Fyzikální ústav - SAV, Bratislava 5. únor 2009
ORGANICKÁ FOTOVOLTAIKA F. Schauer Centrum polymerních materiálů, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
[email protected]
Obr.
PROLOG
- Earth's ultimate recoverable resource of oil, estimated at 3 trillion (3.10 12 ) barrels (159 l), contains 1.7 x 1022 J of energy, which the Sun supplies to Earth in 1.5 days. - The amount of energy humans use annually, about 4.6 x l020 J, is delivered to Earth by the Sun in 1 h. -The Sun continuously delivers to Earth, 1.2 x l05 TW. It exceeds the rate at which human civilization produces and uses energy, currently about 13 TW. Physics Today ,March 2007
E Solar 0.015% and Heat 0,3%, Biomass 11%., 80-85 % from fossile fuels, gathered in the last 200 mil years
Odhadovaná světová těžba nafty
Physics ‚Today March 2007
I Si based 85 % II, a-Si, n-Si, CdTe, Cu-In-Se III new mechanism (carr. mult, multiple junct, concentr.), NEW MATERIALS
THE ELECTRONICS OF THE 20th CENTURY IS BASED ON SEMICONDUCTOR PHYSICS THE ELECTRONICS OF THE 21th CENTURY WILL BE BASED ON MOLECULAR CHEMISTRY/PHYSICS F. L. CARTER
1953 Hermann Staudinger- Germany
Discoveries in the field of macromolecular chemistry
1963 Giulio Natta Italy, Karl Ziegler - Germany Chemistry and technology of high polymeric materials 1974 Paul J. Flory - USA Physical chemistry of macromolecules
1996 Robert F. Curl, Jr - USA
For the discovery of fulerene
Nobelova cena za chemii 2000 For the discovery of conductive polymers
Motto
- Politika vs energetika - Energie vs společnost - Věda a energetika
PROHLÁŠENÍ No 1 (On January 28, 2008, during his State of the Union address) The President Calls On Congress To Work With Him To Take Advantage Of New Clean Energy Technologies President Bush is dedicated to strong growth in renewable electricity generation. Since 2001the photovoltaic solar power grown by 525 percent; overall, renewable power has nearly doubled. The President’s Solar America Initiative – launched in 2006 – doubled U.S. investment in solar energy.
PROHLÁŠENÍ No 2 ( Mf dnes 2. Února 2008) - problém vyčerpatelnosti energetických zdrojů neexistuje; - znečištění životního prostředí dramaticky klesá, -
přímé i nepřímé subvencování obnovitelných zdrojů není řešením energetického problému,
Téze 1. Fyzika a historie organické PV 2. Ztráty fotonů 3. Ztráty excitonů 4. Ztráty nosičů při transportu 5. Účinnost konverze 6. Perspektiva
1. Fyzika a historie organické PV
- Šířka π pásu ~ 4 to = IP. S (ionizační potenciál, překryvový integrál) 3 eV , je menší než elektron-elektronová interakcedelokalizace úplná - Pohyblivost děr (disorder, polarony - VRH) 10-4 - 10-3 cm2V-1 s-1 - Absorpční hrana 1,4- 1,7eV, -Absorpční koeficient ( max) α ~ 2.10 5 cm-1 - Vazebná energie excitonu 0.07-0,1eV
- 8C atomů- 8 elektronů-8 pásů energie, - překryvový integrál velká hodnota delokalizace, -disorder a Coulombická interakce zmenšuje delokalizaci, -pásy řádu eV a vazebná energie excitonů 0.1eV (Wannier-Mott), excitony delokalizované přes řadu strukturálních jednotek -D1 a D1* (velká šířka pásu 1.7 eV-delokalizace -efektivní hmotnost ve středu D1 pásu je 0.067me)
- jednoelektronová aproximace+poruchy - L a L*(lokalizace na fenylové skupině) Frenkelovy excitony na Ph - DL a LD excitace možná
Příklady typických π konjugovaných polymerů +
=
Čím je limitována účinnost konverze?
2. Ztráty fotonů
3. Ztráty excitonů DA systémy – dopování
VACUUM 3.5eV 6eV
π*
π* 100 fs
2.5eV π
5.6eV < 1ps 0,2eV
HOMO
π LUMO
Základní stav
Excitovaný a relaxovaný stav
PPV
C60
7eV
EXCITED S.
10-13 s ~0.15 eV
E ħω
z T/ESR
10-3 s !! GROUND S.
3a. Ztráty excitonů DA objemové nanoheterostrukturní systémy
N. S. Sariciftci , L. Smilowitz , A. J. Heeger , and F. Wudl :Photoinduced Electron Transfer from a Conducting Polymer to Buckminsterfullerene Science 27 November 1992:Vol. 258. no. 5087, pp. 1474 - 1476
4. Ztráty nosičů při transportu PŘÍSPĚVEK PRACOVIŠŤ ČR
Možnosti měření transportu a DOS v ČR FzÚ AV - M. Vaněček, A. Poruba: Fourier transform photocurrent spectroscopy ÚMCH AV : S. Nešpůrek, J. Pfleger: Time of flight Univ.Tomáše Bati ve Zlíně- F. Schauer, I.Kuřitka: Temperature –Modulated SCLC, Fotofluorescence stst i s časovým rozlišením MFF UK – J. a J . Touškovi: Bezkontaktní metoda měření difúzní délky a další
Etr
2. Transport energy
Σ2/kT
E tr
∫ dE h( E )( Etr − E )3 EF
−∞ =
6 (γkT )3
Density of states
1. Σ2/kT – Maximum of occupation
π
Gaussian Distribution of states h( E ) =
Nt 2π Σ
−
e
F.L. movement
T=Ti
Energy (eV)
ptr pf
[5] V.I. Arkhipov, P. Heremans, E.V. Emelianova, G.J. Adriaenssens, H. Baessler, Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 3245
( E )2 2Σ 2
TM – SCLC reconstruction 10 5
U2
24
0 1
1.0
2
U
-10
0.8
-15
0.6
2,3,4,5
0.4
-20 5
-25 -4 -2
0
2
4
log ( U (a.u.))
6
0.2 0.0
6
Et
log(h(E))
-5
22
Ea, EFn
log (I (a.u.))
0
20 18 16 14 12 -1 .0
1
0 -0 .8
3 ,4
-0 .6
-0 .4
E (e V )
5 6 -0 .2
0 .0
_________________________________________________
TEMPERATURE MODULATED SPACE – CHARGE LIMITED CURRENTS (TM – SCLC) O.Zmeškal, F. Schauer and S. Nešpůrek:, J.Phys.C:Solid State Phys. 18(1985), 1873, F. Schauer, O. Zmeškal and S. Nešpůrek: J.Phys.C: Solid State Phys. 19(1986), 7231 F. Schauer, S. Nešpůrek and H.Valerián: J. Applied Physics 80(1996)880, F. Schauer, S. Nešpůrek and H.Valerián: J. Applied Physics ,79 (1996), 8427, F. Schauer, R. Novotný and S. Nešpůrek: J. Applied Physics , 81(1997)1244, F. Schauer: Space charge limited currents for organic solar cells optimisation, Energy Materials & Solar Cells, 87 (2005) 235. .
5.
Účinnost konverze
Poloha LUMO akceptoru
Heeger 2007
6.
Perspektiva
Donor – akceptor na jednom řetězci
Double – cable polymer
Poly (fluorene) Alternatig copolymer of 2,7silafluorene (SIF) and 4,7-di(2‚-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole (DBT) Poly (silafluorene)
Systém polymer D - polymer A ħω h+ e-
Doba života Molekulární
Elektronické vlastnosti
Struktura
Účinnost
Morfologie
Cena
Děkuji za pozornost a laskavé přijetí
Děkuji za pozornost a laskavé přijetí
