René Janssen. Alumnidag 2012 Eindhoven, 21 april 2012

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "René Janssen. Alumnidag 2012 Eindhoven, 21 april 2012"

Ruth Molenaar
9 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 Polymere zonnecellen René Janssen Alumnidag 2012 Eindhoven, 21 april 2012

2 Hèt probleem van de 21e eeuw: Energie Miljard mensen gebruiken ~12 TW ~ 2 kw/persoon Miljard mensen gebruiken 20 TW

3 Alleen zonne-energie kan 20 TW leveren Zon Wind Biomassa Hydro-elektrisch Getijde/Oceaan Geothermisch TW aan aardoppervlak TW technische waarde 14 TW 6 TW 1 TW 1 TW 2TW Bronnen: Arthur ozik, REL Eicke Weber, Fraunhofer Instituut

aardoppervlak 10000 TW technische waarde 14 TW 6 TW 1 TW 1

4 Omzetting van zonne-energie Licht hoge temperatuur elektriciteit Geconcentreerd zonlicht Centrale ontvanger Parabolische collector Licht elektriciteit Fotovoltaïsche conversie (PV) Gebaseerd First generation op i wafers econdgeneration Dunne films Third ieuwe generation concepten Licht brandstof Biomassa - artificiële fotosynthese solar fuels

conversie (PV) Gebaseerd First generation op i wafers econdgeneration Dunne films

5 Inleiding fotovoltaïsche effecten De Franse natuurkundige Edmond Becquerel heeft voor het eerst het fotovoltaïsch (PV) effect gevonden in 1839, maar het bleef een curiositeit in de wetenschap tot in de 20 e eeuw. Op een leeftijd van 19 jaar vond Becquerel dat bepaalde materialen kleine hoeveelheden stroom konden leveren als ze aan licht werden blootgesteld

6 Chapin, Fuller & Pearson 1954: 6% p-n junctie Journal of Applied Physics Vol. 25 (May 1954) pp

7 Halfgeleiders: silicium i: 4 valentie-elektronen In een halfgeleider zijn de valentie-elektronen zwak gebonden. Enige elektrische geleiding Geleidingsband Energie Band afstand (1.1 ev) Licht Valentieband e -

8 ilicium (p-n junctie) zonnecel Zonnecellen zetten zonlicht direct om in elektrische stroom

9 Energieconversie rendement tandaardcondities: 1000 W/m 2 lichtintensiteit en AM1.5G spectrum J sc = kortsluitstroom V oc = openklemspanning FF = vulfactor P in = lichtintensiteit FF V V max oc J J mac sc P P max in V oc J P sc in FF

10 Wereldproductie aan PV modules 8000 Estimates for 2008 PV Pro oduction [MW W] Rest of World United tates Taiwan PR China Europe Japan Bron: A.Jager-Waldau, 2009

tates Taiwan PR China Europe Japan 2000 1000 0 1990 1995 2000

11 Zonnecellen: rendementen en kosten 40 Kristallijne materialen Dunne film materialen Organische materialen neemt toe tatus van J GaAs c-i mc-icig CdTe a-i dye organisch

materialen 30 25 28 25 neemt toe 20 15 20 19 17 10 10

12 Ultieme zonnecel Hoog rendement Lange levensduur Lage kosten

13 Kunnen we 20 TW bereiken in 2050? Benodigd vermogen: 20 TW Benodigde oppervlakte: ~500,000 km 2 (equivalent aan panje) Hoe kunnen we deze oppervlakte maken in 30 jaar? odig een strook van 365 km bij 100 m elke dag, 30 jaar lang. De (enige?) oplossing drukken van zonnecellen. Bron: Konarka

(equivalent aan panje) Hoe kunnen we deze oppervlakte maken in 30 jaar?

14 Drukken van zonnecellen Konarka Technologies, Inc. Lowell, UA

15 R2R slot-die coaten van polymere zonnecellen Met dank aan : Frederik Krebs, Riso Denmark, 2010

16 en op grotere schaal. 1 GW/jaar (nominaal) Meer dan 20 km 2 / jaar drukken 30 cm / sec Aanname 10% efficiency (12 uur/dag) leidt tot 1 GW/jaar Konarka Technologies, Inc., ew Bedford, UA

17 Menu Principes van organische / polymere zonnecellen Elektronoverdracht Bulkheterojuncties Wat maakt een zonnecel efficiënt? Absorptie Kwantumrendement Energierendement ieuwe polymeren Kleine bandafstand materialen Tandemcellen Hogere rendementen

18 Fotosynthese Hoe kolen, olie, aardgas en biomassa vandaag gemaakt worden! light 6CO 2 +6HO 2 C 6 H 12 O 6 +6O 2 chlorophyl licht elektron quinon Maar met een laag <0.5% energierendement

19 Bulkheterojunctie polymere zonnecellen licht elektronoverdracht absorptie substraat transparante t elektrode nm donor acceptor metaalelektrode Gebruiken een blend van twee polymere halfgeleiders om zonlicht om te zetten in elektriciteit

elektrode - +-100 nm donor acceptor metaalelektrode

20 P3HT:PCBM zonnecellen P3HT C 6 H 13 n O O Me PCBM Pavel chilinsky, Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 3885 Franz Padinger, Adv. Funct. Mater 2003, 13, 85 I = 2 sc 8.7 ma/cm V oc = 0.58 V FF = 0.55 e = 2.8%.

21 Een kijkje in de actieve laag vetlana van Bavel ano Lett., 2009, 9,

22 Werking en morfologie Goede excitondissociatie Hoge geminale recombinatie Matig ladingstransport Matige excitondissociatie Minder geminale recombinatie Goed ladingstransport = polymeer = fullereenderivaat

23 Wat maakt een zonnecel efficiënt? 1. Absorptierendement 2. Kwantumrendement troom 3. Energierendement panning x = Vermogen betere materialen & betere cellen begrip krijgen van de werking om limiterende factoren weg te nemen

24 1. Absorptierendement Power (W/m m² nm) Wavelength (nm) Energy (ev) hoge absorptiecoëfficiënt optische bandafstand zonlichtspectrum lichtmanagement

25 2. Kwantumrendement We begrijpen nog niet goed waarom + en ladingen uitelkaar gaan (de cellen doen het misschien wel beter dan verwacht)

26 3. Energierendement Aangeslagen toetsand Geladen toetstand Openklemspanning thermisch verval E gap E CT ev oc 0.1 ev 0.5 ev Tenminste 0.6 ev verlies van E gap naar ev oc We mogen hopen op ~11% 10 Grondtoestand Rendem ment (%) 5 EQE = 65% FF = Bandafstand (ev)

27 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

28 Zonnecel polymeren: recente resulaten H 21 C 10 C 10 H 21 i PFTBT, E g = 1.90 ev, 4.2% PCPDTBT, E g = 1.46 ev, 5.5% PBTBT, E g = 1.47 ev, 5.2% H 25 C 12 O O C 12 H O 25 O O PBBTDPP2, E g = 1.40 ev, 4.4% PDPP3T, E g = 1.30 ev, 4.7% O H 17 C 8 C 8 H 17 H 17 C 8 C 8 H 17 O H 17 C 8 O OC 8H 17 PCDTBT, E g = 1.85 ev, 6.0% HX-1, E g = 1.95 ev, 5.4% PBDTTT-C, E g = 1.61 ev, 6.6%

29 PDPPTPT:PCBM (1:2) zonnecellen: 5.5% O O [60]PCBM [70]PCBM J [ma/cm 2 ] [60]PCBM [70]PCBM J4.6% % V [V] Extern kwa antumrendem ment (%) [60]PCBM [70]PCBM Golflengte (nm) Johan Bijleveld Adv. Mater. 2010, 22, E242 E246.

30 Principe van een tandem zonnecel Hoger rendement door ruimtelijke splitsing van hoog- en laagenergetische fotonen: Minder thermische verliezen. Energieverlies Energieverlies E g E g Grote bandafstand Kleine bandafstand

31 Enkele vs. tandem juncties Aluminium Kleine bandafstand Aluminium ormale bandafstand PEDOT:P Indium tin oxide Glas PEDOT:P Zinc oxide Grote bandafstand PEDOT:P Indium tin oxide Glas 11.0% 15.0% Aannames V oc = E g V FF = 65% EQE = 65%

32 Materiaalcombinaties voor tandemcellen E g = 1.88eV E g = 1.46eV C 6 H 13 PCDTBT C 8 H 17 C 8 H 17 O C 12 H 25 C 8 H 17 O O C 8 H 17 C 6 H 13 n C 12 H 25 PDPP5T O O O [70]PCBM [60]PCBM

33 TEM doorsnede van een tandemcel Al Lage bandafstand PEDOT Z O ZnO Hoge bandafstand PEDOT ITO Glass Joachim Loos

34 Grote bandafstand optimalisatie: <6% troomdichth heid (ma/cm m 2 ) nm 80 nm O C 8 H 17 C 8 H 17 O panning (V) dikte J sc (ma/cm 2 ) V oc (V) FF η (%) 210 nm nm

35 Kleine bandafstand optimalisatie: >5% troomdicht theid (ma/c cm 2 ) ODCB in CHCl 3 0% 5% 10% 15% panning (V) ODCB J sc V oc FF η (%) 0% % % %

36 Tandem voorspelling: >7% aagdikte 1 e cel (nm) % ) troomdichth heid (ma/cm e cel 2 e cel tandem 2 e cel 1 e cel tandem L Laagdikte 2 e cel (nm) panning (V) Grote bandafstand laagdikte: 170 nm Kleine bandafstand laagdikte: 120 nm

37 Tandem cel werkend: >7% troomdichth heid (ma/cm m 2 ) t (%) Experiment 60 Voorspelling panning (V) Ext tern kwantum mrendemen Golflengte (nm) J sc V oc FF η (%) Experiment Voorspelling Veronique Gevaerts, Alice Furlan, Adv. Mater. 2012, DOI: /adma

38 Levensduurtesten Jens Hauch et al. olar Energy Materials & olar Cells 92, 2008, Konarka, Lowell, MA

39 Levensduur

40 an Francisco's bushokje Mei 2009

41 Verschil tussen aanbod en vraag Opslag is deel van de 20 TW uitdaging

42 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 ieuwe slimme celontwerpen kunnen rendement verhogen tot ~15%

Vergelijkbare documenten

Visionair Scenario PV

Visionair Scenario PV Nanotechnologie &PV:een toekomstvisie Jean V. Manca Universiteit Hasselt-IMEC./IMOMEC [email protected] Heusden-Zolder, 11 mei 2012 De toekomst van zonnecellen De Tera-Watt uitdaging