Zonnecellen van Organische Multijuncties met hoog EnergieRendement (ZOMER)

Transcriptie

1 Resultaten en bevindingen van project Zonnecellen van rganische Multijuncties met hoog EnergieRendement (ZMER) 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 nderzoek Subsidie (ES) en Innovatie Agenda Energie (IAE). Datum December 2010 Status Definitief Rijksuniversiteit Groningen e.a. in opdracht van Agentschap NL

2

3 Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon Zonnecellen van rganische Multi-juncties met hoog EnergieRendement (ZMER) Energie nderzoek Subsidie Lange Termijn LT03026 Rijksuniversiteit Groningen Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.

4 Eindverslag Zonnecellen van rganische Multi-juncties met hoog EnergieRendement ZMER December 2010 Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken Regeling ES: Lange Termijn uitgevoerd door Agentschap NL

5 Inhoudsopgave 1. Gegevens Projectnummer Projecttitel Penvoerder en medeaanvragers Projectperiode 2 2. Inhoudelijk eindrapport Samenvatting Inleiding Doelstelling Werkwijze Resultaten Discussie en conclusie Uitvoering van het project De problemen (technische en organisatorisch) die zich tijdens het project hebben voorgedaan Toelichting op wijzigingen ten opzichte van het projectplan Toelichting op de verschillen tussen de begroting en werkelijk gemaakte kosten Bijdrage aan de ES: Lange Termijn doelstellingen 4.1 Bijdrage aan een duurzame energiehuishouding 27 a De bijdrage van dit project aan de doelstellingen van het desbetreffende onderzoeksthema (peerpunt/kennisimportthema) 27 b Bijdrage aan een technologische doorbraak en innovatie 28 in een internationaal perspectief c De strategische visie op het implementatietraject 28 van de onderzoeksresultaten en de verwachtingen over toekomstige voortzetting van de onderzoekslijn 4.2 De versterking van de kennispositie van Nederland. 29 a De bijdragen aan de versterking van kennis, kunde of 29 onderzoeksfaciliteiten in Nederland b De verspreiding en benutting van de in het project opgedane 30 kennis, kunde en voorwaarden waaronder dit gebeurt. 5. Wetenschappelijke publicaties en lezingen Lijst van wetenschappelijke publicaties Lijst van lezingen op conferenties en bijeenkomsten Colofon 37 1

6 1 Gegevens 1.1 Projectnummer ESLT Projecttitel Zonnecellen van rganische Multi-juncties met hoog EnergieRendement (ZMER) 1.3 Penvoerder en medeaanvragers Penvoerder: Rijksuniversiteit Groningen Contactpersoon: prof.dr.ir. P.W.M. Blom Telefoon: Medeaanvrager: Technische Universiteit Eindhoven Contactpersoon: prof.dr.ir. R.A.J. Janssen Telefoon: Medeaanvrager: ECN Contactpersoon: dr. J.M. Kroon Telefoon: Projectperiode tot

7 2 Inhoudelijk eindrapport 2.1 Samenvatting Het ZMER project is een samenwerking van de Rijksuniversiteit Groningen, de Technische Universiteit Eindhoven en het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN). Doel van ZMER was het ontwikkelen van multi-junctie polymere zonnecellen met een energieconversie rendement van 8%. m deze doelstellingen te realiseren werden in het project nieuwe materialen en nieuwe zonnecelconcepten ontwikkeld, die hebben geleid tot een verbetering van de efficiëntie van polymere zonnecellen. Een belangrijke randvoorwaarde voor de fabricage van polymere multi-junctie zonnecellen is dat de gebruikte depositietechnieken eenvoudig en goedkoop op grote oppervlakken aan te brengen zijn, zodat de productiekosten van deze polymere zonnecellen laag blijven. Een belangrijke doorbraak is dat in het ZMER project er voor het eerst multijunctie polymere zonnecellen zijn gerealiseerd waarbij alle lagen middels depositie vanuit vloeistoffen zijn aangebracht. Dit betekent dat naast de actieve lagen ook de elektroden, de beschermende tussenlaag of recombinatielaag, als ook de lichtverstrooiende lagen allen door nat-chemische depositie zijn aangebracht. Deze doorbraak vormt de basis voor een nieuwe fotovoltaïsche technologie, waardoor de grootschalige introductie van duurzame energieopwekking op basis van zonne-energie een stap dichterbij komt. m de efficiëntie van de multi-junctie cellen te verhogen zijn er verder een aantal belangrijke stappen gezet: er is een nieuwe klasse van lagebandafstand polymeren ontwikkeld waarvan de absorptie complementair is met de bestaande (hoge-bandafstand) polymeren. Individueel geven cellen van dit nieuwe polymeer rendementen van ongeveer 4%. Verder is er een geïntegreerd optischelektrisch model voor organische multi-junctie cellen ontwikkeld, waarmee cellen doorgerekend kunnen worden en materiaalkeuze geoptimaliseerd. Naast inzicht en besparing van veel tijdrovende optimalisatie experimenten, met betrekking tot currentmatching door balanceren van ladingsgeneratie en transport, gaven deze modellen ook aan wat de theoretische limiet voor polymere multi-junctie cellen is, namelijk 14-15%. In het project ZMER is een hoogste rendement van 6.3 % behaald voor een tandem device d.m.v. natchemische depositie. Bovendien is het rendement hoger dan het maximale rendement van de individuele subcellen waarmee de potentie van de tandemstructuur is aangetoond. Er is aangetoond dat dit concept technisch realiseerbaar is op een celoppervlak van ~1 cm 2, en daarbij een significant voordeel kan opleveren in termen van rendement ten opzichte van single-junctie concepten. In internationaal opzicht had dit onderzoek het allerhoogste aanzien en heeft het wereldwijd de grootste aandacht getrokken getuige het grote aantal publicaties in toonaangevende tijdschriften en presentaties op belangrijke wetenschappelijke conferenties. Zo is het artikel over de volledig natchemische depositie inmiddels al 80 keer geciteerd. De technologiën die in het ZMER project zijn ontwikkeld worden verder opgeschaald door Holst Centre en ECN in een gezamenlijk onderzoeksprogramma. 2.2 Inleiding De huidige wereldmarkt voor fotovoltaïsche energieconversie (PV) wordt gedomineerd door kristallijn silicium met een marktaandeel van circa 90 %. De prijs van een standaard PV silicium module is momenteel circa 3 /Wp waarmee de geleverde zonnestroom duur is in vergelijking met elektriciteit uit het net. De verwachting is dat de prijs van zonnestroom op basis van kristallijn silicium de komende jaar verder 3

8 zal dalen door schaalvergroting en automatisering. Dunne film zonnecellen hebben de potentie om op langere termijn de prijsdaling verder door te zetten naar moduleprijzen van <0.5 /Wp. De laatste 10 jaar is er een sterke ontwikkeling van nieuwe PV concepten die streven naar zeer lage kosten, zeer hoge rendementen of een combinatie daarvan. rganische PV is een dergelijke ontwikkeling en wordt internationaal beschouwd als een uiterst veelbelovende "high risk, high potential" technologie door het perspectief van zeer lage kosten bij goede rendementen. Een aantal zeer aantrekkelijke aspecten van organische PV is: Unieke mogelijkheden voor design-to-desire van materialen. High-throughput fabricage bij lage temperatuur op een veelheid aan ondergronden. Eenvoudige integratie in een veelheid van devices. Gebaseerd op koolstof en daarom mogelijkheden voor uitstekend milieuprofiel. Verscheidene concepten op basis van organische materialen zijn op dit moment in onderzoek zoals de kleurstofzonnecel, en zonnecellen op basis van kleine organische moleculen en geleidende polymeren. Dit onderzoeksproject was gericht op de polymere zonnecel die bij uitstek geschikt is voor snelle en goedkope productiemethoden. Probleemstelling en doelstelling in relatie tot het gekozen onderzoeksprogramma De wereldwijde aandacht voor de polymere zonnecel heeft geleid tot een aanzienlijke toename van het energieconversie-rendement van minder dan 1% in 2000 tot 4-5% in 2005 en veelbelovende stabiliteiten. Wetenschappelijk en technologisch onderzoek in Nederland heeft significant bijgedragen aan deze vooruitgang. Inmiddels komen de eerste industriële initiatieven tot ontwikkeling, die zich op de korte termijn vooral richten op toepassingen voor de consumentenmarkt waar de eisen ten aanzien van rendement en stabiliteit minder stringent zijn. Substantiële verbeteringen in rendement en stabiliteit zijn echter nodig voor de polymere zonnecel om op de langere termijn met voldoende impact een significante bijdrage te gaan leveren aan de energievoorziening op grotere schaal. 2.3 Doelstelling Bij aanvang van het project zijn de volgende doelstellingen geformuleerd: De efficiëntie van 4-5% van de huidige polymere zonnecellen met een typisch oppervlak van 1 cm 2 zal verdubbeld worden tot een rendement van 8% Nieuwe depositiemethodes voor gestapelde polymere lagen zullen ontwikkeld worden. Deze nieuwe technologie zal ook gebruikt kunnen worden voor de verdere ontwikkeling van andere polymere devices zoals lichtemitterende diodes, geheugens en transistors. Nieuwe lage bandafstand materialen en interfacelagen zullen beschikbaar komen. Nieuwe devicearchitecturen voor polymere multi-junctie cellen worden ontwikkeld. Een optisch model voor multi-junctie cellen komt beschikbaar en de rol van de verschillende interface lagen zal vastgesteld worden. Voor current-matching zal de generatie van ladingsdragers en het ladingstransport onderzocht zijn. 2.4 Werkwijze Inhoudelijke aanpak Voor de ontwikkeling van multi-junctie polymere zonnecellen is het nodig een aantal doorbraken te realiseren. Nieuwe polymeren met een lage bandafstand moesten ontwikkeld worden om aanzienlijk hogere fotostromen te genereren. Essentieel voor 4

9 efficiënte multi-junctie cellen is voorts het optimaliseren van fotostromen in de gestapelde cellen door het balanceren van lichtabsorptie. Hiertoe moesten optische modellen ontwikkeld worden die gekoppeld werden aan elektrische modellen om een integrale beschrijving te kunnen maken van de absorptie van licht en het genereren en transporteren van vrije ladingen. Deze modellen zijn noodzakelijk om de juiste materiaalcombinaties te kiezen en de laagdiktes van de opeenvolgende cellen te optimaliseren. Een belangrijk aandachtspunt in het onderzoek was de wijze waarop het seriecontact tussen de twee cellen wordt gemaakt. Essentieel daarbij is dat orthogonale depositiemethoden toegepast worden, waarbij voorafgaande lagen niet noemenswaardig beïnvloed worden door de volgende deposities. Bij het toepassen van vloeistofdepositie, is dit niet triviaal, maar door goede keuze van materialen in opeenvolgende lagen wel mogelijk. Projectorganisatie De werkzaamheden zullen worden uitgevoerd door een consortium bestaande uit de onderzoeksgroepen onder leiding van Prof. Paul Blom (Rijksuniversiteit Groningen en penvoerder), Prof. René Janssen (Technische Universiteit Eindhoven) en Dr. Jan Kroon (ECN Petten). De verschillende onderzoeksverantwoordelijkheden zijn toegelicht in hoofdstuk 5. Er zal intensief door de partners worden samengewerkt door gezamenlijke experimenten uit te voeren, materialen en onderzoekers uit te wisselen. De drie groepen zullen op regelmatige basis de projectvoortgang bespreken. Voor het project zal een internationale klankbordgroep geformeerd worden die het project begeleid. Fasering en taakverdeling Fase 1: t/m Taak 1: Realisatie van een polymere multi-junctie cel door verhoging van de fotostroom met een lage-bandafstand polymeer. Deze taak valt uiteen in een aantal deeltaken: 1. Synthese van nieuwe materialen 2. Elektrische karakterisatie van de nieuwe materialen 3. Elektrisch modelleren van cellen op basis van nieuwe materialen 4. Het optimaliseren van het fabricage proces van deze cellen Taak 2. Inventarisatie van toepasbaarheid depositietechnologieën voor fabricage van polymere multi-junctie cellen, met als deeltaken: 1. Gebruik van orthogonale oplosmiddelen 2. Het in-situ omzetten van precursor materialen 3. Het combineren van verschillende depositietechnieken Taak 3. Het ontwerpen van de devicearchitectuur, met als deeltaken: 1. pties voor geschikte recombinatielagen/middelelektrode onderzoeken 2. ptische en elektrische modellering voor tandemcellen ontwikkelen, dit dient ter ondersteuning van het ontwerp van de architectuur Fase 2: t/m : Taak 4. Het ontwikkelen van geschikte karakteriseringsmethoden voor organische multi-junctie devices, met als voornaamste activiteit: Het meten van een nauwkeurig AM1.5 rendement d.m.v. spectrale respons en I-V karakteristieken met een Klasse I zonsimulator voor een multi-junctie device). 5

10 Taak 5: Het inbouwen van transparante transport/exciton blocking lagen voor het afstemmen van elektrische en optische eigenschappen, met als deeltaken 1 Het deponeren van efficiënte transparante tunneljuncties (b.v. Zn) via - bijvoorbeeld- natchemische deposities of sputteren 2 Het onderzoeken van het effect van deze lagen op de lichtabsorptie en het ladingstransport Taak 6: Levensduurtesten Identificatie van kritische stress factoren zoals belichting en temperatuur; vergelijking met state-of-the-art enkellaagscellen Fase 7: Afronding: deeltaken Realisatie van een polymere tandemcel met 8% rendement Eindrapport voor SenterNovem en afronding proefschriften van betrokken promovendi 2.5 Resultaten Realisatie van een polymere multi-junctie cel door verhoging van de fotostroom met een lage-bandafstand polymeer Synthese van nieuwe materialen m een efficiënte tandemcel te maken moeten subcellen met grote en kleine bandafstand gecombineerd worden. Bij de aanvang van het project waren feitelijk geen efficiënte materialen met een kleine bandafstand bekend. In het kader van het project is poly[3,6-bis-(4'-dodecyl- [2,2']bithiophenyl-5-yl)-2,5-bis-(2-ethyl-hexyl)-2,5- dihydropyrrolo[3,4-] pyrrole-1,4-dione] (PBBTDPP2) ontwikkeld als polymeer met een kleine bandafstand. Dit nieuwe polymeer combineert elektronrijke quaterthiofeen segmenten met elektronarme diketopyrrolopyrrool eenheden om de bandafstand te verkleinen tot 1.4 ev. De synthese en zuivering van PBBTDPP2 leidt tot een polymeer met een hoog moleculair gewicht van g/mol. In chloroformoplossing wordt het absorptiespectrum van PBBTDPP2 gedomineerd door een absorptieband bij 650 nm, maar in de meeste andere oplosmiddelen heeft het materiaal een sterke neiging om te aggregeren wat leidt tot een significante verschuiving van het begin van de absorptieband van 720 nm (1.7 ev) to 860 nm (1.4 ev) en het verschijnen van vibrationele fijnstructuur. De sterke roodverschuiving is het gevolg van het ontstaan van geordende, mogelijk semikristallijne domeinen. Cyclische voltammetrie aan PBBTDPP2 laat zien dat dit materiaal reversibel geoxideerd en gereduceerd kan worden bij V and -1.4 V vs. ferroceen/ferricinium. De synthese van dit polymeer heeft binnen de TU/e geleid tot de verdere ontwikkeling van DPP polymeren met een lage bandafstand. In de figuur hieronder is een aantal van die polymeren afgebeeld. C 12 H 25 S S N N S PBBTDPP2 S C 12 H 25 n 6

11 N N n N N n N N S n PDPP-FPF PDPP-FFF PDPP-FTF S N N S n S N N S n S N N S S n PDPP-TPT PDPP-TFT PDPP-TTT Figuur 1: Voorbeelden van DPP polymeren voor organische zonnecellen die ieder een substantieel deel van het zonlicht spectrum kunnen absorberen en die een relatief smalle absorptie band geven, belangrijk voor multi-junctie cel configuraties Elektrische karakterisatie van de nieuwe materialen Voor optimale absorptie bestaat een tandemcel uit twee subcellen met complementaire bandafstanden. In de vorige paragraaf zijn de materialen met lage bandafstand beschreven. Als materiaal met hogere bandafstand is gekozen voor het polymeer poly[9,9-didecaanfluoreen-alt-(bis-thienyleen)benzothiadiazool] (PF10TBT). Polyfluoreen gebaseerde polymeren als PF10TBT zijn geschikte kandidaten voor de subcel met hogere bandafstand: Efficiënties van 4.2% zijn gerapporteerd voor cellen gemaakt van mengsels van PF10TBT en PCBM. Doordat de HM niveaus van PF10TBT vrij diep liggen (5.4 ev) wordt in deze cellen een open-klemspanning van 1 V bereikt. Verder ligt de LUM van PF10TBT (3.4 ev) lager dan andere polymeren, zoals P3HT (3.0 ev), zodat het energieverlies bij de elektrontransfer van PF10TBT naar PCBM beperkt blijft. Het blijkt echter dat de efficiëntie van PF10TBT:PCBM zonnecellen sterk afhangt van het moleculaire gewicht van PF10TBT. Een mogelijke oorzaak zou kunnen zijn dat het transport van gaten in het PF10TBT sterk afhankelijk is van het moleculaire gewicht. In de zonnecellen maken we gebruik van LiF/Al kathodes, die efficiënt elektronen uit het PCBM kunnen ontrekken. Echter, om het transport van de gaten in het PF10TBT:PCBM mengsel te onderzoeken maken we gebruik van selectieve contacten zoals Palladium die geen elektronen in het PCBM injecteren. De mobiliteit van de elektronen daarentegen kan rechtstreeks uit de donkerstroom van de zonnecellen worden gehaald, omdat de elektronen de stroom domineren. p die manier kan het gaten en elektronen transport afzonderlijk onderzocht worden. In Figuur 2 wordt de donkerstroom van de PF10TBT:PCBM zonnecellen gegeven, waarbij het moleculaire gewicht Mw van het PF10TBT is gevarieerd. Deze elektronen gedomineerde stroom is ruimteladingsbegrensd en kan beschreven worden door: J 2 9 V = ε 0ε r µ e, 3 8 L met µ e = 8 x 10-8 m 2 /Vs voor het lage Mw PF10TBT en µ e = 1 x 10-7 m 2 /Vs voor het hoge Mw polymeer. Zoals verwacht is de elektronenstroom in het PCBM vrijwel niet afhankelijk van het Mw van het polymeer. 7

12 Figuur 2: Elektronen gedomineerde donkerstroom van PF10TBT:PCBM zonnecellen. De fits (rode lijn) met de ruimteladingsbegrensde stroom geeft een elektronenmobiliteit van µ e = 8 x 10-8 m 2 /Vs voor het lage Mw PF10TBT en µ e = 1 x 10-7 m 2 /Vs voor het hoge MW polymeer. m het effect van het moleculaire gewicht op het gatentransport te onderzoeken zijn er teststructuren gemaakt met Pd topcontacten. Net als bij de zonnecellen is de gewichtverhouding tussen PF10TBT en PCBM 1 staat tot 4. In Figuur 3 is de stroomspanningskarakteristiek van deze teststructuren gegeven. Figuur 3: Stroom-spanningskarakteristiek van gaten stromen in PF10TBT:PCBM mengsels voor hoog- en laag moleculair gewicht PF10TBT. Voor beide Mw wordt een identieke gatenmobiliteit van 6 x 10-9 m 2 /Vs gevonden. Het blijkt dat de gatenstromen voor de PF10TBT met verschillend Mw met exact dezelfde gatenmobiliteit van 6 x 10-9 m 2 /Vs beschreven kunnen worden. Het blijkt dus dat het moleculaire gewicht van het PF10TBT niet van invloed is op het gatentransport in PF10TBT:PCBM zonnecellen. Een verslechtering van het gatentransport voor lagere Mw is daarom ook niet de juiste verklaring voor de lagere efficiënties die in deze zonnecellen worden behaald. Verder blijkt ook dat de elektronen- en gatenmobiliteit vrijwel aan elkaar gelijk zijn. Dit sluit ook uit dat de lagere efficiënties veroorzaakt worden door de opbouw van ruimtelading ten gevolge van ongebalanceerd transport, waarbij de langzaamste ladingsdrager ophoopt in de zonnecel en het elektrische veld verstoort. 8

13 Elektrisch modelleren van cellen op basis van nieuwe materialen In figuur 4 wordt de fotostroom van PF10TBT:PCBM cellen met hoog- (cirkels) en laag (vierkantjes) PF10TBT moleculair gewicht met elkaar vergeleken. Het blijkt dat de cel met het hogere Mw zowel een grotere kortsluitstroom als wel een hogere vulfactor heeft, en daardoor een hogere efficiëntie. Figuur 4: Fotostromen van PF10TBT:PCBM zonnecellen als functie van het moleculaire gewicht van PF10TBT. De inzet geeft de chemische structuur van PF10TBT weer. Controle van de optische eigenschappen van beide actieve lagen laat zien dat het verschil in kortsluitstroom niet veroorzaakt wordt door een verschil in absorptie. In Figuur 5 worden dezelfde fotostromen nog een keer getoond, maar nu als functie van het effectieve voltage over de zonnecel, welke een maat is voor het elektrische veld. Bij hoge spanningen in reverse zien we dat voor beide cellen de fotostroom verzadigt, dit geeft aan dat in dat geval alle ladingsdragers uit de zonnecel gecollecteerd worden. Figuur 5: Fotostroom als functie van de effectieve spanning over de zonnecel. Bij lage spanning zien we duidelijk dat de fotostroom van de lage Mw zonnecel sterker afhangt van de effectieve spanning dan de hoge Mw cel. Nadere bestudering laat zien dat de fotostroom van de lage Mw cel varieert met de wortel van de effectieve spanning. Dit betekent dat de fotostroom in de lage Mw cel wordt gelimiteerd door recombinatie van de gebonden elektron-gat paren in de cel. Hierdoor wordt het moeilijker om een gebonden elektron-gat paar uit elkaar te trekken, waardoor er minder vrije ladingsdragers worden gegenereerd en er dus minder fotostroom in de zonnecel loopt. De generatie G van vrije ladingsdragers wordt gegeven door G ( T, E) = Gmax P( T, E), 9

14 waarbij P de kans is dat een gebonden elektron-gat paar gescheiden wordt. Deze kans hangt van twee parameters af: de initiële afstand a tussen het elektron en het gat en de recombinatiesnelheid k f van het elektron-gat paar. Een fit met het nsager-braun model (lijnen) geeft a=2.2 nm en een recombinatiesnelheid k f van 2.1 x 10 6 s -1 in de lage Mw cel. De recombinatie in de hoge Mw cel is een orde van grootte langzamer. Tenslotte wordt met deze parameters de fotostroom van beide cellen gemodelleerd met een numeriek device model dat aan de RuG is ontwikkeld. Figuur 6 laat de experimentele en gemodelleerde fotostromen van de PF10TBT:PCBM cellen zien. Figuur 6: Experimentele (symbolen) en berekende (lijnen) fotostromen als functie van de aangelegde spanning over de PF10TBTzonnecellen met hoog en laag Mw. De overeenstemming tussen experiment en model is uitstekend. Uit de modellering kan dus geconcludeerd worden dat in de zonnecellen met laag Mw PF10TBT de recombinatie van gebonden elektron-gat paren verantwoordelijk is voor de lagere efficiëntie Het optimaliseren van het fabricage proces van deze cellen Efficiënte enkellaags zonnecellen zijn verkregen door het aanbrengen van een mengsel van PBBTDPP2 en [60]PCBM of [70]PCBM uit oplossing. Bij de depositie van de film uit chloroform is de verdamping zo snel dat PBBTDPP2 niet aggregeert of kristalliseert. De beperkte oplosbaarheid van PBBTDPP2 in DCB leidt tot de vorming van een gel die niet verwerkt kan worden. Dit probleem is opgelost door gebruik te maken van een polymeerdispersie. Deze kan verkregen worden door het polymeer eerst helemaal op te lossen in warme (150 ºC) DCB en daarna af te koelen in een ultrasoon bad. Dergelijke dispersies zijn wekenlang stabiel en kunnen direct gebruikt worden voor het aanbrengen van lagen met een hogere mate van ordening. Een tweede methode om gemengde semikristallijne films te deponeren is het gebruik van oplosmiddel mengsels, in dit geval chloroform:dcb (4:1). Zonnecellen werden gemaakt door een PBBTDPP2:fullereen film aan te brengen op een indium-tin-oxide glas substraat dat bedekt is met 60 nm van poly(3,4- ethylenedioxythiofeen):poly(styreensulfonaat) (PEDT:PSS). Lithium fluoride (1 nm) en aluminium (100 nm) zijn gebruikt als metaal elektrode. De beste cellen zijn verkregen bij een 1:2 PBBTDPP2:PCBM verhouding en een laagdikte van 100 tot 120 nm. J-V metingen zijn uitgevoerd onder AM1.5G (1000 W/m2) belichting. Cellen met PBBTDPP2:[60]PCBM geven een kortsluitstroom van 10.1 ma/cm 2, een vulfactor van 0.58, een open-klemspanning van 0.62 V en een rendement van 3.6%. 10

15 Ratio 1:2 J sc (ma/cm 2 ) FF V oc (V) η (%) 4 PBBTDPP2:[60]PCBM PBBTDPP2:[70]PCBM Current Density (ma/cm 2 ) Voltage (V) EQE wavelength (nm) Figuur 7: Stroom-spanningskarakteristiek en kwantumefficiëntie van de geoptimaliseerde PBBTDPP2:[60]PCBM (blauw) en PBBTDPP2:[70]PCBM (rood) zonnecellen. De performance parameters staan in de tabel boven de figuur. Na uitgebreide optimalisatie van de procesparameters voor PBBTDPP2:[60]PCBM cellen, zijn de optimale condities ook toegepast op cellen met [70]PCBM in plaats van [60]PCBM. Dit hogere fullereenderivaat heeft vergelijkbare elektronische eigenschappen als [60]PCBM, maar een veel hogere optische absorptie in het zichtbare gebied. Dit leidt tot een significant hogere kwantumefficiëntie voor golflengtes onder de 600 nm en een hogere kortsluitstroom van 11.5 ma/cm 2 onder AM1.5G condities. Gecombineerd met een vulfactor van 0.58 en een open-klemspanning van 0.61 V is het energieconversie-rendement 4.0% Inventarisatie van toepasbaarheid depositietechnologieën voor fabricage van polymere multi-junctie cellen Gebruik van orthogonale oplosmiddelen rthogonale oplosmiddelen kunnen gebruikt worden om polymere tandemzonnecellen te fabriceren waarbij alle lagen vanuit oplossing zijn aangebracht. plossingsgebaseerde productietechnieken, zoals drukken, zijn commercieel interessanter dan opdamp- of sputterstappen in vacuüm omdat deze technieken minder tijd- en energierovend zijn en uiteindelijk roll-to-roll productie met hoge snelheid mogelijk maken. De belangrijkste uitdaging daarbij is materialen te vinden met optimale optische en elektrische eigenschappen voor een efficiënte werking. Daarnaast dienen de materialen vanuit oplossing aangebracht te kunnen worden in dunne multilaagstructuren, zodanig dat de depositie van een nieuwe laag de onderliggende lagen niet nadelig beïnvloed. Als eerste stap naar polymere tandemzonnecellen is een transparante elektronentransporterende laag ontwikkeld die uit oplossing kan worden aangebracht. Het bleek dat voor dit doel een Zn laag gebruikt kan worden die gedeponeerd wordt in de vorm van nanodeeltjes vanuit aceton. Zn voldoet aan alle eisen voor een elektronentransporterende laag en aceton is een van de weinige oplosmiddelen die niet schadelijk is voor de onderliggende actieve laag. Tegelijkertijd leidt aceton tot een goede bevochtiging en daarmee tot een dunne, gesloten en transparante laag. Het gebruik van een Zn-laag tussen de actieve laag en de reflecterende elektrode leidde tot werkende zonnecellen voor actieve lagen die bestonden uit diverse polymeren gemengd met een fullereenderivaat. Het gebruik van een dunne Zn-laag leidde zelfs tot een verbetering in stroomdichtheid. ptische modellering toonde aan dat dit toegeschreven 11

16 kan worden aan een herverdeling van het optische veld in de cel waarbij de positie van het maximale optische veld verschuift tot in de actieve laag en de absorptie van licht toeneemt. Zn verhoogt de optische weglengte van het bruikbare licht in de cel. Dit is in het bijzonder interessant voor polymere zonnecellen waarbij de optimale laagdikte beperkt wordt door een lage mobiliteit van de ladingsdrager. m de recombinatielaag te completeren is een gatentransporterende laag noodzakelijk. Vanwege het zure karakter is de veelgebruikte PEDT:PSS dispersie ongeschikt in combinatie met Zn. Een ph-neutrale PEDT kan gebruikt worden als gatentransporterende laag voor het maken van polymere multilaags zonnecellen. Contactproblemen aan het Zn/pH-neutrale PEDT-grensvlak werden opgelost door fotodopen van de Zn-laag. Dit verhoogt de concentratie aan mobiele elektronen en creëert een hms contact tussen de Zn en de ph neutrale PEDT. De openklemspanning van multilaags zonnecellen nam toe van 1.57 tot 2.19 en 3.58V voor twee, drie en zes actieve lagen. (a) (c) - (b) LiF / Al P3HT:PCBM ph neutral PEDT Zn MDM-PPV:PCBM ph neutral PEDT Zn MDM-PPV:PCBM ph neutral PEDT Zn MDM-PPV:PCBM ph neutral PEDT Zn MDM-PPV:PCBM ph neutral PEDT Zn MDM-PPV:PCBM Clevios P IT Glass + Figuur 8: (a) J V karakteristiek en van de twee enkellaags cellen (MDM- PPV:PCBM) en (P3HT:PCBM), en de overeenkomstige tandem cel (MDM- PPV:PCBM / P3HT:PCBM). Het rendement neemt toe bij UV belichting. (b) J V karakteristiek na UV belichting van een enkellaags P3HT:PCBM cel met additionele MDM-PPV:PCBM lagen om dubbele, drievoudige en zesvoudige juncties te maken. (c) Celconfiguratie van een zesvoudige junctie gebaseerd op MDM-PPV:PCBM en P3HT:PCBM actieve lagen Het in-situ omzetten van precursor materialen 12

17 Een nadeel van standaard polymere cellen is dat de combinatie indium-tin-oxide (IT) met PEDT:PSS geen stabiel oppervlak vormt, hetgeen nadelig is voor de levensduur van de zonnecellen. Het heeft daarom de voorkeur om de zonnecellen te inverteren, dat wil zeggen de kathode op het IT met de actieve laag daarbovenop en daar weer boven de anode. Zoals in vorige paragraaf vermeld is zinkoxide, in dat geval gebaseerd op nanodeeltjes, een geschikte kathode voor organische zonnecellen. m het fabricage proces van de zonnecellen nog verder te vereenvoudigen hebben we ook gekeken naar Zn dat rechtstreeks wordt gevormd uit een precursor, zodat de synthese van nanodeeltjes overbodig wordt. Bij dit alternatieve proces wordt de Zn precursor rechtstreeks aangebracht via spincoating en vervolgens wordt Zn gevormd uit de pyrolyse van de zinc acetylacetonaat (Zn(acac) 2 ) hydraat precursor. Het gebruik van Zn precursor als kathode is getest op twee bekende actieve lagen, nl. PF10TBT:PCBM en P3HT:PCBM. p deze manier kunnen gewone en geïnverteerde cellen rechtstreeks met elkaar vergeleken worden. De Zn(acac) 2 precursor oplossing wordt opgewarmd tot 50 C en aangebracht. Daarna wordt de laag een halve minuut verwarmd tot 120 C en omgezet tot Zn. De optische absorptie van een geconverteerde Zn laag is weergegeven in Figuur 9. Figuur 9: ptische absorptie van een Zn laag (rode lijn) als ook de absorptie van de precusor Zn(acac) 2 (zwarte lijn) als referentie. Na conversie tot Zn is de karakteristieke absorptie van Zn(acac) 2 geheel verdwenen, en is er een transparante Zn laag gevormd. In Figuur 10 worden vervolgens de karakteristieken van gewone en geïnverteerde cellen met elkaar vergeleken. Deze cellen zijn gebaseerd op PF10TBT:PCBM en P3HT:PCBM mengsels. Alle fotoactieve lagen zijn typisch 80 nm dik. De karakteristieken en eigenschappen van deze cellen worden samengevat in Tabel 1. 13

18 Figuur 10: Stroom-spanningskarakteristieken van zonnecellen in de gewone en geïnverteerde geometrie. Deze metingen laten zien dat we voor de geïnverteerde cellen IT/Zn/blend/Mo 3 dezelfde efficiënties kunnen halen als voor de gewone structuur, gebaseerd op IT/PEDT:PSS/blend/LiF/Al. Initiële levensduurmetingen laten zien dat de geïnverteerde cellen inderdaad stabieler zijn. Tabel 1. Fotovoltaïsche eigenschappen van de gewone en geïnverteerde zonnecellen gebaseerd op PF10TBT:PCBM en P3HT:PCBM mengsels. Fotoactieve laag Type J sc [A/m 2 ] V oc [V] FF [%] MPP [mw/cm 2 ] PF10TBT:PCBM Conventioneel Geïnverteerd PCPDTBT:PCBM Conventioneel Geïnverteerd Het combineren van verschillende depositietechnieken In paragraaf is beschreven dat geïnverteerde cellen grote voordelen kunnen hebben als het gaat om de stabiliteit. In de hierboven beschreven geinverteerde structuur wordt een opgedampte Mo 3 /Au laag als anode gebruikt. m uiteindelijk te komen tot een cel die volledig met natchemische depositietechnieken kan worden vervaardigd is geprobeerd via spincoating PEDT aan te brengen op een fotoactieve laag. Dit is niet vanzelfsprekend omdat het waterige PEDT de hydrofobe fotoactieve laag slecht bevochtigt waardoor het lastig is homogene lagen te verkrijgen. Van HC Starck is een minder polaire PEDT dispersie, Clevios CPP105D, verkregen die na verdunning met isopropanol de juiste bevochtigingseigenschappen bezit om een homogene PEDT laag op een P3HT:PCBM fotoactieve laag aan te brengen. Daarna wordt Ag opgedampt om de zonnecel te completeren. De karakteristieken van een conventionele (IT/PEDT/blend/LiF/Al) en een geïnverteerde cel (IT/Zn/blend/PEDT/Ag) laten zien dat vrijwel identieke rendementen kunnen worden verkregen bij vergelijkbare procescondities van het fotoactieve mengsel (P3HT en PCBM), te weten ~3 % bij 1 zon belichting. Initiële levensduurmetingen die zijn uitgevoerd aan dit type geïnverteerde cellen zijn beschreven in paragraaf

19 2.5.3 Het ontwerpen van de devicearchitectuur pties voor geschikte recombinatielagen/middelelektrode onderzoeken In het project is een methode ontwikkeld om de optimale celarchitectuur van een tandemcel te bepalen uit een gecombineerde analyse van de optische absorptie en elektrische karakteristieken van de individuele enkele grote en kleine bandafstand cellen. m dit te realiseren zijn van alle lagen de spectrale optische constanten gemeten met behulp van ellipsometrie en zijn van de corresponderende enkellaagscellen de J-V karakteristieken bepaald voor verschillende laagdiktes. Voor het verwerken van deze experimentele gegevens is een geautomatiseerde routine gemaakt die op basis van de experimentele data voor de enkele lagen en de optische constanten uitrekent welke combinatie van laagdiktes aanleiding geeft tot een optimaal resultaat. Dit is een hoofdzakelijk empirische benadering van het probleem, maar blijkt goed te werken. Uit de resultaten bleek dat, in tegenstelling tot de heersende (en oorspronkelijke) gedachte, het balanceren van de fotostroom in de twee subcellen niet het beste ontwerpcriterium is voor de optimale werking van de cel. De reden is dat de kortsluitstroom van een polymere tandemzonnecel die van de stroomlimiterende cel kan overstijgen. In Figuur 11 is voor een combinatie van PBBTDPP2:[60]PCBM als kleine (achterste) bandafstand cel en PF10TBT:[60]PCBM als grote (voorste) bandafstand cel de optimalisatie weergegeven. De rode curve in de figuur is de curve waarin alleen de fotostromen worden afgestemd. Zoals uitgelegd, passeert de rode curve niet het optimale punt. Gebruikmakend van deze methodologie is een polymere tandemzonnecel met een efficiëntie van 4.9% gemaakt (Figuur 11), hoger dan die van geoptimaliseerde enkellaagscellen (ca. 3.5% elk). Het experimentele resultaat van 4.9% komt uitstekend overeen met de voorspelde waarde en toont aan dat dit een universele methode is om de efficiëntie van toekomstige tandemzonnecellen te verbeteren. Het vermogen van de beide subcellen om stroomdichtheid te genereren is niet gelijk en toont aan dat de stroomlimiterende subcel geholpen kan worden door de andere subcel in een polymere tandemzonnecel. Front Cell Thickness (nm) 250 Efficiency (%) Current Density (ma/cm 2 ) Back Cell Thickness (nm) Voltage (V) Figuur 11: Voorspeld rendement als functie van de laagdiktes van de voorste en achterste cellen (links boven) en de stroom-spanningskarakteristiek in donker en onder AM1.5 belichting van een experimentele IT/PEDT:PSS/PF10TBT:[60]PCBM/Zn /PEDT:PSS(neutraal)/PBBTDPP2:[60]PCBM/LiF/Al tandem zonnecel. De performance parameters staan in de volgende tabel. 15

20 J sc (ma/cm 2 ) V oc (V) FF η (%) Voorste cel Achterste cel Tandem voorspeld Tandem gemeten ptische en elektrische modellering voor tandemcellen ontwikkelen, dit dient ter ondersteuning van het ontwerp van de architectuur Tijdens het ZMER project is voor tandemzonnecellen een elektro-optisch model ontwikkeld dat gebruikt wordt om de gemeten eigenschappen aan organische zonnecellen te kunnen verklaren. In dit model wordt eerst aan de hand van de optische eigenschappen de absorptieprofielen in de zonnecellen berekend. Deze profielen worden dan ingevoerd in een elektrisch programma dat vervolgens de stroomspanningskarakteristieken van de zonnecel berekend. Naast het verklaren van metingen kan dit model ook gebruikt worden om de maximale efficiënties van enkele zonnecellen te voorspellen. In deze berekening worden dan de bandafstand, laagdikte en transporteigenschappen van de actieve laag gevarieerd. Voor enkele junctiecellen is de voorspelde maximale efficiëntie ronde de 11%. Voor tandem zonnecellen was de vraag hoeveel er in efficiëntie gewonnen kon worden door van een enkele junctie naar een tandemcel te gaan. Eg2 Eg1 Zonlicht Reflecterende topelectrode (semi)transparante middelelectrode Transparante bodemelectrode Figuur 12: Schematische weergave van de werking van een tandemcel. De halfgeleider met hoge bandafstand E g 2 fungeert als optisch filter voor de cel met lage bandafstand E g 1. De absorptiespectra van beide halfgeleiders wordt op deze manier ten volle benut. In Figuur 12 is een voorbeeld van twee gestapelde zonnecellen gegeven. Deze tandem zonnecel kan opgevat worden als twee zonnecellen in serie. De actieve laag van de eerste cel bevat een polymeer met relatief grote bandafstand E g 1, de tweede cel een polymeer met een lagere bandafstand E g 2. De eerste cel fungeert dan als een optisch 16

21 filter voor de tweede cel en zal alle licht met energie kleiner dan E g 1 doorlaten. Dit licht wordt dan vervolgens in de tweede cel geabsorbeerd. In het ideale geval zal in deze tandemcel de totale absorptie dus aanzienlijk hoger zijn dan in een enkele cel, en zal de V oc de som zijn van de V oc s van beide afzonderlijke cellen, hetgeen tot aanzienlijk hogere rendementen zal leiden. Een tandemcel zoals weergegeven in Figuur 12 kan elektrisch opgevat worden als twee weerstanden in serie. De stroom door beide cellen wordt dus bepaald door de cel met de grootste weerstand. Essentieel is het dus er zorg voor te dragen dat beide cellen onder belichting vrijwel evenveel stroom zullen leveren, de zogenaamde current-matching. Naast de hoeveelheid fotonen die geabsorbeerd kunnen worden, bepaald door de overlap van het absorptiespectrum van het polymeer met het zonnespectrum, spelen ook de transporteigenschappen van de vrije ladingen een belangrijke rol. Deze transporteigenschappen zijn sterk afhankelijk van de morfologie van het polymeer/fullereen mengsel. De gaten en elektronen die na dissociatie van het exciton ontstaan moeten getransporteerd kunnen worden naar de elektroden. In veel organische zonnecellen is gebleken dat in de optimale morfologie de vrije gaten in het polymeer langzamer lopen dan de vrije elektronen in het fullereen. Dientengevolge blijven de langzame gaten achter in de zonnecel en wordt er ruimtelading opgebouwd. Deze ruimtelading verandert de verdeling van het elektrische veld in de zonnecel, hetgeen nadelig is voor de efficiëntie. Voor de optimale werking van een tandemcel is het noodzakelijk dat de absorptiespectra van beide lagen complementair zijn. Licht dat door de eerste cel wordt doorgelaten moet in de tweede cel met lagere bandafstand geabsorbeerd worden. Voor een efficiënte tandemcel moet de bandafstand van de tweede cel minimaal over typisch ev verschoven zijn. In de modelberekeningen voor tandemzonnecellen zijn de bandafstanden, laagdiktes van beide actieve lagen en recombinatielagen, en transporteigenschappen allemaal gevarieerd. Figuur 13 laat de berekende efficiëntie van een organische tandem cel zien, als functie van de bandafstand van beide actieve lagen. Figuur 13: Berekende efficiëntie van een tandem zonnecel als functie van de bandafstand van de front- en back cel. De belangrijke conclusie die uit deze berekeningen getrokken kan worden is dat met organische tandemzonnecellen een maximale efficiëntie van 14% behaald kan worden. Ten opzichte van een geoptimaliseerde enkele junctie cel betekent dit dat de toename slechts een factor 1,3 is, en dus aanzienlijk minder dan vaak in de literatuur aangenomen wordt. 17

22 2.5.4 Het ontwikkelen van geschikte karakteriseringsmethoden voor organische multi-junctie devices Het meten van een nauwkeurig AM1.5 rendement d.m.v. spectrale respons en I-V karakteristieken met een Klasse I zonsimulator voor een multijunctie device De sterke optische en elektrische wisselwerking van de twee subcellen heeft belangrijke gevolgen voor de nauwkeurige karakterisering van de tandemzonnecel, in het bijzonder voor het meten van de externe kwantumefficiëntie. In het project is een nieuwe methode ontwikkeld om polymere tandemzonnecellen met twee contacten nauwkeurig te karakteriseren. De meting van de spectrale afhankelijkheid van de stroomdichtheid van polymere tandemzonnecellen wordt gecompliceerd door een sublineaire lichtintensiteitsafhankelijkheid en een veldafhankelijke stroomgeneratie. Deze effecten maken het noodzakelijk om een optische bevoordeling van één van de subcellen en een elektrische spanning over de tandemcel toe te passen (Figuur 14). De mate van correctie kon worden bepaald aan de hand van enkellaags namaak zonnecellen die identiek zijn aan de subcel van de tandemcel en de absorptiespectra van de actieve lagen in de cel die gesimuleerd werden door optische modellering. Convolutie van de spectrale stroomdichtheid met het zonlichtspectrum en integratie over alle golflengten gaf een benadering van de stroomdichtheid vs. spanning karakteristiek die nauwkeurig overeenkomt met de gegevens die verkregen zijn met een zonnesimulator (Figuur 14). SR opstelling.jpg External quantum efficiency Wavelength (nm) Figuur 14: Schematische weergave van de ontwikkelde opstelling om de externe kwantumefficiëntie van polymere tandemzonnecellen te meten (rechts) en een voorbeeld van een dergelijke meting aan een 5% tandemcel. ok zijn de stroomdichtheid vs. spanning karakteristieken van de subcellen in de polymere tandemzonnecellen bestudeerd met twee technieken om een beter begrip van de werking van de tandemcel mogelijk te maken. Door een additionele elektrode te gebruiken die aangebracht is tussen de elektronen- en gatentransporterende laag, maar zich net buiten het fotoactieve oppervlak bevindt, kan een tandemzonnecel gemaakt worden met drie contacten zonder het optische elektrische veld in de cel te verstoren. De extra elektrode kan gebruikt worden om het spanningsverschil te meten tussen de recombinatielaag en elk van de beide uitwendige elektroden waarmee de karakteristiek van de subcel bepaald kan worden. Als alternatieve methode is een variabele elektrische spanning in de meting van de spectrale afhankelijkheid van de zonnecel gebruikt om de stroomdichtheid vs. spanning curven van de subcellen te bepalen na convolutie van de 18

23 spectrale data met het zonnespectrum. De uitkomsten van deze methoden zijn geverifieerd en gevalideerd door onderlinge controle van de resultaten Het inbouwen van transparante transport/exciton blocking lagen voor het afstemmen van elektrische en optische eigenschappen Het deponeren van efficiënte transparante tunneljuncties (b.v. Zn) via - bijvoorbeeld-natchemische deposities of sputteren Voor de constructie van een efficiënte tandemcel is de depositie van een transparante recombinatielaag zonder elektrische verliezen van groot belang. Bij de start van het project is uitgegaan van een standaard opbouw van de tandemcel met de volgende configuratie: A. IT/PEDT/PV1/Zn/PEDT(neutraal)/PV2/LiF/Al De recombinatielaag bestaat uit een junctie van een dunne Zn (20-40 nm) en PEDT laag (20-40 nm), die d.m.v. natchemische depositie (spincoating) op de onderliggende lagen zijn aangebracht. De Zn laag wordt verkregen door een oplossing van vooraf geprepareerde Zn nanodeeltjes of een Zn precursor (Zn(acac) 2 ) te spincoaten op de fotoactieve laag. Vervolgens wordt een neutrale PEDT dispersie op de onderliggende Zn laag gedeponeerd om te voorkomen dat de Zn laag wordt opgelost. De toegepaste PEDT oplossingen zijn een commerciële neutrale PEDT dispersie van Agfa (rgacon) of een met dimethylaminoethanol geneutraliseerde PEDT dispersie van HC Starck (Clevios PH500). Na de volledige fabricage van de cel is een korte UV belichtingsstap nodig om de Zn laag voldoende geleidend te maken om een optimale werking van de recombinatielaag te garanderen. Met celstructuur A zijn tot nu toe de meest efficiënte tandemcellen gemaakt (zie eindresultaat in 2.5.7) Naast tandemcel (A) zijn in het ZMER project twee nieuwe tandemcel structuren gemaakt met een geïnverteerde configuratie. Geïnverteerde cellen hebben het potentiële voordeel dat ze minder gevoelig zijn voor zuurstof en water en daardoor op de lange termijn stabieler kunnen zijn (zie ook Taak 5). B. IT/Zn/PV1/Mo3/Au/Zn/PV2/Mo3/Al C. IT/Zn/PV1/PEDT/Zn/PV2/PEDT/Ag In cel B, bestaat de recombinatie laag uit achtereenvolgens twee opgedampte lagen van Mo 3 en Au waarna een Zn laag d.m.v. spincoating is aangebracht. In cel C bestaat de recombinatielaag uit een junctie van een dunne PEDT (20-40 nm) en Zn (20-40 nm) laag die d.m.v. twee spincoat stappen achtereenvolgens op de onderliggende lagen zijn gedeponeerd. De gebruikte PEDT dispersie is een mengsel van een commerciële dispersie van HC Starck (nu Hereaus) Clevios CPP105D en isopropanol. Beide celstructuren zijn getest, waarbij identieke materiaalcombinaties zijn gekozen voor PV1 en PV2 om de principiële werking van het device aan te tonen. In cel B is voor PV1 en PV 2 de materiaalcombinatie PF10TBT:C60PCBM (1:4) gekozen en in cel C P3HT:C60PCBM (1:1). De IV curven van beide celstructuren zijn te zien in Figuur 15 en laten duidelijk zien dat de tandemcellen werken en geschikt zijn om verder te optimaliseren door materiaalcombinaties met verschillende bandafstanden te combineren. 19

24 Figuur. 15: IV curves van devices B (rechts en C (links) bij ca. 1 zon belichting Het onderzoeken van het effect van deze lagen op de lichtabsorptie en het ladingstransport De absorptie van polymeer:fullereen zonnecellen kan eenvoudig verhoogd worden door de actieve laagdikte te verhogen. Echter, een toename van de laagdikte leidt in veel gevallen tot een verlaging van de efficiëntie. Deze verlaging wordt veroorzaakt door een toename van de recombinatie als wel de formatie van meer ruimteladingen in dikkere actieve lagen. Een vraag is nu of het mogelijk is om de optische en elektrische functionaliteit van een zonnecel op te splitsen in een multi-junctie cel, waarbij de beide subcellen hetzelfde actieve materiaal bevatten. Dit is dus fundamenteel anders dan een tandem cel, waarbij beide subcellen in een ander deel van het spectrum absorberen J sc [A/m 2 ] Experiment ptoelectronic simulation V oc [V] FF [%] Approx. PCE [%] L [nm] Figuur 16: Experimentele fotovoltaïsche data (symbolen) voor PF10TBT:PCBM zonecellen als functie van de actieve laagdikte. De lijnen zijn modelberekeningen met het numerieke elektro-optische model. 20

25 Als model systeem worden mengsels van het hoge Mw PF10TBT, zoals eerder beschreven in paragraaf , en PCBM genomen. Voor een enkele cel zijn de variatie in de kortsluitstroom J sc, de open-klemspanning V oc, de vulfactor FF en de efficiëntie PCE getoond in Figuur 16 als functie van de actieve laagdikte L. Het blijkt dat J sc inderdaad toeneemt door een toenemende absorptie. De oscillaties, met maxima rond laagdiktes van 80 en 210 nm zijn een gevolg van optische interferentie tussen het licht dat invalt en het licht dat van de metallische kathode gereflecteerd wordt. Echter, deze stroomtoename wordt teniet gedaan door een sterke daling van de vulfactor, waardoor de efficiëntie als geheel daalt. Het is echter opmerkelijk dat de hoogste efficiëntie bereikt wordt bij L=80 nm, waarbij slecht 48% van het aantal beschikbare fotonen wordt geabsorbeerd (ter vergelijk: bij L=230 nm wordt 66% geabsorbeerd). Door gebruik te maken van een multi-junctie cel zijn we in staat de elektrische en optische eigenschappen te ontkoppelen. Hiertoe gebruiken we een transparante middelelektrode gebaseerd op Zn nanodeeltjes en ph-neutraal PEDT, zoals eerder beschreven. Als eerste stap worden er optische berekeningen uitgevoerd aan een dunne cel, een dikke cel en een multi-junctie cel met twee identieke absorberende lagen. De resultaten zijn weergegeven in Figuur 17. G 80nm [10 18 m -2 s -1 nm -1 ] G 210nm [10 18 m -2 s -1 nm -1 ] G tot 80nm = 5.03 x m -2 s LiF/Al a) b) 0 8 G tot 210nm = 7.07 x 1020 m -2 s c) G dbl [10 18 m -2 s -1 nm -1 ] 6 4 Zn 2 G tot dbl-f tot G dbl-b 3.16 x m -2 s x m -2 s x [nm] Figuur 17: Berekende exciton generatie profielen als functie van de positie in een dunne (a), dikke (b) en multi-junctie (cel) zonnecel. De totale hoeveelheid geabsorbeerde excitonen G tot is ook weergegeven in de figuur. PEDT Het blijkt nu dat iedere individuele cel van de multi-junctie cel nog steeds 63% van het licht absorbeert in vergelijking met de dunne enkele cel. De absorptie van een enkele cel is hoger omdat door de reflecterende kathode het licht er twee keer doorheen gaat. Dit betekent dat de stroom in de multi-junctie cel 63% van de stroom van de enkele dunne cel zal bedragen. Echter, de open-klemspanning wordt twee keer zo hoog, dus met 21

26 gelijkblijvende vulfactor is de verwachting dat de efficiëntie van een multi-junctie cel met 26% zal toenemen ten opzichte van een enkele cel. In Figuur 18 wordt de fotostroom van een enkele- en een multi-junctie zonnecel vergeleken J L [A/m 2 ] Single junction Double junction V [V] Figuur 18: Experimentele fotostroom van een enkele (gestippelde lijn) en een multijunctie cel (lijn). De actieve laagdiktes zijn allen 80 nm. De efficiëntie van de multijunctie cel is 13% hoger. Bij een lichtintensiteit van 0.9 zon loopt er in de multi-junctie cel een stroom van 34.9 A/m 2, in de enkele cel daarentegen wordt een stroom gemeten van 56.0 A/m 2. De ratio tussen deze stromen bedraagt 62%, hetgeen precies in overeenstemming is met het verwachte verschil van 63%. De open-klemspanning van de multi-junctie cel bedraagt 1,92 V, hetgeen een fractie lager is dan de som van de open-klemspanning van de enkele cellen (1.95 V). Daarnaast is ook de vulfactor ietsjes lager, 0.61 ten opzichte van 0.66, waardoor het totale efficiëntieverschil 13% bedraagt. Het resultaat is dus dat een geoptimaliseerde enkele cel een efficiëntie haalt van 4,05%, en een multi-junctie cel een efficiëntie van 4,56%. Het ontkoppelen van de optische- en elektrische functionaliteit leidt dus tot een aanzienlijke efficiëntieverhoging Levensduurtesten Identificatie van kritische stress factoren zoals belichting en temperatuur; vergelijking met state-of-the-art enkellaagscellen In het kader van het PV programma bij ECN zijn een aantal stabiliteitsopstellingen gebouwd, waarbij kleine laboratorium cellen bij een instelbare temperatuur en lichtintensiteit continu belicht kunnen worden. De cellen worden getest in een met stikstof gevulde glovebox en zijn niet geëncapsuleerd. Figuur 19: Foto van 8 stabiliteitsopstellingen. 22