UHasselt@school Zonne-energie vangen met plastics: Polymeren voor een nieuwe generatie fotovoltaïsche cellen
[email protected]
De energieproblematiek! - Energie voor toekomstige generaties - Energie en klimaat - Mogelijke alternatieven: Zonne-energie
Energie voor toekomstige generaties
Energieverbruik Wereldwijd
Tegen 2050: verdubbeling van de vraag naar energie Vooral in de ontwikkelingslanden -> oorzaken: stijging wereldbevolking + stijging BBP
http://ec.europa.eu/research/energy/print.cfm?file=/comm/research/energy/gp/gp_imp/article_1082_en.htm
Energieverbruik
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
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
76%
Evolutie fossiele brandstoffen Wereldwijd : totale capaciteit = 13-15 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 Biomass
0,286 PV
Nuclear
Evolutie fossiele brandstoffen Voorraden:
Aardolie: 40 jaar Aardgas: 70 jaar Kolen: 200 jaar
http://www-fusion-magnetique.cea.fr
Fossil fuel supply assessment Gas supply peeked at the end of 20th century Coal is relatively abundant but carbon-intensity is larger
40 years looks like a long time but this is the typical timescale for “energy transitions”
“The decisions of today determine the energy landscape in 20-30 years from now”
If it were only a supply problem… Data from Vostok Ice Core
Global average surface temp. + 0.6oC Snow cover and ice extent decreased IPCC, Third Assessment Report, 2001
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 dan 100 jaar geleden)
450 ppm: onherstelbare schade van koraalriffen 550 ppm: smelten van West Antarctica ijsbanken Hoffert, University of New York:
Koolstof-neutrale oplossingen:
Nucleair: niet duurzaam Hernieuwbare energie : • wind, biomassa, zon
Duurzaamheid
26 jaar 21 jaar
x3 x 0,4 x 0,3 x 0.8 x 0,2
PV is een oplossing
California: 1m²=1 vat/jaar België: 2m²
1.5% van Europa = globale elektriciteitsvraag (h=12%)
PV is een oplossing Zonne-energie : hoogste energie-opbrengst per hectare
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 met fossiele brandstoffen bij een geproduceerd volume > 100 GW
Cost/Wp [$/W]
100
10
1
0.1 10
100
1000
10000
Accumulated production [MW]
100000
Photovoltaic generations 1st generation PV : silicon wafer-based technology 2nd generation PV : thin films supported on a foreign substrate, e.g. polycrystalline silicon film on glass
3rd generation PV : thin-film energy conversion
Nanotechnology …
Nanotechnologie & PV Nanotechnologie Multidisciplinaire wetenschap op zeer kleine schaal (1 nanometer = 10-9 m)
Nieuwe Materialen Niet-conventionele halfgeleiders : Halfgeleidende polymeren, 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, vb. polykristallijn silicium op glas 3e generatie PV : dunne-film energie-conversie
Organische zonnecellen Hybride zonnecellen …
Nanotechnologie
Organische halfgeleiders Geconjugeerde polymeren
Nobel Chemie 2000
Elektrische halfgeleiders
n
n
Poly(acetylene)
Poly(p-phenylene)
n
Poly(p-phenylene vinylene)
S
n
Poly(thiophene)
Geconjugeerde polymeren
Geconjugeerde polymeren
nx Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
n
nx
n
Cl
Nobel Prize in Chemistry 2000
Hideki Shirakawa University of Tsukuba
Alan Heeger University of California at Santa Barbara
1977
Alan MacDiarmid University of Pennsylvania
“For the Discovery and Development of Conductive Polymers”
Conductivity in Polymers
= 10-14 S.cm-1 Insulator
E Semi - conductor
= 10-5 S.cm-1
Oxidans
E
Conductor
= 103 S.cm-1
Metal = 106 S.cm-1
Conductive Polymers BACKGROUND ANTI-STATICS SO H
O
3
H O
O
O
+
+ S
O O
O O
S
S
S
S
H
Na2S2 O8
+ S
O O
O O
(Fe2 (SO4 )3 ) y
SO3 H
SO3 -
SO3 H
SO3 -
SO3 H
H2O
"EDOT"
"PEDOT/PSSA"
ORGACONTM A result of a combination of IP of Bayer and Agfa (1992) Over 200 million m² /Y coated films
Polymere Halfgeleiders O
n
S
n
O
Poly(Hexyl Thiophene) (PHT)
OC1C10-PPV
H17C8
C8H17
n
Poly(DiOctyl-Fluorene) (PDOF)
Organische Elektronica 1990
Polymer LED
Organische Elektronica Source Philips 1990
Text
Video
Full color PolyLED TV prototype Philips 2004
- 576 x 324 resolution - 13 inch diagonal
Organische Elektronica
Sony XEL-1 OLED TV 11 inch
Sony, Samsung, LG 55 inches 140 cm
Printed Electronics
Plastic Solar Cell
Organische Elektronica
Organische zonnecellen
Dikte : 100 nm => 1000X dunner dan Si
Organische zonnecellen
Dikte : 100 nm => 1000X dunner dan Si
Organische zonnecellen
Dikte : 100 nm => 1000X dunner dan Si
Werkingsprincipe Donor materiaal e.g. MDMO-PPV
Licht absorptie (1)
Acceptor materiaal
Exciton formatie (2)
e.g. PCBM
Exciton diffusie (3)
hn
42
Werkingsprincipe Donor materiaal e.g. MDMO-PPV
Licht absorptie (1)
Acceptor materiaal
Exciton formatie (2)
e.g. PCBM
Exciton diffusie (3)
Ladingsscheiding (4)
+
43
Werkingsprincipe Donor materiaal e.g. MDMO-PPV Acceptor materiaal e.g. PCBM
Light absorption (1) Exciton formation (2) Exciton diffusion (3)
Ladingsscheiding (4) Ladingstransport (5) Ladingscollectie (6)
+ 44
5%
5.2 – 5.8 %
2011=>9.2 %
5.4 %
6 – 6.5 %
7.4 %
PV generaties
Organische zonnecellen : Voordelen & toekomst Lage kost & grote oppervlakken (outdoor) Laag gewicht : o.a. mobiele toepassingen plastic substraten < 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, Spray-coating)
Organic based solar cells: Challenges Reel-to-reel production Barrier Substrate with structured ITO Cleaning
Pedot Application Semiconductor Application Metallization Riso Solar Cell production facility Encapsulation with Adhesive
Konarka
Organische zonnecellen : Voordelen & toekomst Esthetisch Design vrijheid Semi-transparent (vb. Architectuur) Flexibel (vb. integratie in textiel)
Conclusies Energieprobleem aanpakken met zonne-energie Zowel PV als thermische zonne-energie nieuwe technologieën => goedkope PV
Nieuwe materialen Nieuwe verwerkingstechnieken => Politieke verantwoordelijkheid om echt in te zetten op research voor nieuwe energietechnologieën
towards an intelligent and sustainable future
Organische zonnecellen : Voordelen & toekomst Esthetisch Design vrijheid Semi-transparent (vb. Architectuur) Flexibel (vb. integratie in textiel)
Hoe deze uitdaging aangaan? Interdisciplinaire benadering absoluut nodig!
Moleculaire Chemisten Structuur
Zonnecel Ingenieurs Eigenschappen
Light absorption (1) Exciton formation (2) Exciton diffusion (3)
Charge separation (4)
Morfologie Fysici actieve laag
Charge transport (5) Charge collection (6)
PV : een zonnige toekomst
