Resultaten en bevindingen van project
Hoger rendement voor organische zonnecellen Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE).
Datum Status
Januari 2010 Definitief
Technische Universiteit Delft in opdracht van Agentschap NL
Colofon
Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon
Hoger rendement voor organische zonnecellen Energie Onderzoek Subsidie Nieuw Energie Onderzoek NEOT03013 Technische Universiteit Delft
Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.
Format eindrapport Energie Onderzoek Subsidie: Nieuw Energieonderzoek
Openbaar eindrapport Introductie Zonnecellen gebaseerd op organische kleurstoffen zijn milieuvriendelijke, goedkope en eenvoudig te produceren alternatieven voor traditionele zonnecellen gebaseerd op kristallijn silicium. De maximum efficiëntie voor deze organische zonnecellen ligt echter nog niet boven de 5%. Om de efficiëntie te verhogen is het belangrijk om zoveel mogelijk van het licht dat de zon uitstraalt om te zetten in elektrische energie. Daarvoor moet het absorptiespectrum van de kleurstofmoleculen verbreed worden. Om dit te bereiken kunnen bijvoorbeeld meerdere zonnecellen in serie worden geplaatst om een zogenaamde tandemcel te creëren. Pogingen om dit soort cellen te maken op basis van organische cellen hebben veelbelovende resultaten laten zien. De resultaten van dit project kunnen worden gebruikt om een nieuw soort tandem zonnecel te maken op basis van twee zogenaamde kleurstof gesensitiseerde halfgeleider subcellen. Een zo'n subcel bestaat uit een metaaloxide halfgeleider voorzien van een laagje kleurstof. De metaaloxide zelf absorbeert geen zichtbaar licht, slechts UV licht. Belichting van de kleurstof leidt tot de vorming van een zogenaamd geëxciteerde kleurstofmolecuul. Dit geëxciteerde molecuul kan vervallen door middel van het injecteren van een elektron in de (n-type) halfgeleider. (Zie figuur 1A) Het principe van zo'n subcel is al 2 decennia bekend en is intensief bestudeerd. Na het injectie proces worden de ladingsdragers (elektron and positieve ladingsdrager) getransporteerd naar beide elektrodes waarover een potentiaal ontstaat. In dit project is gekeken of het tegenovergestelde proces ook mogelijk is: d.w.z. na excitatie van het molecuul wordt geen elektron geïnjecteerd maar gaat het elektron van de p-type) halfgeleider naar het molecuul. (zie figuur 1B) Door combinatie van beide subcellen kan een tandem zonnecel gemaakt worden waarbij beide organische lagen op elkaar gestapeld zijn. Voor dit project zijn bi laag cellen gemaakt op basis van een dunne compacte p-type halfgeleider laag: NiO. Deze lagen zijn gemaakt met behulp van een sputtercoater, waarbij als gas argon (NiO A) of een mengsel van 90% argon en 10% zuurstof is gebruikt (NiO B). Dit laatste zorgt ervoor dat de halfgeleider voorzien wordt van onzuiverheden waardoor de laag p-type karakter krijgt. In vergelijking met ander metaaloxides zoals TiO2 heeft NiO een veel lagere ionisatie potentiaal. (Zie figuur 1) Dit heeft als voordeel dat NiO makkelijker een elektron kan doneren aan het geëxciteerde kleurstofmolecuul.
Versie ANL012010V1
1
A
B
LUMO
CB
III
CB
Processes I: excitation II: exciton diffusion III:charge transfer IV: charge recombination
II I
LUMO
dye HOMO
IV I
Redox mediator
III VB HOMO dye
VB n-type SC: TiO2
p-type SC: NiO
Figuur 1. Energie diagrammen van kleurstof gesensitiseerde halfgeleider cellen op basis van een n-type halgeleider (A) en p-type halfgeleider (B) inclusief processen die optreden bij excitatie van het kleurstofmolecuul. Als kleurstof is een zogenaamd geconjugeerd polymeer gekozen. Figuur 2 laat een aantal veel bestudeerde polymeer structuren zien. Geconjugeerde polymeren hebben het voordeel dat ze een grote absorptiecoëfficiënt hebben, d.w.z. dat een dunne laag volstaat om een groot deel van het opvallend licht te absorberen. De getoonde structuren zijn alle voorzien van alkyl substituenten waardoor polymeren goed oplosbaar zijn in normale organische oplosmiddelen. Hierdoor kunnen de polymeren eenvoudig worden aangebracht door bijvoorbeeld spincoating of inkjet printing. PV1CVTP en PF2CVTP (zie figuur 2) zijn zogenaamde n-type polymeren wat betekent dat ze een hoge elektronen affiniteit hebben i.t.t. DMOM-PPV en P3HT. Deze n-type polymeren kennen dus gecombineerd worden met het p-type NiO om een fotoactieve junctie te vormen. Deze n-type polymeren zijn gesynthetiseerd door TNO, Eindhoven. R
O
S
S S
n R
R
P3HT
n
O
DMOM-PPV OC10H21 CN S
S NC
n H3CO
C8H17
PF1CVTP CN
C8H17
OC10H21
S
S n H3CO
NC C8H17
C8H17
PF2CVTP
Figuur 2 Verschillende veel bestudeerde geconjugeerde polymeren, waarbij 2 onderste polymeren zogenaamde n-type polymeren zijn.
Versie ANL012010V1
2
In dit project is bestudeerd of een prototype zonnencel gemaakt kan worden bestaande uit een laag glad p-type NiO (100 nm) voorzien van een n-type polymeer laag. Daarbij is het de bedoeling dat het opvallend licht wordt geabsorbeerd door het polymeer en vervolgens een elektron van het NiO naar het polymeer wordt overgedragen. (Figuur 1b) De bij dit laatste proces gevormde ladingsdragers moeten vervolgens worden gecollecteerd door beide elektrodes. Resultaten Figuur 3 laat absorptie en luminescentie spectra zien van beide gesputterde NiO lagen. De NiO laag die in een argon/zuurstof gasmengsel is gegroeid (NiO B) laat zien dat het extra ingebouwde zuurstof leidt tot defecten wat tot uiting komt in optische absorptie in het zichtbare gebied. Uit Kelvin probe metingen kon worden bepaald dat het Fermi niveau van dit NiO sample inderdaad vlakbij de rand van de valentieband ligt. Uit de luminescentie metingen blijkt dat de emissie van het polymeer gedoofd is wanneer het aangebracht is NiO i.p.v. een inerte drager zoals kwarts. Uit deze observatie kan geconcludeerd worden dat het NiO/polymeer interface een extra verval kanaal voor het geëxciteerde polymeer vormt.
Figuur 3. Absorptie spectra van NiO A, NiO B, een n-type polymeer PF!CVTP) en een bilaag gebaseerd op NiO B en PF1CVTP. Als substraat is voor al deze samples kwarts gekozen. Emissie spectra van twee laatst genoemde sample staan langs de rechter as.
Figuur 4 laat i/V metingen zien aan diverse prototype cellen op basis van een NiO B/PF2CVTP bilaag. De i/V curve in het donker is bijna symmetrisch wat erop duidt dat er geen actieve interface (depletie laag) is. In het licht echter kan er een open klem spanning een kortsluitstroom gemeten worden. Het teken van de stroom bevestigt dat inderdaad elektronen van het NiO naar de polymeer laag gaan. De totale power conversion efficiency (PCE) is echter <1%. Het blijkt dat alleen gebruik van NiO B leidt tot een werkende cel, omdat ladingstransport in de NiO A laag moeilijk gaat. Uit de metingen aan de individuele lagen kan geconcludeerd worden dat geen actieve interface met de contacten worden gevormd.
Versie ANL012010V1
3
Conclusies - Fotogeleiding in NiO lagen kan alleen worden gemeten indien samples gesputterd zijn in een gas mengsel bestaande uit argon en zuurstof, wat leidt tot de inbouw van defecten in het rooster. - Excitaties in een NiO/PF2CVTP bilaag systeem worden efficiënt gedoofd aan de hybride grenslaag. Het blijkt echter dat deze excitaties niet leiden tot efficiënte ladingsscheiding, maar snel terug recombineren naar de grondtoestand. - Waarschijnlijk worden alleen die ladingen die door middel van foto-excitatie direct in de polymeer laag worden aangemaakt efficiënt gecollecteerd kunnen worden door de elektroden. Dit leidt tot de lage waargenomen efficiëntie. Een mogelijke methode om de cel efficiënter te maken, is een NiO B laag te voorzien van een dun laagje NiO A (enkele namnometers). Recombinatie van ladingsdragers via defecten zou op deze manier kunnen worden verminderd.
Figuur 4. i/V cirves aan de verschillende prototype zonnecellen gebaseerd op bilagen van NiO B en n-type polymeren. Zoals vermeld in de introductie zijn kleurstof gesensitiseerde halfgeleider zonnecellen op basis van TiO2 (Gratzel cel) intensief bestudeerd gedurende de laatste 20 jaar. Binnen Nederland wordt bij ECN, Petten actief gewerkt aan het op groter schaal vervaardigen van dit type zonnecellen. Inmiddels zijn er ook een aantal bedrijven, zoals Solaronix, G24 Innovations Ltd en Dyesol in de wereld actief bezig met het commercialiseren van dit type zonnecel. Gebruik van goedkope hernieuwbare energie bronnen zoals kleurstof gesensitiseerde halfgeleider zonnecellen kan helpen bij de verduurzaming van onze energiehuishouding. Efficiëntie verbetering door nieuwe zonnecel configuraties zoals beschreven in dit project kan positief werken op deze activiteiten. Resultaten van dit project zijn beschreven in een manuscript en ingezonden naar het international tijdschrift: Journal Physical Chemistry C. Poster presentaties zijn gegeven op de EMRS in Straatsburg, 8-12 juni, 2009 en bij de bijeenkomst van NWO chemische wetenschappen in Lunteren, najaar 2009. Voor meer informatie: Dr Ir Tom J. Savenije • Versie ANL012010V1
4
“Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, regeling EOS: Nieuw Energieonderzoek, uitgevoerd door Agentschap NL.”
Versie ANL012010V1
5
