Nanotechnologie en zonne zonne-energie energie… een toekomstvisie Prof. Prof Dr Dr. Jean Manca Universiteit Hasselt - Instituut voor Materiaalonderzoek IMEC - geassocieerd labo IMOMEC
WLS – 26 april 2010
Nanotechnologie & zonne-energie… een toekomstvisie
UHasselt/IMO/IMEC..
: Who is who ?
De
Tera-Watt uitdaging
De
zon is een oplossing
Nanotechnologie Toekomst
& PV
: Scenario 2020
IMO - IMOMEC
I tit t voor Instituut Materiaalonderzoek (IMO) Onderzoeksinstituut UHasselt Fundamenteel onderzoek
IMOMEC Divisie van IMEC vzw
Toegepast g p Onderzoek
IMO - IMOMEC
I tit t voor Instituut Materiaalonderzoek (IMO) Onderzoeksinstituut UHasselt Fundamenteel onderzoek
IMOMEC Divisie van IMEC vzw
Toegepast g p Onderzoek
IMO IMOMEC IMO-IMOMEC Wetenschapspark 1 B-3590 Diepenbeek 90 wetenschappers en ingenieurs 20 technici en administratief personeel
IMO - IMOMEC Kerncompetentiedomein ONTWIKKELING EN ONDERZOEK VAN MATERIALEN VOOR GEBRUIK IN MICRO C O –ELEKTRONICA, O C O OPTO-ELEKTRONICA, O O C BIO-ELEKTRONICA EN NANOTECHNOLOGIE Focus: organische halfgeleiders halfgeleiders, nanogestructureerde anorganische materialen en kunstmatig diamant
Verwevenheid onderzoek/onderwijs Wetenschappen- & Ingenieursopleidingen ism TU/e
Universiteit Hasselt Onderzoeksondersteund onderwijs
Nanotechnologie & zonne-energie… een toekomstvisie
UHasselt/IMO/IMEC..
Energie
: Who is who ?
voor toekomstige generaties
De
Tera-Watt uitdaging
De
zon is een oplossing
Nanotechnologie Toekomst
& PV
: Scenario 2020
Energie voor toekomstige generaties
Prognose populatie
http://users.pandora.be/geowisvlio/Aardrijkskunde/bevolking.html
De Tera-Watt (TW=1012 W) uitdaging Globaal energie verbruik : 15 TW (2050 : 30 TW)
De Tera-Watt (TW=1012 W) uitdaging
http://ec.europa.eu/research/energy/print.cfm?file=/comm/research/energy/gp/gp_imp/article_1082_en.htm
Energieverbruik België In % van het totaal
1979
1995
1999
2000
2001
2002
2003
2004
Totaal verbruik van primaire energie (a)
48.161
52.268
57.789
58.812
58.271
55.836
58.361
57.207
Vaste brandstoffen
22,8%
19,1%
12,9%
14,3%
13,2%
11,7%
10,6%
11,2%
Aardolie en aardolieproducten
51,9%
39,2%
40,9%
40,0%
41,0%
40,0%
41,4%
39,2%
Aardgas
19,4%
20,4%
23,1%
22,8%
22,7%
24,0%
24,7%
25,5%
Kernenergie
6,2%
20,6%
22,1%
21,3%
20,7%
22,1%
21,2%
21,5%
Hernieuwbare en gerecupereerde brandstoffen (b)
N/A
N/A
0,8%
0,9%
0,9%
0,9%
1,1%
1,2%
Overige
N/A
N/A
0,2%
0,7%
1,4%
1,2%
1,0%
1,0%
(a) Ktoe: 1.000 ton olie-equivalent - 1010 kilocalorie. (b) Vanaf 1999. N/A: niet beschikbaar.
http://www.statbel.fgov.be/figures/d64_nl.asp
Evolutie fossiele brandstoffen Wereldwijd : totale capaciteit = 13 TW Voornamelijk op basis van aardolie, gas en steenkool Nucleare capaciteit gelimiteerd en gecentraliseerd in een beperkte groep van landen (US, Canada, France, …) 5
4,52
4 2,7
3
2,96
TW 2 1,21 0,828
1
0,286
0 Oil
Gas
Coal
Wind
0,286 Biomass
PV
Nuclear
Evolutie fossiele brandstoffen Reserves (niet goed gedefinieerd): Aard-olie: 40 jaar Aardgas: A d 70 jjaar Steenkool: 200 jaar
Evolutie van CO2
Source: IEA
IPCC-2007
Evolutie van CO2
Toename van CO2-niveau in atmosfeer dient onder controle gebracht te worden (nu ≅380 ppm = 30-40% hoger g dan 100 jjaar g geleden)) Hoffert, University of New York: 450 ppm: onherstelbare schade van koraalriffen 550 ppm: smelten lt van West W t Antarctica A t ti ijsbanken ij b k
Koolstof-neutrale oplossingen: g Nucleair:
niet echt duurzaam Hernieuwbare energie : • wind, wind biomassa, biomassa zon
Evolutie van CO2 The Kyoto Protocol treaty was negotiated in December 1997 at the city of Kyoto, Japan and came into force February 16th, 2005. "The Kyoto Protocol is a legally binding agreement under which industrialized countries will reduce their collective emissions of greenhouse gases by 5.2% compared to the year 1990.” (België : -7,5 %)
Energie-beleid Europa Doel: g gebruik van fossiele brandstoffen afbouwen en zoeken naar duurzame en veilige energie -> op deze manier de CO2 – uitstoot verminderen Doelstelling voor 2020 : ¾ 20% % energieverbruik g in Europa p = hernieuwbare energie ¾ 13% energieverbruik in België = hernieuwbare energie (2 (2.2% 2% in 2005)
Hernieuwbare energie België vs Europa
Zonne-energie
Zonne-spectrum ‘Zwarte straling’ λp T = 2,9.10-3 m.K
T = 2500°C T = 5700 5700°C C 550 nm
Zonne-spectrum Binnen atmosfeer aarde
Zonne-spectrum Binnen atmosfeer aarde
Gates et al.: spectral properties of plants
Zonne-spectrum
10 micron
Fotovoltaïsche energie (PV) Fotovoltaïsche zonne-energie = Omzetting g van licht-energie g in elektriciteit
Absorptie
van licht (foton) Creatie van elektron-gat elektron gat paren (resp. (resp negatieve en positieve lading) Scheiding van gaten (+) en elektronen (-) Ladingstransport doorheen materiaal door diffusie of drift Via elektrodes elektrodes, elektrische stroom (energie) naar elektrische toepassing
Fotovoltaïsche energie (PV) Fotovoltaïsche zonne-energie = Omzetting g van licht-energie g in elektriciteit
Si : Eg = 1.1 eV ; 99% PV markt Efficiëntie commerciële Si-zonnecel : 10-15% (> efficiëntie fotosynthese) Piekvermogen zonlicht : 1000 W/m2 => 100 W – 150 W elektrisch vermogen / m2 Energie-conversie g & lichtdetectoren
De zon is een oplossing
www.3E.be
PV is een oplossing
California: 1m²=1 vat/jaar at/jaar België: 2m²
1.5% van Europa = globale lobale elektriciteitsvraag elektriciteits raa (η=12%)
PV is een oplossing Zonne-energie : hoogste energie-opbrengst per hectare
Maar… Hoogste kostprijs! =>voor TW-uitdaging lagere kostprijs PV
PV-kosten: leercurve Kost van PV daalt met 20% bij verdubbeling van wereldwijd geaccumuleerd geproduceerd volume ; 2 drijfkrachten : ‘Scale learning’ ‘Technology learning’ : nieuwe (nano)technologie leidt tot versnelling leercurve Kost van PV gelijk aan energie-generatie energie generatie met fossiele brandstoffen bij een geproduceerd volume > 100 GW
Cost//Wp [$/W]
100
10
1
01 0.1 10
100
1000
10000
Accumulated production [MW]
100000
Nanotechnologie & PV Nanotechnologie Multidisciplinaire wetenschap op zeer kleine schaal (1 nanometer = 10-9 m)
Nanotechnologie & PV Nanotechnologie Multidisciplinaire wetenschap op zeer kleine schaal (1 nanometer = 10-9 m)
Nieuwe Materialen Niet-conventionele halfgeleiders : Halfgeleidende pol polymeren, meren oligomeren oligomeren, C60-derivaten, koolstof nanobuizen, metaaloxide nanodeeltjes,….
Nieuwe Concepten 3D nanogestructureerde heterojunctie zonnecellen
PV generaties
1e generatie PV : silicium wafer-gebaseerde technologie
2e generatie PV : dunne films op ander substraat, substraat vb. polykristallijn silicium op glas 3e generatie PV : dunne-film energie-conversie
Organische zonnecellen Hybride y zonnecellen …
Nanotechnologie g
Organische halfgeleiders Geconjugeerde polymeren
Nobel Chemie 2000
Plastic Elektronica-laboratorium IMO MBraun glovebox: N2 atmosphere
Class A solar simulator
Wafer probe
Organische zonnecellen
Dikte : 100 nm => 1000X dunner dan Si
Organische zonnecellen
Dikte : 100 nm => 1000X dunner dan Si
Werkingsprincipe
Donor materiaal
Licht absorptie (1)
e.g. g MDMO-PPV
Exciton formatie (2)
Acceptor materiaal e.g. PCBM
Exciton diffusie (3)
hν
39
Werkingsprincipe
Donor materiaal
Licht absorptie (1)
e.g. g MDMO-PPV
Exciton formatie (2)
Acceptor materiaal e.g. PCBM
Exciton diffusie (3) Ladingsscheiding di h idi (4) ( )
+
40
Werkingsprincipe
Donor materiaal e.g. g MDMO-PPV Acceptor materiaal e.g. PCBM
Light absorption (1) Exciton formation (2) Exciton diffusion (3) Ladingsscheiding di h idi (4) ( ) Ladingstransport (5) Ladingscollectie (6)
+
41
Werkingsprincipe
42
Materiaalstudie op nanoschaal Analytische technieken voor studie van morfologie (TEM, SEM, EBSD, EBIC, XRD, SPM, NMR,..) P3HT:PCBM
Nanoschaal elektrische metingen
PEO-PPV:PCBM
Elektro-optische eigenschappen •Goris et al. APL 2006 •Benson-Smith et al. AFM 2007
High sensitive spectroscopy (FTPS)
E
MDMO-PPV
CT MDMO-PPV PCBM
PCBM
Highly sensitive EQE measurements
Stabiliteit/Levensduur
45
PV generaties
1e generatie PV : silicium wafer-gebaseerde technologie
2e generatie PV : dunne films op ander substraat, substraat vb. polykristallijn silicium op glas 3e generatie PV : dunne-film energie-conversie
Organische zonnecellen Hybride y zonnecellen …
Nanotechnologie g
Grätzel-, kleurstof-zonnecel, DSCC
Artificiële fotosynthese
ITO <10Ω/sq
Nanocrystalline TiO2 Film : 10-20 μm Deeltjes : 10-30 nm
Grätzel-, kleurstof-zonnecel, DSCC
Grätzel-, kleurstof-zonnecel, DSCC
5 0
PV-zonnebril
5 2
‘Hybride’ zonnecel
Polymeer:metaaloxide y PV: ‘combinatie v/h beste van 2 werelden’ ‘GROENE’ Hybride zonnecellen’: ‘Water als solvent !’ ZnO-nanostaafjes – L.Baeten (UHasselt), 2008
PV generaties
7.9 %
Organische zonnecellen : Roadmap
1.8 AM 1.5 MDMO-PPV c-Si
1.4 1.2
100000
10000
-2
-1
Irrad diance (W.m .nm )
1.6
1.0 1000
-1
0.6 0.4 100
0.2 0.0 -0.2 200
α (cm )
0.8
10 400
600
800
1000 1200 1400
λ (nm)
Organische zonnecellen : Voordelen & toekomst Lage kost & grote oppervlakken (outdoor) Laag gewicht : o.a. mobiele toepassingen plastic l ti substraten b t t < 1 micron totale dikte van device
Breed toepassingsgebied Werkt ook onder lage lichtintensiteit (vb. indoor) Minder afhankelijk van invalshoek licht
Eenvoudige preparatie lage T opdamping of printing (vb Inktjet (vb. Inktjet, Spray Spray-coating) coating)
Organische zonnecellen : Voordelen & toekomst Esthetisch Design vrijheid Semi-transparent p ((vb. Architectuur)) Flexibel (vb. integratie in textiel)
Organische zonnecellen : Voordelen & toekomst Esthetisch Design vrijheid Semi-transparent p ((vb. Architectuur)) Flexibel (vb. integratie in textiel)
PV : een snelgroeiende markt World PV Growth (1999-2007) 6000
90%
67%
69% 70%
5000 45%
[Mwp/y]
4000
42%
40%
40%
50%
40%
34%
30% 30%
3000 10% 2000
Solar Cell Production
-10%
Yearly Growth rate 1000
0
-30%
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Solar Cell Production
202 0 202.0
287 0 287.0
401 0 401.0
560 0 560.0
750
1256
1815 0 1815.0
2536 0 2536.0
4279 0 4279.0
Yearly Growth rate
30%
42%
40%
40%
34%
67%
45%
40%
69%
-50%
Grrowth Rate
Source: Photon International
PV schept economische kansen Source: The McKinsey Quarterly, the economics of solar power, june 2008
PV : een zonnige toekomst
Join us towards an intelligent and sustainable future
