Polymere zonnecellen
René Janssen Alumnidag 2012 Eindhoven, 21 april 2012
Hèt probleem van de 21e eeuw: Energie 2010
6.5 Miljard mensen gebruiken ~12 TW ~ 2 kW/persoon
2050 8-10 Miljard mensen gebruiken 20 TW
Alleen zonne-energie kan 20 TW leveren Zon Wind Biomassa Hydro-elektrisch Getijde/Oceaan Geothermisch
Bronnen:
100000 TW aan aardoppervlak 10000 TW technische waarde 14 TW 6 TW 1 TW 1 TW 2 TW
Arthur Nozik, NREL Eicke Weber, Fraunhofer Instituut
Omzetting van zonne-energie Licht hoge temperatuur elektriciteit Centrale ontvanger
Licht elektriciteit
Parabolische collector
Fotovoltaïsche conversie (PV)
Gebaseerd First generation op Si wafers
Licht brandstof
Geconcentreerd zonlicht
Dunne films Secondgeneration
Third generation Nieuwe concepten
Biomassa - artificiële fotosynthese – solar fuels
Inleiding fotovoltaïsche effecten
De Franse natuurkundige Edmond B Becquerel l heeft h ft voor het h t eerstt het h t fotovoltaïsch (PV) effect gevonden in 1839, maar het bleef een curiositeit in de wetenschap p tot in de 20e eeuw. Op een leeftijd van 19 jaar vond Becquerel dat bepaalde materialen kleine hoeveelheden stroom konden leveren als ze aan licht werden blootgesteld.
1820-1891
Chapin, Fuller & Pearson 1954: 6% p-n junctie Journal of Applied pp Physics y Vol. 25 (May 1954) pp. 676–77
Halfgeleiders: silicium Si: 4 valentie-elektronen In een halfgeleider g zijn j de valentie-elektronen zwak gebonden. Enige elektrische geleiding
Geleidingsband
Band afstand (1.1 ev)
E Energie i Licht e-
Valentieband
Silicium (p-n junctie) zonnecel Zonnecellen zetten zonlicht direct om in elektrische stroom
Energieconversie rendement Standaardcondities: 1000 W/m2 lichtintensiteit en AM1.5G spectrum
Jsc = Voc= FF = Pin =
kortsluitstroom openklemspanning vulfactor lichtintensiteit
Vmax J mac FF Voc Jsc
Pmax Voc Jsc FF Pin Pin
Wereldproductie aan PV modules 8000
Estimates for 2008
Rest of World
7000
United States Taiwan
PV Pro oduction [MW W]
6000
PR China Europe Japan
5000
4000
3000
2000
1000
0 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2008
Bron: A.Jager-Waldau, 2009
Zonnecellen: rendementen en kosten Kristallijne materialen € € € € € €
40 35 30 25 20
Dunne film materialen € € €
34
O Organische i h materialen t i l € 28
neemt toe
25 20
19 17
15 10
10
11
10
5 Status van 2011
0
3J GaAs c-Si mc-Si CIGS CdTe a-Si dye organisch
Ultieme zonnecel
Hoog rendement
Lange levensduur
Lage kosten
Kunnen we 20 TW bereiken in 2050? Benodigd vermogen: 20 TW Benodigde oppervlakte: ~500,000 km2 (equivalent aan Spanje) Hoe kunnen we deze oppervlakte pp maken in 30 jjaar? Nodig een strook van 365 km bij 100 m elke dag, 30 jaar lang. De (enige?) oplossing drukken van zonnecellen.
Bron: Konarka
Drukken van zonnecellen
Konarka Technologies, Inc. Lowell, USA
R2R slot-die coaten van polymere zonnecellen
Met dank aan : Frederik Krebs, Riso Denmark, 2010
en op grotere schaal …. 1 GW/jaar (nominaal)
Meer dan 20 km2 / jjaar drukken 30 cm / sec Aanname 10% efficiency (12 uur/dag) leidt tot 1 GW/jaar Konarka Technologies, Inc., New Bedford, USA
Menu
Principes van organische / polymere zonnecellen Elektronoverdracht Bulkheterojuncties Wat maakt een zonnecel efficiënt? Absorptie Kwantumrendement Energierendement Nieuwe polymeren Kleine bandafstand materialen Tandemcellen Hogere rendementen
Fotosynthese Hoe kolen, olie, aardgas en biomassa vandaag gemaakt worden! 6 CO2 + 6 H2O
light g
licht
chlorophyl
elektron quinon
Maar met een laag <0.5% energierendement
C6H12O6 + 6 O2
Bulkheterojunctie polymere zonnecellen
licht elektronoverdracht substraat ttransparante t elektrode l kt d -
absorptie
+
-
100 nm metaalelektrode
donor
acceptor
Gebruiken een blend van twee polymere halfgeleiders om zonlicht om te zetten in elektriciteit
P3HT:PCBM zonnecellen C6H13
P3HT
n
S
O O
PCBM
Isc = 8.7 mA/cm2 Voc = 0.58 V FF = 0.55 Pavel Schilinsky, Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 3885 Franz Padinger, Adv. Funct. Mater 2003, 13, 85
e = 2.8%.
Me
Een kijkje in de actieve laag
Svetlana van Bavel Nano Lett., 2009, 9 , 507-513
Werking en morfologie
• Goede excitondissociatie • Hoge H geminale i l recombinatie bi ti • Matig ladingstransport = polymeer
• Matige excitondissociatie • Minder Mi d geminale i l recombinatie bi ti • Goed ladingstransport
= fullereenderivaat
Wat maakt een zonnecel efficiënt?
1. Absorptierendement p 2. Kwantumrendement 3. Energierendement
Stroom x
=
S Spanning i
b t betere materialen t i l &b betere t cellen ll begrip krijgen van de werking om limiterende factoren weg te nemen
Vermogen
1. Absorptierendement hoge absorptiecoëfficiënt
1.6
optische bandafstand – zonlichtspectrum
Power (W/m m² nm)
1.4 1.2
lichtmanagement
10 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 00 0.0 400
800
1200
1600
W avelength (nm)
4 3
2
1 Energy (eV)
2000
2400
2. Kwantumrendement
-
+
-
+
-
+
We begrijpen nog niet goed waarom + en – ladingen uitelkaar gaan (de cellen doen het misschien wel beter dan verwacht)
3. Energierendement thermisch verval Aangeslagen toetsand Geladen toetstand
Egap ECT
0.1 eV 0.5 eV
Openklemspanning
Tenminste 0.6 eV verlies van Egap naar eVoc
eVoc
We e mogen oge hopen ope op ~11% %
Rendem ment (%)
10
5
EQE = 65% FF = 0.65
Grondtoestand 0
2.0
1.5 Bandafstand (eV)
1.0
Ontwerp van nieuwe materialen Meer licht absorberen en minder energieverliezen bij de conversie
Verlies van spanning
Verlies van elektronoverdracht
elektron overdracht
spanning
spanning
spanning
donor
acceptor
donor
acceptor
donor
acceptor
Zonnecel polymeren: recente resulaten H21C10
N
C10H21
S
N N S
S
S
PFTBT, Eg = 1.90 eV, 4.2%
S
Si
N S
S
PCPDTBT, Eg = 1.46 eV, 5.5%
N
N
S
S
S
S
PSBTBT, Eg = 1.47 eV, 5.2%
S S
N O
C12H25
O
O O
PBBTDPP2, Eg = 1.40 eV, 4.4% C8H17
N S
N
N
S
N
H17C8
S
O
O
H25C12
S
S
N
PDPP3T, Eg = 1.30 eV, 4.7%
H17C8 S
N
C8H17
S S
S
O
N S
S H17C8O
PCDTBT, Eg = 1.85 eV, 6.0%
S
S
OC8H17
HXS-1, Eg = 1.95 eV, 5.4%
PBDTTT-C, Eg = 1.61 eV, 6.6%
PDPPTPT:PCBM (1:2) zonnecellen: 5.5% O O
[60]PCBM 5
2
J [mA/cm ]
[60]PCBM [70]PCBM 0
-5
4.6% 5.5%
-10 -0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
V [V] Johan Bijleveld Adv. Mater. 2010, 22, E242–E246.
Extern kwa antumrendem ment (%)
[70]PCBM 50 40 30 20 10
[60]PCBM [70]PCBM
0 400
500
600
700
800
Golflengte (nm)
900 1000
Principe van een tandem zonnecel Hoger rendement door ruimtelijke splitsing van hoog- en laagenergetische fotonen: Minder thermische verliezen.
Energieverlies Energieverlies Eg
Grote bandafstand
Eg
Kleine bandafstand
Enkele vs. tandem juncties
Aluminium Kleine bandafstand PEDOT:PSS Aluminium
Zinc oxide
Normale bandafstand
Grote bandafstand
PEDOT:PSS
PEDOT:PSS
Indium tin oxide
Indium tin oxide
Glas
Glas
11.0% % Aannames Voc = Eg -0.6 06V FF = 65% EQE = 65%
15.0% %
Materiaalcombinaties voor tandemcellen Eg = 1.88eV
N
S
Eg = 1.46eV C6H13
N C8H17
S
S
N
C8H17 C8H17
O
C12H25
N
S S
PCDTBT
S S
N
S C12H25
O C8H17
O
PDPP5T
C6H13
O
O O
[70]PCBM
n
[60]PCBM
TEM doorsnede van een tandemcel Al Lage bandafstand PEDOT Z O ZnO Hoge bandafstand PEDOT ITO
Glass Joachim Loos
Grote bandafstand optimalisatie: <6%
2
S Stroomdichth heid (mA/cm m)
N
S
N C8H17
0 S
S
C8H17
N
210 nm 80 nm
-4
O
-8 O
-12
-0.5
0.0
0.5
1.0
Spanning (V)
dikte
Jsc (mA/cm2)
Voc (V)
FF
η (%)
210 nm
12.3
0.90
0.52
5.8
80 nm
9.4
0.90
0.66
5.6
2
S Stroomdicht theid (mA/c cm )
Kleine bandafstand optimalisatie: >5% 0 -4
ODCB in CHCl3 0% 5% 10% 15%
-8 -12 -16 -0.3
0.0
0.3
0.6
0.9
Spanning (V)
ODCB
Jsc
Voc
FF
η (%)
0%
2.87
0.624
0.542
0.99
5%
13.60
0.571
0.617
5.28
10%
13.82
0.563
0.633
5.43
20%
13.97
0.560
0.517
5.31
Tandem voorspelling: >7%
e
Laagdikte 1 c cel (nm)
220 200 180
7 12 % 7.12
160 140 120 100
e
2
240
2
Stroomdichth heid (mA/cm )
7.12 6.87 6.62 6.37 6.12 5.87 5.62 5.37 5.12 4.87 4.62 4.37 4 12 4.12 3.87 3.62 3.37 3.12
0 -2
60
80
100
120
140
160
180
200
e
Laagdikte 2 cel (nm)
Grote bandafstand laagdikte: 170 nm Kleine bandafstand laagdikte: 120 nm
e
2 cel
-4 4
e
1 cel
tandem
-6 -8 -10 -0.5
80
1 cel e 2 cel tandem
0.0
0.5
Spanning (V)
1.0
1.5
Tandem cel werkend: >7%
0
Exttern kwantum mrendement (%)
2
Stroomdichth S heid (mA/cm m)
2
Experiment p Voorspelling
-2 -4 -6 -8 10 -10 -0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
70 60 50 40 30 20 10 0 400
500
Spanning (V)
600
700
800
900
1000
Golflengte (nm)
Jsc
Voc
FF
η (%)
Experiment
9.04
1.44
0.54
7.04
Voorspelling
8 14 8.14
1 47 1.47
0 59 0.59
7 12 7.12
Veronique Gevaerts, Alice Furlan , Adv. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adma.201104939
Levensduurtesten
Jens Hauch et al. Solar Energy Materials & Solar Cells 92, 2008,727–731
Konarka, Lowell, MA
Levensduur
San Francisco's bushokje
Mei 2009
Verschil tussen aanbod en vraag
Opslag is deel van de 20 TW uitdaging
Conclusies
Hernieuwbare energie is een noodzaak Polymere zonnecellen kunnen een optie zijn omdat ze snel gemaakt kunnen worden tegen lage kosten Rendementen van ~11% lijken zeker haalbaar maar blijven vooralsnog een uitdaging Nieuwe slimme celontwerpen kunnen rendement verhogen tot ~15%
