Ladungsrekombination Hydrophobe Farbstoffe Hydrophobe Ketten bilden hydrophobes Netzwerk um TiO2 • H2O-Spuren im Elektrolyt zerstören Säurelinker nicht Netzwerk hemmt Wechselwirkung zwischen Elektrolyt und Halbleiter • Geringerer Dunkelstrom

19. Elektrolyte Anforderungen: Möglichst hohe Ladungsträgerbeweglichkeit Gute elektrische Konversation zwischen Elektrolyt und Farbstoff Transparent im sichtbaren Spektralbereich Redoxniveau höher als HOMO-Niveau des Farbstoffs

20. Elektrolyte • Flüssige Elektrolyte • I-/I3- ,Co(II/III) • Redoxpaar in organischen Lösemittel • Vorteile: • Gutes Eindringen in porösen Halbleiter • Hohe Ladungsträgerbeweglichkeit • Nachteile: • Schwierigkeiten bei Abdichtung der DSSC • I-/I3- reagiert mit Pt-Elektrode • Feststoff Lochleiter • Polymerhalbleiter • Vorteile: • Keine Schwierigkeiten bei Abdichtung • Nachteile: • Dringt schlecht in Poren des Halbleiters ein • Hohe Rekombinationsverluste mit e- aus dem Halbleiter • Niedrigerer Wirkungsgrad Quelle:M.Grätzel, Photochemistry Reviews 4 (2003) 145–153

21. Herstellungsprozess Aufbringen der TiO2 Paste auf Glaselektrode mit anschließendem Sintern Eintauchen in Farbstoffbad für einige Stunden Anbringen der Polymerfolie als Abdichtung/Abstandshalter Auflegen der Gegenelektrode und anschließendes Backen zum Abdichten der Zelle Einfüllen des Elektrolyten durch Loch in Gegenelektrode

22. Rekordzelle Farbstoff Elektrolyt Hoher Wirkungsgrad durch: Angepasstes Redoxniveau an HOMOniveau Hoher Quantenwirkungsgrad der Farbstoffkombination Wirkungsgrad: η=12,3% Quelle:Grätzel et al., nature photonics, Vol.6, March 2012

23. Vergleich mit Si-Solarzelle • Unterschied zu Si-Zelle: • Ladungstrennung und Ladungstransport finden in Unterschiedlichen Medien statt. • Alle Komponenten können/müssen einzeln optimiert werden. e- - p-Si hν hν EC EF n-Si + p+ EV - e- - EC EF + p+ EV Halbleiter Farbstoff Elektrolyt

24. Vor-/Nachteile von DSSC Vorteile Nachteile Kürzere Lebensdauer Geringere Effizienz bei senkrechtem Lichteinfall Probleme bei Nutzung im Alltag vs. • Kostengünstig in Produktion • Gute Effizienz unter diffusem Lichteinfall • Mechanisch flexible Zellen möglich • Geringes Gewicht Quelle:http://iphone-inside.com/2011/01/13/apple-bekommt-solarzellen-patent/

25. Besondere Anwendungen Transparente Solarzellen Neue Designmöglichkeiten Quelle: http://www.sony.net/SonyInfo/technology/technology/theme/8ido18000001pozy-img/8ido18000001pp92.jpg Quelle: http://www.blogcdn.com/www.engadget.com/media/2010/06/solar-glass-20100609.jpg Quelle: http://click.eon-thueringerenergie.com/images/bilder/energie/artikel/energie_bionik.jpg Quelle: http://www.20min.ch/dyim/5993e7/B.M600,1000/images/content/1/4/3/14315468/2/topelement.jpg

26. Zusammenfassung • In DSSC Trennung von Ladungsseparation und Ladungstransport • DSSC erlaubt neue Designmöglichkeiten:- Anpassung der Absorbtionsspektren- Formgebung, mechanische Flexibilität- geringes Gewicht • Für breite kommerzielle Nutzung trotz geringem Preis weitere Optimierungen notwendig (Lebensdauer, Effizienz)