Det fotovoltaiske princip og fotoelektrokemiske solceller Kristian O. Sylvester-Hvid

1. Det fotovoltaiske princip og fotoelektrokemiske solceller Kristian O. Sylvester-Hvid Kemisk Laboratorium III Kemisk Institut Københavns Universitet E-mail: ksh@theory.ki.ku.dk Web: www.sylvesterhvid.dk/kristian

2. Planen for i dag • 1. time • SC =1300 Wm-2 - kan det betale sig at udnytte solens energi? • Sol-fysik og termodynamisk begrænsninger • Hvordan virker en solcelle? – det fotovoltaiske (PV) princip • Effektivitetsbegrænsninger • 2. time • Den fri elektron-gas, båndteori og elektrisk ledning i halvledere. • Den traditionelle solcelle og pn-overgangen • Tyndfilms solceller • Ladningsadskillelse via molekyler – CT tilstande – Fotosyntese • Foto-elektrokemiske solceller

3. Solen som energikilde Tindre ~ 107 K Tydre ~ 5700 K ME = 6.3 ·107 Wm-2 SC =1367 Wm-2 Samlet strålingsfluks til jorden ~ 1.8 ·1017 W = 1.8 105 TW

4. Modsvarer globalt forbrug ved 100 % omdannelse Modsvarer globalt forbrug ved 10 % omdannelse Størrelsesordener Fotosyntese globalt ~ 90 TW ved maks. 5 % effektivitet. Fluks ind ~ 1.8 105 TW Globalt forbrug ~ 16.8 TW (1990) ~ 500 km http://www.electrosolar.co.uk/page1.htm

5. SC =1367 Wm-2 Energiens manifestationer

6. Solen som sort legeme Plancks strålingslov: Wm-2 nm-1 http://csep10.phys.utk.edu/guidry/java/planck/planck.html

7. Airmass: l0/l=cosa AM0 a l l0 AM1.0 AM1.5 Inklination og air mass AM0jE = 1353 Wm-2 og 338 Wm-2 i middel året rundt AM1 Solindfald ved ækvator I Saudi-Arabien; 2500 kWh/(m2 år) og i middel 285 W/m2 året rundt AM1.5 anvendes som standard med jE = 1000 W/m2 I Tyskland: 1000 kWh/(m2 år) og i middel: 115 W/m2 året rundt

8. Solens irradians spektrum

9. |W| TH TL QH QL Den lette løsning – ikke altid den bedste! Virkningsgrad for en Carnot-proces:   |W|/QH = 1 - TL/TH Solvarme anlæg (passiv udnyttelse) Solceller (aktiv udnyttelse) Sollys omdannes ~100 % til termisk energi. Med TH = 353K og TL = 298 K kan 15% af 115W/m2 (18 W/m2) omsættes til kraft Ved TH = 2000 K og TL = 298 K er udnyttelsen 85% - dvs. ~ 100 W/m2

10. – – – – Foto ekscitation + + + Ee Asymmetrisk transport Injektion af ladning DE = hc/l V  E Eg Det fotovoltaiske princip Ladnings-adskillelse sollys

11. Ingen fotostrøm Fotostrøm – v < DE Fotostrøm + varme – v < DE Effektivitetsbegrænsninger pga. polykromatisk lys

12. Lille båndgab Lav fotospænding men mange fotoner  stor fotostrøm Stort båndgab Høj fotospænding men få fotoner  lav fotostrøm Effektivitet versus båndgab Effektivitet P = strøm spænding Wm-2 nm-1

13. Maks. effektivitet for enkelt båndgabs-solcelle Teoretisk ydelse: ~ 30 % (Shockey/Queissar) ved DE ~ 1.4 eV A. Goetzberger et al, Mat. Sci. Engn.R 40 1 (2003)

14. Drude/Sommerfeld model af metal Fri elektrongas af NA elektroner  NA én-elektron-tilstande (plane bølger) Na: 1s22s2sp6 s31 Evac kz Ew N(E) kF N ky kx E EF L 

15. Elektroner i et periodisk potential l = 2p/|k| Én-elektron Block bølgefunktioner: hvor f(r) har periodiciteten svarende til retning k i gitteret. Elektroner kan ikke bevæge sig frit for alle k For bølgelængder (l=h/2v) svarende til Bragg spredning har vi derfor: Forbudte energier – bånddannelse

16. Elektroner i et periodisk potential II Fri elektron gas Svagt perturberet elektron gas N(E) N(E) EF EF

17. - - - - + + + + Ladningstransport i metaller og halvledere EF Båndgab EF EF Metallisk Isolator Metallisk Iboende halv-leder Extrinsikke halv-leder p-type n-type T= 300K kbT  0.025 eV CB Donor niveauer Acceptor niveauer VB (B doteret Si) (P doteret Si)

18. Opbygning af en traditionel solcelle Silicium facts: 2. mest udbredte grundstof Hovedgruppe IV 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Ledningsevne: 10 -12 – 106 /cm W

19. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Gasfase  Krystallinsk fase Ledningsbånd båndgap Bindingsenergi (eV). Valensbånd 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

20. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si B - - + + p- og n-type silicium Mobilt hul P Mobil elektron B dotering  p-type halvleder P dotering  n-type halvleder Donor niveauer Acceptor niveauer

21. – + B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P - - - - + + + + Dannelse af pn-overgang Elektrisk felt

22. pn-overgang som foto-diode Ledningsniveau Sollys DE Valensniveau Positiv bag-elektrode p-type silicium n-type silicium Transparent front-elektrode og anti-reflekscoating

23. Det optimal båndgab A. Goetzberger et al, Mat. Sci. Engn.R40 1 (2003)

24. PV kapløbet..

25. Opsummering for 1. generations solceller Ulemper Fremstilles af monokrystallinsk silicium (wafers) prissat af computerindustrien Energikrævende produktionsproces (40 % af omkostninger til fremstilling af Si) Gallium som begrænset ressource Begrænsede dimensioner Skrøbelige, tunge og stive Energy Payback Time ~ 4 år Højteknologisk produktion Fordele Færdigudviklet teknologi Effektivitet: 10 – 15% i praksis Holder mere end 20 år

26. 2. generations solceller – tyndfilm solceller Ønskværdige egenskaber Minimalt materiale forbrug Fleksibilitet Mindre EPT (< 2 år) Høj produktionshastighed

27. De mest udbredte tyndfilm solceller a-Si:H CIGS CdTe

28. Opsummering for 2. generations solceller Type Marked  (%) EPT Levetid/stabilitet Res. Begrænsning a-Si (tyndfilm) 13 % 6-9 2.7 år Taber 20-40 % i Ge begyndelsen CdTe (tyndfilm) -- 6-9 1.8 år Ustabil og svært Te reproducerbar CIGS (tyndfilm) -- 11-18 ~2 år > 20 år In, Ga Problemer Tidskrævende materiale deponering Holdbarhed og stabilitet Lavere effektivitet Miljøskadelige materialer

29. – – – + + + Betingelser for ladningsadskillelse Effektiv ladningsadskillelse ved Stor dielektrisk konstant (ok) Skærmede ladningsbærer (ok) Stor afstand mellem e- og h+ ved dannelse

30. – + Ladningsadskillelse via enkelt molekyler Foto induceret ladningsoverførsel (CT) i farvestoffet: LUMO HOMO Laveste uokkuperede molekyle-orbital (LUMO) Højest okkuperede molekyle-orbital (HOMO) ~X nm

31. Charge Transfer i naturen Fotosyntese Lys induceret MLCT i chlorophyl Omsætning af lys til kemisk energi med 2-3 % effektivitet.

32. n-type halvleder Farvestof D D D D Elektrode Elektrode - eV – 1 2 3 4 + 5 6 Foto-elektrokemisk solcelle e– h+

33. n-type halvleder Farvestof D D D D Elektrode Elektrode D: I–/ I3– ioner TiO2 nano-partikler Glas Glas I–/ I3– elektrolyt R Opbygning af foto-elektrokemisk solcelle

34. Karakteristika for foto-elektrokemisk solcelle pn-overgang erstattet af n-type -- kromofor -- elektrolyt konfig. TiO2 (anatase) er n-type halvleder med 3 eV båndgab (UV) 3D nanoporøst netværk (Roughness factor > 1000) Ru farvestof med MLCT fotofysik og kraftig og bred absorption Stærk koordination til TiO2 Fungerer som effektivt båndgab I-/I3- fungerer som p-type leder Elektrolyt giver stor overflade med diffusionskontrolleret h+ transport

35. Nano-krystallinsk TiO2 og Ru-farvestoffet Partikelstørrelse ~ 15 nm ruhedsfaktor ~ 1000

36. Kinetik i den fotoelektrokemisk solcelle

37. Opsummering for Grätzel solceller • Fordele • Farvestof med kraftig absorption • HOMO-LUMO gab kan tunes • Effektivitet: 10% i lab. – 5% i moduler • Temperaturstabilitet • Variabel transparent • Lavteknologisk produktion • Prisbillig ved bygningsintegration • Problemer • Indkapsling • Giftig solvent system • Langtidsholdbarhed

38. Bygningsintegration Velegnet i glasfacader Variable transparens Selektiv IR absorption Forskellige farver

39. Oprydning i Nanolab….

40. Nano1 vinderholdet 2003 - 0.26 % effektivitet