Organische Solarzellen - Teil 2

Präsentation zum Thema: "Organische Solarzellen - Teil 2"—  Präsentation transkript:

1 Organische Solarzellen - Teil 2
Experimentalphysik Hauptseminar der Universität Stuttgart WS 2011/12 Organische Solarzellen - Teil 2 von Andreas Dietz Quelle:

2 Gliederung Materialien Herstellungsverfahren
Effizienz unterschiedlicher Zelltypen Effizienzlimitierende Faktoren Physikalische Optimierungsansätze

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

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

5 Materialien Graphen Quelle:

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

7 Materialien P3HT Bandlücke: 1,85eV Absorbtiosband: ca. 300nm
Poly-3-hexylthiophen Bandlücke: 1,85eV Absorbtiosband: ca. 300nm Quelle:

8 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

9 25ml P3HT:PCBM-lösung und 25ml PEDOT-lösung
Materialien 25ml P3HT:PCBM-lösung und 25ml PEDOT-lösung ca $ Quelle:

10 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)

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

12 Herstellungsverfahren I
Quelle:

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

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

15 Herstellungsverfahren II
doctor blading - Schichtdicken >µm

16 Herstellungsverfahren III
roll to roll coating - Schichtdicken <µm Quelle:

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

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

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

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

21 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)

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

23 Herstellungsverfahren
Kosten/Energiebilanz Herstellungsenergie nach ca. 2,5 Jahren geernetet. ca Monate bei OSZ Kosten Si-Zellen Quelle:

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

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

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

27 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);

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

29 Effizienzlimitierende Faktoren
1,3 kW/m² davon ca. 50% Licht Quelle:

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

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

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

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

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

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

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

37 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

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