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 Physikalische Optimierungsansätze

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

Materialien Löslichkeit Verfügbarkeit keine Hochtemperaturprozesse keine Vakuumprozesse Recyclebar höhere Absorptionskoeffizienten geringere Absorptionsbandbreite

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

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

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

PCBM phenyl-C61-butyric acid methyl ester Elektronenakzeptor Materialien P3HT Poly-3-hexylthiophen Elektronendonator PCBM phenyl-C61-butyric acid methyl ester Elektronenakzeptor Quelle: Yanmin Wanga, WeiWei, XinLiu, YijieGu; Research progress on polymer heterojunction solar cells, Shandong, China, 2011

25ml P3HT:PCBM-lösung und 25ml PEDOT-lösung 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

Materialien Donor-Materialien PCPDTBT PF10TB PCDTBT 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)

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

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

Herstellungsverfahren I spin coating kleine Flächen hoher Materialverlust empirisches Herstellungsverfahren Multilayersysteme problematisch

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

Herstellungsverfahren II doctor blading - Schichtdicken >µm

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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