Farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Präsentation zum Thema: "Farbstoffsensibilisierte Solarzellen"—  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?

3 Motivation 2010 erhielt M. Grätzel Millenium Preis für DSSC
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 Nature Paper erwähnen flexibel ,t ransparaent Quelle:

4 Aufbau der DSSC hν Elektrode h≈20-40μm Elektrolyt d≈10μm
Halbleiter mit Farbstoff Glaselektrode h≈20-40μm d≈10μm TiO2 partikel zeigen hν

5 Funktionsweise Ablauf e- p+
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 Efn und Redoxpotential R/R- EFn D*/D+ D/D+ R/R- Halbleiter Elektrode LUMO 2. 1. Voc 4. 3. HOMO e- p+

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

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

8 Halbleiter/Elektrolytkontakt
Solvathülle Efn Ec Ev Halbleiter Elektrolyt Rred Rox Rox Rox Rox/Rred Rred Rred Fluktuationen in Solvathülle Efn Ec Ev Halbleiter Elektrolyt Rred Rox Efn Ec Ev Halbleiter Elektrolyt e- Rox Rred Bezug auf prozess in Zelle

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

10 Halbleiter Elektronentransport durch poröse Medien
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

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

12 Farbstoffe 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) EFn D*/D+ D/D+ Halbleiter Elektrode R/R- Großes Gebiet

13 Verwendete Farbstoffe
Übergangsmetallkomplexe Organische Farbstoffe Farben ändern zu grell, MLCT bild einfügen, Zyklenbeständigkeit

14 Verwendete Farbstoffe
Übergangsmetallkomplexe Organische Farbstoffe N3 Black Dye 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,

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

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- 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 Feststoff Lochleiter
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 Bild poröses Medium 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. hν e- - p-Si EC EF n-Si + p+ EV - + Farbstoff EC EF EV p+ Halbleiter Elektrolyt - hν e- Auch wirkungsgrad!!! DSSC Si-Zelle Max. Wirkungsgrad 12,3% 19% VOC 0,7V 0,6V JSC 20mA/cm² 35mA/cm²

24 Vor-/Nachteile von DSSC
vs. Quelle: Vorteile Nachteile Kürzere Lebensdauer Geringere Effizienz bei senkrechtem Lichteinfall Probleme bei Nutzung im Alltag Kostengünstig in Produktion Gute Effizienz unter diffusem Lichteinfall Mechanisch flexible Zellen möglich Geringes Gewicht (Lebensdauern)

25 Besondere Anwendungen
Transparente Solarzellen Neue Designmöglichkeiten Quelle: Quelle: Quelle: Quelle:

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)