Farbstoffsensibilisierte Solarzellen Vorgetragen von: Markus Thiemann 13.03.12

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

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: http://earth2tech.files.wordpress.com/2008/06/dssc.jpg?w=343&h=227

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

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+

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

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≈10-6-10-3s τi τz τrekom τR

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

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

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

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

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

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

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

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, 073308 2009

Optimierung des Absorptionsspektrums FRET (Förster-Resonanzenergietransfer) Relais-Farbstoff Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/FRET Quelle: Hardin et al. NATURE PHOTONICS | VOL 3 | JULY 2009

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)

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

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

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

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

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

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

Vor-/Nachteile von DSSC vs. Quelle:http://iphone-inside.com/2011/01/13/apple-bekommt-solarzellen-patent/ 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)

Besondere Anwendungen Transparente Solarzellen Neue Designmöglichkeiten Quelle: http://www.sony.net/SonyInfo/technology/technology/theme/8ido18000001pozy-img/8ido18000001pp92.jpg Quelle: http://www.blogcdn.com/www.engadget.com/media/2010/06/solar-glass-20100609.jpg Quelle: http://click.eon-thueringerenergie.com/images/bilder/energie/artikel/energie_bionik.jpg Quelle: http://www.20min.ch/dyim/5993e7/B.M600,1000/images/content/1/4/3/14315468/2/topelement.jpg

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)