Organische Solarzellen Bearbeitet von Dorothee Dick

Warum Erforschung von alternativen zu Si-Solarzellen? Hoher Bedarf an preiswerteren Solarzellen low-cost Technologie Großflächig kostengünstige Fertigungsprozesse Hohe Flexibilität (flexible Solarzellen) Massereduzierung durch geringere Dicke und Dichte der Schichten Zuschneiden je nach benötigter Größe (Plastiksolarzelle) Hohe Umweltverträglichkeit

Energiegewinnung? – Organische Halbleiter 3 Alternativen! Photosensibilisierungs- Solarzellen Feststoff-Solarzellen Organische Farbstoffe: Auf lösungsmittelprozessierbaren Polymeren Auf aufdampfbaren „kleinen Molekülen“ bzw. Oligomeren Idee aus der Natur: Energiegewinnung durch Photosynthese Idee von anorganischen Halbleitern (Si-Solarzelle)

Organische Halbleiter Funktionsweise: (ähnlich Si-Hl) Hauptunterschied: org. Schichten meist amorph  WW gering Delokalisiertes, konjugiertes Pi-Elektronensystem (sp2-Hybridisierung der Kohlenstoffatome Anregung bei Photoneneinfall, wegen schwacher pi-Bindung Keine direkte Bildung freier Ladungsträgerpaare (Polarisation gering) Bildung neutraler Anregungszustände (Frenkel-Exzitonen) p-n-Dotierung möglich

Auswirkungen der schwachen intermolekularen WW Niedriger Schmelzpunkt, eine hohe Zerbrechlichkeit, aber auch Flexibilität Bänder eher schmal Absorptionsspektrum molekülabhängig, sehr groß Geringe Dichte und Beweglichkeit der Ladungsträger Hopping-Transport Spannungserzeugung  nur geringe Schichtdicke möglich (Beweglichkeit abhängig von Temperatur, el.Feldstärke, Ladungsträgerdichte) Bildung von Frenkel-Exzitonen (mit hoher Bindungsenergie)  Trennung z.B. durch photoaktiven Donator-Akzeptor-Heteroübergang

Trotz allem oft: Benutzung Banddiagramm Energieniveaus freier Ldgsträger ~ Bandkante E- Leitungsniveau = LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) ~leitungsbandkante Transportniveau für Löcher = HOMO (highest occupied molecular orbital) ~ valenzband

Organische Halbleiter: Grundlagen Photoneneinstrahlung: lokalisierte Anregung eines Moleküls = Exziton Exzitonendiffusion (~10nm möglich sonst relaxiert es) Dissoziation Heteroübergang zur Trennung benötigt (Ladungstransfer begünstigendes Nachbarmolekül) Ldgsträgertransport/-extraktion (Hopping-Transport)

Idee: Problem mit der Diffusionslänge vermeiden durch Mischschichten Unabhängig von Lichteinfall immer ein Heteroübergang in Reichweite Dicke der Substanz kann (unabhängig von Diffusionslänge) für Absorption ideal gewählt werden Vermischen Donator und Akzeptor in lichtabsorbierender Schicht Verbessern der Struktur durch „Tempern“: Substrat 5 Minuten bei 140°C auf die Heizplatte  Ausbildung semi-kristalliner Strukturen  Besserer Ladungstransport

Bulk-heterojunction-Konzept (Donator/ Akzeptor-Netzwerk ): Allgemeiner Aufbau: Bulk-heterojunction-Konzept (Donator/ Akzeptor-Netzwerk ): Effiziente Methode zur Erzeugung freier Ladungsträger: Ultraschneller photoinduzierter Elektronentransfer (<50fs)  viel schneller als Rekombi oder photoangeregte Zerfallsprozesse  Quantenausbeute fast 1 Welche Stoffe verwenden wir hierfür? Zink-Phthalocyanin (ZnPc) : blauer Farbstoff. C60 Fulleren : starke Akzeptorwirkung und gute Elektronenleitfähigkeit Ist der photoerzeugte Zustand langlebig?  Lichtinduzierte Untersuchungen ergaben: Bildung langlebiger Radikale Zweite Elektrode – Reflektiert  Interferenz nutzbar

Feststoff-Solarzellen lösungsmittelprozessierbaren Polymeren Bei den Polymer-Solarzellen hat sich das Donator-Akzeptor-Mischsystem durchgesetzt. P3HT: PCBM beste Materialkombination (Wirkungsgrad 3,1) Kurzschlussstrom für höhere Mobilität Schichtdicke limitiert Absorptionsmaximum konjugierter Polymere meist bei oder unter 600nm (Maximum der Photonenflussdichte des Sonnenspektrums ca. bei 750nm) Mit organischen Farbstoffen: Intensive Farbigkeit Hohe Absorption im sichtbaren Spektrum Lichteindringtiefe unter 50nm

Herstellungsverfahren Spin-coating Für polymere Solarzellen Tropfen einer Lösung auf ein rotierendes Substrat Gleichmäßig verteilte Schicht Ca. 30cm Durchmesser

DRUCKVERFAHREN Kontinuierliche Massenproduktion: Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren Tintenstrahldruck Siebdruck

Organische Aufdampfschichten dünnschichtsolarzellen P-i-n-Solarzelle Zellen auf einfache Plastik- oder Metallfolie aufbringen thermisches Verdampfen im Hochvakuum Einfach da keine exakten Anforderungen an die Stöchiometrie der Schichten Produktion bereits für OLED-Displays oder Leuchtdioden Gezielte und effiziente p-n-dotierung durch kontrollierte Mischverdampfung möglich wide-gap Transportschichten (große Bandlücke)  Schichtdicke optimierbar Absorption hoch, Rekombination gering  hohe Quantenausbeute Zwischenschicht: Schutz vor Beschädigungen, Interferenz- ausnutzung Wirkungsgrad nur bei etwa 3%  mehrere seriell-geschaltete Solarzellen schichten

1. 1990 Wirkungsgrad 5,7% Tandem-Solarzelle: Leichte Stapelbarkeit dotierter Zellen Rekombinationsschicht zwischen Einzelzellen Komplettes Sonnenspektrum absorbieren durch Mischung geeigneterter Stoffe BCP-Schicht (Bathocuproin) verhindert Löschen von Exzitonen am Metallkontakt, jedoch keine Barriere für den Elektronentransport Externe Quanteneffizienz einer organischen Solarzelle mit einer photoaktiven Schicht aus C60 und ZnPc (Mischschicht, 50 nm)(durchgezogene Linie). Im Vergleich die Absorptionskoeffizienten von C60 (gepunktet) und ZnPc (gestrichelt).

Photosensibilisierungs-Solarzellen Die Idee der Pflanzen: Photosynthese 1. Michael Grätzel 1991 : Grätzel Zelle Elektronenakzeptor: Anorganische Nanopartikel (meist Titandioxid) Photosensibilisator (z.B. Chlorophyll, Phthalocyanin ) Organische Farbstoffmoleküle an der Oberfläche der Nanopartikel verankert Elektrolyt (verhindert Rekombination, liefert neue e-) Vorteil: Auch bei geringer Lichteinstrahlung sehr effektiv Wirkungsgrad: momentan mit flüssigem Elektrolyt (Redox-paar Iodid/Iod )  11% Fester Elektrolyt (Ldgsträgerbew. eingeschränkt) nur 5% (Stand2010) Neu: Elektrolyt verfestigen, neuer Farbstoff 5 Jahre haltbar Wirkungsgrad: 9,1 %

Weitere Vorteile der Organischen Solarzellen Durchsichtige Module können an Fensterflächen angebracht werden Farbige Module auch optisches Highlight Chemisches Maßschneidern (an Sonnenspektrum) Hohe Lichtempfindlichkeit (Wirkungsgrad bei photosensibilisierten Zellen nimmt bei schlechter Einstrahlung kaum ab) Praktisch für: Ladegeräte (für Laptop, Handy,…) Einarbeitung in Textilien, Verwendung als Fenster, Farbige Verschönerung verschiedener Gebäude…

Zukunft? Wirkungsgrade momentan: 3% pin  12% Tandem im Labor (8% real) OVP 7% 11% 3.Generation Photosenibilisatorzelle (25Jahre haltbar) Dringender Forschungsbedarf : Lebensdauer (momentan maximal ca. 5 Jahre) Empfindlichkeit der organischen Solarzellen gegen V-Licht Wasser Sauerstoff geeigneten Verkapselung ist zu finden! Forschung an besseren Absorbersubstanzen Forscher halten Wirkungsgrade von 20% durchaus für möglich. (geplant für 2020)

Photovoltaik in Gebäuden, Textilien, Autos, Flugzeugen: Toyota und Hyundai beispielsweise möchten bereits 2010 erste Fahrzeuge mit Solardächern auf den Markt bringen, die die Lithium-Ionen-Batterien der Plug-In-Hybridautos unterstützen. Consumer Electronics: Displays aus Farbstoff-Solarzellen könnten in Zukunft Produkte wie Handys schmücken und sie unabhängig vom Stromnetz aufladen Sunset Organisches Solar-Modul Für 89,95 € Technische Daten Leistung 1,3 Wp Nennspannung 7,9 V Nennstrom 164 mA Leerlauf-Spannung 11,3 V Kurzschluss-Strom 202 mA Leistungsgarantie 2 Jahre Abm. (B x H x T) 340 x 273 x 0,5 mm leichtes, dünnschichtiges Photovoltaikmaterial aus lichtreaktiven Materialien, die aus leitenden Polymeren sowie aus organischen Nano-Materialien gefertigt werden Die Integration von hauchdünnen, organischen Solarzellen in Gebäudeteilen (BIPV) – beispielsweise in Glas-Fassaden oder Ziegeln – wird in den kommenden Jahren verstärkt an Bedeutung gewinnen. Nach Einschätzung der Analysten könnten Solardächer, -fenster, -fassaden oder -ziegel herkömmliche Materialien beim Bau von Gebäuden ablösen.

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit