Farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Vorgetragen von: Markus Thiemann13.03.12

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Übersicht

• Wie funktioniert die Farbstoffsensibilisierte Solarzelle?

• Was sind die Materialanforderungen?• Warum Farbstoffsensibilisierte Solarzellen?• Wo steht die Zelle im Vergleich zur Si-

Solarzelle?

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Motivation• 1991 berichtet M. Grätzel über Farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC=Dye sensitized solar cell)

• 2010 erhielt M. Grätzel Millenium

Preis für DSSC

• kostengünstigere Alternative zur Si-Solarzelle

• Absorbtionsbereich leicht anpassbar

Quelle: http://earth2tech.files.wordpress.com/2008/06/dssc.jpg?w=343&h=227

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Elektrode

Elektrolyt

Halbleiter mit FarbstoffGlaselektrode

Aufbau der DSSC

hν

h≈20-40μm

d≈10μm

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FunktionsweiseAblauf

1. Farbstoff D wird durch sichtbares Licht in Zustand D* gehoben

2. e- wird in Leitungsband von TiO2 injiziert

3. D+ wird durch Elektrolyt R/R- reduziert

4. Elektrolyt diffundiert zur Pt-Elektrode und wird reduziert

5. Leerlaufspannung Voc bestimmt durch Ef

n und Redoxpotential R/R-

EFn

D*/D+

D/D+

R/R-

Halbleiter Elektrode

1.

3.

4.Voc

e- p+

LUMO

HOMO

2.

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VerlustmechanismenLadungsrekombinationen

1. Zerfall des Angeregten Farbstoffs D* vor Ladungsinjektion

2. Rekombination mit D+

3. Ladungsrekombination mit Elektrolyt (Dunkelstrom)

Potentialverluste sorgen für kleineres Voc.

1.

EFn

D*/D+

D/D+

Halbleiter Elektrode

3.

R/R-

2.

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Zeitskalen

• Ladungsinjektionszeit τi≈10-12s

• Farbstoffzerfallszeit τz≈50ns

• Farbstoffreduktion τR≈10ns

• Farbstoffrekombination τrekom≈10-6-10-3s

EFn

D*/D+

D/D+

R/R-

Halbleiter Elektrode

τi

τzτrekom

τR

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Halbleiter/Elektrolytkontakt

Rox/Rred

Rox

Rred

Solvathülle

Fluktuationen in Solvathülle

Rox

Rred

Efn

Ec

Ev

Halbleiter ElektrolytRred

Rox

Efn

Ec

Ev

Halbleiter ElektrolytRred

Rox

Efn

Ec

Ev

Halbleiter Elektrolyt

e-

Rox

Rred

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Halbleiter

Anforderungen

• Efn sollte deutlich über Redoxpotential

des Elektrolyten liegen• Hohe Elektronenmobilität• Transparent im sichtbaren

Spektralbereich (hohe Bandlücke)

Verwendete Halbleiter

• gesintertes TiO2, ZnO, SnO2 => deutliche Vergrößerung der Oberfläche

Quelle:M.Grätzel, Photochemistry Reviews 4 (2003) 145–153

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Halbleiter

• Elektron wandert von Partikel zu Partikel• Hüpfwahrscheinlichkeit abhängig vom

Abstand der Partikel• Elektron nimmt nicht direkten Weg durch

den Halbleiter (τ≈10ms)=> geringe effektive Elektronenmobilität=> nur begrenzte Schichtdicken möglich

Elektronentransport durch poröse Medien

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Optimierungsansatz: Nanotubes\-wires

Vorteile• Höhere Elektronenmobilität• dickere Schichten möglich• niedrigere Rekombinationsraten

Nachteil• geringere effektive Oberfläche

Quelle: Mor et al.,Nano Lett., Vol. 6, No. 2, 2006

Quelle: Law et al., nature materials, Vol. 4, June 2005

Quelle: Law et al., nature materials, Vol. 4, June 2005

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Farbstoffe

EFn

D*/D+

D/D+

Halbleiter Elektrode

R/R-

Anforderungen• starkes Absorptionsvermögen über

sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich

• LUMOniveau muss im Leitungsband von TiO2 liegen

• HOMOniveau muss unter Redoxpotential des Elektrolyten liegen

• Injektionszeit schneller als Zerfallszeit

• benötigt Ankergruppe (Carbon-, Phosphorsäuregruppe)

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Verwendete Farbstoffe

Organische Farbstoffe

Übergangsmetallkomplexe

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Verwendete Farbstoffe

N3

Black Dye

Übergangsmetallkomplexe Organische Farbstoffe

TiO2

Quelle: M. Grätzel / Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 4 (2003) 145–153

Quelle: Hara et al., Adv. Func. Mater. 2005, 15 , No.2, February

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Optimierung des Absorptionsspektrums

Kombination mehrerer Farbstoffe (Concerto-Effekt)

Voraussetzung:

• kein Wechselwirkungen zwischen den Farbstoffen

•Farbstoffe haften an möglichst unterschiedlichen Stellen am TiO2

Vorteile:

• Farbstoffe können Cluster verhindern => höherer Quantenwirkungsgrad

Quelle: Ogura et al. Appl. Phys. Lett. 94, 073308 2009

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Optimierung des Absorptionsspektrums

Relais-Farbstoff FRET (Förster-Resonanzenergietransfer)

Quelle: Hardin et al. NATURE PHOTONICS | VOL 3 | JULY 2009

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/FRET

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Verhinderung von Ladungsrekombination

TiO2

Chromophor

Triphenylamin-Ketten (Donatoren)

hνe-

e- e-

p+ p+

e--Donatorketten

Chromophor absorbiert Licht und injiziert e- in TiO2

Donatorketten sorgen für große räumliche Trennung der Ladungen

=> Ladungsrekombination wird unwahrscheinlicher

Rekombinationszeiten im Bereich von 10-3<τr <1s

p+

e-

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Verhinderung von Ladungsrekombination

Hydrophobe Farbstoffe

Hydrophobe Ketten bildenhydrophobes Netzwerk um TiO2

Þ H2O-Spuren im Elektrolyt zerstören Säurelinker nicht

Netzwerk hemmt Wechselwirkung zwischenElektrolyt und HalbleiterÞ Geringerer Dunkelstrom

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Elektrolyte

Anforderungen:

Möglichst hohe Ladungsträgerbeweglichkeit

Gute elektrische Konversation zwischen Elektrolyt und Farbstoff

Transparent im sichtbaren Spektralbereich

Redoxniveau höher als HOMO-Niveau des Farbstoffs

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ElektrolyteFlüssige ElektrolyteI-/I3

- ,Co(II/III)Redoxpaar in organischen Lösemittel

Vorteile:• Gutes Eindringen in porösen Halbleiter• Hohe Ladungsträgerbeweglichkeit

Nachteile:• Schwierigkeiten bei Abdichtung der DSSC• I-/I3

- reagiert mit Pt-Elektrode

Feststoff LochleiterPolymerhalbleiter

Vorteile:• Keine Schwierigkeiten bei Abdichtung

Nachteile:• Dringt schlecht in Poren des Halbleiters ein

• Hohe Rekombinationsverluste mit e- aus dem Halbleiter

ÞNiedrigerer Wirkungsgrad

Quelle:M.Grätzel, Photochemistry Reviews 4 (2003) 145–153

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HerstellungsprozessAufbringen der TiO2 Paste auf Glaselektrode mit anschließendem Sintern

Eintauchen in Farbstoffbad für einige Stunden

Anbringen der Polymerfolie als Abdichtung/Abstandshalter

Auflegen der Gegenelektrode und anschließendes Backen zum Abdichten der Zelle

Einfüllen des Elektrolyten durch Loch in Gegenelektrode

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RekordzelleFarbstoff Elektrolyt

Wirkungsgrad: η=12,3%

Hoher Wirkungsgrad durch:

Angepasstes Redoxniveau an HOMOniveau

Hoher Quantenwirkungsgrad der Farbstoffkombination

Quelle: Grätzel et al., nature photonics, Vol.6, March 2012

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Vergleich mit Si-SolarzelleUnterschied zu Si-Zelle:

• Ladungstrennung und Ladungstransport finden in Unterschiedlichen Medien statt.

• Alle Komponenten können/müssen einzeln optimiert werden.

hν-

+

EF

EV

EC

p+

e-

DSSC Si-Zelle

Max. Wirkungsgrad

12,3% 19%

VOC 0,7V 0,6V

JSC 20mA/cm² 35mA/cm²

e--

+

Farbstoff

EC

EF

EV

p+

Halbleiter Elektrolyt

hν

-

n-Si

p-Si

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Vor-/Nachteile von DSSC

Vorteile

• Kostengünstig in Produktion• Gute Effizienz unter diffusem

Lichteinfall• Mechanisch flexible Zellen

möglich• Geringes Gewicht

Nachteile• Kürzere Lebensdauer• Geringere Effizienz bei

senkrechtem Lichteinfall• Probleme bei Nutzung im Alltag

Quelle:http://iphone-inside.com/2011/01/13/apple-bekommt-solarzellen-patent/

vs.

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Besondere Anwendungen

Quelle: http://click.eon-thueringerenergie.com/images/bilder/energie/artikel/energie_bionik.jpg

Transparente Solarzellen Neue Designmöglichkeiten

Quelle: http://www.20min.ch/dyim/5993e7/B.M600,1000/images/content/1/4/3/14315468/2/topelement.jpg

Quelle: http://www.sony.net/SonyInfo/technology/technology/theme/8ido18000001pozy-img/8ido18000001pp92.jpg

Quelle: http://www.blogcdn.com/www.engadget.com/media/2010/06/solar-glass-20100609.jpg

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Zusammenfassung

• In DSSC Trennung von Ladungsseparation und Ladungstransport

• DSSC erlaubt neue Designmöglichkeiten:- Anpassung der Absorbtionsspektren- Formgebung, mechanische Flexibilität- geringes Gewicht

• Für breite kommerzielle Nutzung trotz geringem Preis weitere Optimierungen notwendig (Lebensdauer, Effizienz)