dirk.vanderzande@uhasselt.be UHasselt@school Zonne-energie vangen met plastics: Polymeren voor een nieuwe generatie fotovoltaïsche cellen
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 ontwikkelings- landen -> 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
België Energieverbruik 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 - 10 10 kilocalorie. (b) Vanaf 1999. N/A: niet beschikbaar. http://www.statbel.fgov.be/figures/d64_nl.asp
België Energieverbruik 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% 76% (a) Ktoe: 1.000 ton olie-equivalent - 10 10 kilocalorie. (b) Vanaf 1999. N/A: niet beschikbaar. http://www.statbel.fgov.be/figures/d64_nl.asp
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, ) TW 5 4 3 2 1 0 4,52 2,7 2,96 0,286 1,21 0,286 0,828 Oil Gas Coal Wind Biomass 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 20 th 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 land- scape in 20-30 years from now
If it were only a supply problem Data from Vostok Ice Core Global average surface temp. + 0.6 o C Snow cover and ice extent decreased IPCC, Third Assessment Report, 2001
Evolutie van CO 2 Source: IEA IPCC-2007
Evolutie van CO 2 Toename van CO 2 -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 x 3 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
Cost/Wp [$/W] 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 100 10 1 0.1 10 100 1000 10000 100000 Accumulated production [MW]
Photovoltaic generations 1 st generation PV : silicon wafer-based technology 2 nd generation PV : thin films supported on a foreign substrate, e.g. polycrystalline silicon film on glass 3 rd 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 1 e generatie PV : silicium wafer-gebaseerde technologie 2 e generatie PV : dunne films op ander substraat, vb. polykristallijn silicium op glas 3 e generatie PV : dunne-film energie-conversie Organische zonnecellen Hybride zonnecellen Nanotechnologie
Organische halfgeleiders Geconjugeerde polymeren Nobel Chemie 2000
Elektrische halfgeleiders n Poly(acetylene) n Poly(p-phenylene) n Poly(p-phenylene vinylene) S n Poly(thiophene) Geconjugeerde polymeren
Geconjugeerde polymeren n x Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl n n x n
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 E = 10-14 S.cm -1 Insulator Semi - conductor = 10-5 S.cm -1 E Oxidans Conductor = 10 3 S.cm -1 Metal = 10 6 S.cm -1
Conductive Polymers BACKGROUND ANTI-STATICS O S O + SO 3 H y Na 2 S 2 O 8 (Fe 2 (SO 4 ) 3 ) H 2 O H O S O O O O O O O O O + + S S S H S SO 3 H SO 3 - SO 3 H SO 3 - SO 3 H "EDOT" "PEDOT/PSSA" ORGACON TM A result of a combination of IP of Bayer and Agfa (1992) Over 200 million m² /Y coated films
Polymere Halfgeleiders O S n O n Poly(Hexyl Thiophene) (PHT) OC1C10-PPV H 17 C 8 C 8 H 17 n Poly(DiOctyl-Fluorene) (PDOF)
1990 Organische Elektronica Polymer LED
Source Philips 1990 Organische Elektronica Text Video
Philips 2004 Full color PolyLED TV prototype - 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 Organische Elektronica Solar Cell
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 Acceptor materiaal e.g. PCBM Licht absorptie (1) Exciton formatie (2) Exciton diffusie (3) hn 42
Werkingsprincipe Donor materiaal e.g. MDMO-PPV Acceptor materiaal e.g. PCBM Licht absorptie (1) Exciton formatie (2) 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% 2011=>9.2 % 5.2 5.8 % 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 Ingenieurs Zonnecel Structuur Eigenschappen Morfologie Fysici actieve laag Light absorption (1) Exciton formation (2) Exciton diffusion (3) Charge separation (4) Charge transport (5) Charge collection (6)
PV : een zonnige toekomst