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Farbstoffsensibilisierte Solarzellen Vorgetragen von: Markus Thiemann 13.03.12.

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Präsentation zum Thema: "Farbstoffsensibilisierte Solarzellen Vorgetragen von: Markus Thiemann 13.03.12."—  Präsentation transkript:

1 Farbstoffsensibilisierte Solarzellen Vorgetragen von: Markus Thiemann

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

3 Motivation 1991 berichtet M. Grätzel über Farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC=Dye sensitized solar cell) 2010 erhielt M. Grätzel Millenium Preis für DSSC kostengünstigere Alternative zur Si-Solarzelle Absorbtionsbereich leicht anpassbar Quelle: 3

4 Elektrode Elektrolyt Halbleiter mit Farbstoff Glaselektrode Aufbau der DSSC hνhν h20-40μm d10μm 4

5 Funktionsweise Ablauf 1.Farbstoff D wird durch sichtbares Licht in Zustand D* gehoben 2.e - wird in Leitungsband von TiO 2 injiziert 3.D + wird durch Elektrolyt R/R - reduziert 4.Elektrolyt diffundiert zur Pt- Elektrode und wird reduziert 5.Leerlaufspannung V oc bestimmt durch E f n und Redoxpotential R/R - EFnEFn D*/D + D/D + R/R - HalbleiterElektrode V oc e-e- p+p+ LUMO HOMO 2. 5

6 Verlustmechanismen Ladungsrekombinationen 1.Zerfall des Angeregten Farbstoffs D * vor Ladungsinjektion 2.Rekombination mit D + 3.Ladungsrekombination mit Elektrolyt (Dunkelstrom) Potentialverluste sorgen für kleineres V oc. 1. EFnEFn D*/D + D/D + HalbleiterElektrode 3. R/R

7 Zeitskalen Ladungsinjektionszeit τ i s Farbstoffzerfallszeit τ z 50ns Farbstoffreduktion τ R 10ns Farbstoffrekombination τ rekom s EFnEFn D*/D + D/D + R/R - HalbleiterElektrode τiτi τzτz τ rekom τRτR 7

8 Halbleiter/Elektrolytkontakt R ox /R red R ox R red Solvathülle Fluktuationen in Solvathülle R ox R red EfnEfn EcEc EvEv HalbleiterElektrolyt R red R ox EfnEfn EcEc EvEv HalbleiterElektrolyt R red R ox EfnEfn EcEc EvEv HalbleiterElektrolyt e-e- R ox R red 8

9 Halbleiter Anforderungen E f n sollte deutlich über Redoxpotential des Elektrolyten liegen Hohe Elektronenmobilität Transparent im sichtbaren Spektralbereich (hohe Bandlücke) Verwendete Halbleiter gesintertes TiO 2, ZnO, SnO 2 => deutliche Vergrößerung der Oberfläche Quelle:M.Grätzel, Photochemistry Reviews 4 (2003) 145–153 9

10 Halbleiter Elektron wandert von Partikel zu Partikel Hüpfwahrscheinlichkeit abhängig vom Abstand der Partikel Elektron nimmt nicht direkten Weg durch den Halbleiter (τ10ms) => geringe effektive Elektronenmobilität => nur begrenzte Schichtdicken möglich Elektronentransport durch poröse Medien 10

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

12 Farbstoffe EFnEFn D*/D + D/D + HalbleiterElektrode R/R - Anforderungen starkes Absorptionsvermögen über sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich LUMOniveau muss im Leitungsband von TiO 2 liegen HOMOniveau muss unter Redoxpotential des Elektrolyten liegen Injektionszeit schneller als Zerfallszeit benötigt Ankergruppe (Carbon-, Phosphorsäuregruppe) 12

13 Verwendete Farbstoffe Organische Farbstoffe Übergangsmetallkomplexe 13

14 Verwendete Farbstoffe N3 Black Dye ÜbergangsmetallkomplexeOrganische Farbstoffe TiO 2 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 14

15 Optimierung des Absorptionsspektrums Kombination mehrerer Farbstoffe (Concerto-Effekt) Voraussetzung: kein Wechselwirkungen zwischen den Farbstoffen Farbstoffe haften an möglichst unterschiedlichen Stellen am TiO 2 Vorteile: Farbstoffe können Cluster verhindern => höherer Quantenwirkungsgrad Quelle: Ogura et al. Appl. Phys. Lett. 94,

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

17 Verhinderung von Ladungsrekombination TiO 2 Chromophor Triphenylamin- Ketten (Donatoren) hνhν e-e- e-e- e-e- p+p+ p+p+ e - -Donatorketten Chromophor absorbiert Licht und injiziert e - in TiO 2 Donatorketten sorgen für große räumliche Trennung der Ladungen => Ladungsrekombination wird unwahrscheinlicher Rekombinationszeiten im Bereich von <τ r <1s p+p+ e-e- 17

18 Verhinderung von Ladungsrekombination Hydrophobe Farbstoffe Hydrophobe Ketten bilden hydrophobes Netzwerk um TiO 2 H 2 O-Spuren im Elektrolyt zerstören Säurelinker nicht Netzwerk hemmt Wechselwirkung zwischen Elektrolyt und Halbleiter Geringerer Dunkelstrom 18

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

20 Elektrolyte Flüssige Elektrolyte I - /I 3 -,Co(II/III) Redoxpaar in organischen Lösemittel Vorteile: Gutes Eindringen in porösen Halbleiter Hohe Ladungsträgerbeweglichkeit Nachteile: Schwierigkeiten bei Abdichtung der DSSC I - /I 3 - 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 20 Quelle:M.Grätzel, Photochemistry Reviews 4 (2003) 145–153

21 Herstellungsprozess Aufbringen der TiO 2 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 21

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

23 Vergleich mit Si-Solarzelle Unterschied zu Si-Zelle: Ladungstrennung und Ladungstransport finden in Unterschiedlichen Medien statt. Alle Komponenten können/müssen einzeln optimiert werden. hνhν - + EFEF EVEV ECEC p+p+ e-e- DSSCSi-Zelle Max. Wirkungsgrad 12,3%19% V OC 0,7V0,6V J SC 20mA/cm²35mA/cm² e-e- - + Farbstoff ECEC EFEF EVEV p+p+ HalbleiterElektrolyt hνhν - n-Si p-Si 23

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

25 Besondere Anwendungen Quelle: thueringerenergie.com/images/bilder/energie/artikel/energie_bi onik.jpg Transparente SolarzellenNeue Designmöglichkeiten Quelle: ent/1/4/3/ /2/topelement.jpg Quelle: 8ido pozy-img/8ido pp92.jpg Quelle: glass jpg 25

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) 26


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