Organiczne ogniwa słoneczne Ogniwa półprzewodnikowe – zasada

Elektronika plastikowa i organiczna
Organiczne ogniwa sł
słoneczne
Ogniwa pó
półprzewodnikowe – zasada
dział
działania
Charakterystyki fotoogniwa –
wspó
współczynnik wypeł
wypełnienia, wydajność
wydajność
Moc w obwodzie zewnętrznym: P=U*I
Współczynnik wypełnienia
j
A
V
P2
PP1max
U
Wydajność:
Schemat układu
pomiarowego
Widmo promieniowania sł
słonecznego
AM1.5
~ 48O
AM1.0
(zenit)
AM2.0
60O
Zgodnie z normą (ISO 9845-1:1992) standard AM1.5 odpowiada rozkładowi widma
słonecznego padającego pod kątem 48O o strumieniu 1000W/m2
Charakterystyki fotoogniwa –
zewnę
zewnętrzna wydajność
wydajność kwantowa
Zewnętrzna wydajność kwantowa:
EQE[%]
fotoprąd
natęŜenie strumienia fotonów
gdzie: Iλ – fotoprąd, e – ładunek elektronu, Nλ – gęstość strumienia fotonów
(l.fotnonów/cm2/s/nm):
długość fali [nm]
długość fali [nm]
Granica wydajnoś
wydajności
Wydajność:
Przy oświetlaniu światłem
monochromatycznym
gdzie n – liczba zdarzeń/s
Granica wydajnoś
wydajności
Model Shockley-Queissera J. Appl. Phys 32 (1961) 510 :
Fotoogniwo traci część energii poprzez promieniowanie termiczne tak jak ciało doskonale
czarne (w temp. 300K to jest ok. 7% energii padającej)
Procesy rekombinacji elektronów i dziur powodują obniŜenie wydajności o około 10%
Napięcie w obwodzie otwartym jest mniejsze niŜ szerokość przerwy energetycznej
Maksymalna wydajność jednozłączowego ogniwa słonecznego to 32%
Wpł
Wpływ oporó
oporów wewnę
wewnętrznych
Rs
RP
Rob
Charakterystyka ogniwa:
RP
Organiczne ogniwa sł
słoneczne
Trochę historii:
• pierwsza koncepcja heterozłącza – C. Tag 1985 (związki małocząsteczkowe)
• pierwsze ogniwa w których zastosowano fulereny C60 N. S. Sariciftci 1992
• polimerowe fotoogniwa o wydajności około 5% - 2005 (mieszanina polimeru
P3HT oraz rozpuszczalnej pochodnej C60 – PCBM)
Budowa:
elektroda metalowa
warstwa półprzewodnika organicznego
PEDOT:PSS
szkło+ITO
Zasada dział
działania
Wpł
Wpływ morfologii na parametry
fotoogniw
O
O
n
H3C
MDMO-PPV
C60PCBM
Topografia cienkich warstw
MDMO-PPV:PCBM (1:4)
przygotowanych z roztworu w
a) chlorobenzenie, b) toluenie
PCBM
[60]PCBM, [72]PCBM, [84]PCBM
2
1 - [60]PCBM
2 - [72]PCBM
3 - [84]PCBM
1
3
Mimo, Ŝe [60]PCBM najsłabiej
absorbuje w świetle widzialnym, to
ogniwa polimerowo [60]PCBM
mają najwyŜszą wydajność
Jak dobrać
dobrać skł
skład? MDMOMDMO-PPV:PCBM
J. K. J. van Duren, et. al.
Adv. Funct. Mater., 2004, 14, 425
Współczynnik wypełnienia oraz napięcie
UOC ogniw słonecznych zbudowanych z
mieszaniny MDMO-PPV:PCBM o róŜnej
koncentracji wzajemnej
Gęstość prądu oraz wydajność ogniw
słonecznych zbudowanych z mieszaniny
MDMO-PPV:PCBM o róŜnej koncentracji
wzajemnej
Jak dobrać
dobrać skł
skład? P3HT:PCBM
Jak dobrać
dobrać skł
skład? APFOAPFO-3:PCBM
Diagram fazowy
Morfologia warstw powstająca w wyniku separacji faz zaleŜy od „drogi”
na diagramie fazowym
Napię
apięcie UOC - elektrody
R.N. Marks et al. J. Phys. Condens. Matter 6(1994) 1379
poziom próŜni
Elektroda
2,7eV
4,8eV
LUMO
4,3eV
praca
wyjś
wyjścia
[eV]
eV]
∆Φ
[eV]
eV]
UOC [V]
Al
4,28
0,5
1,2
Mg
3,66
1,2
1,2
Ca
2,87
1,9
1,7
5,2eV
HOMO
ITO
PPV
Metal
Napię
apięcie UOC – potencjał
potencjał jonizacji
donora
A. Gadisa Appl. Phys. Lett. 84
(2004) 1609
Al
mieszanina 1:4
PEDOT:PSS
ITO
potencjał
jonizacji
[V]
napięcie UOC
[mV]
I
0.525
388
II
0.770
685
III
0.785
829
polimer
IV
0.795
664
V
0.815
699
VI
0.945
655
Napię
apięcie UOC - elektrody
A. Gadisa Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 1609
Napię
apięcie UOC – potencjał
potencjał jonizacji
akceptora
Pochodne [60]PCBM (1), 4-N,Ndialkylamino[60]PCBM (2),
diphenylmethano[60]fullerene (3),
bis-4-N,N-dialkylaminodiphenylmethano[60]fullerene (4)
and substituted PCBM
compounds (5): R = 4-OMe
(a), 3,4-OMe (b), 2,3,4-OMe (c),
2-OMe (d), 2,5-OMe (e), 2,4,6OMe (f), 3,4-methylenedioxy (g),
2-SMe (h), 4-SMe (i), and
pentafluoro (j)
Napię
apięcie UOC – elektrody i mieszanina
D. Chirvase PhD Thesis: „Electrical Characterization of Organic Devices
Case study: polythiophene-fullerene based solar cells”
Wpł
Wpływ wygrzewania
Wpł
Wpływ wygrzewania
Adv. Funct. Mater. 17(2007)1071
n
R
R=CnH2n+1
Wpł
Wpływ wygrzewania c.d.
Interdyfujza PCBM w P3HT
Adv. Energy Mater. 1/2011
Adv. Energy Mater. 1/2011
Interdyfujza PCBM w P3HT
Nano Lett.2011, 11,2071–2078
Charakterystyki prądowo-napięciowe:
a) normalna geometria b) odwrócona
geometria
Gdzie powstaje prą
prąd?
Nano Lett., 4(2004)220; Synth. Met. 147(2001)101
Mapy topografii oraz fotoprądu
Podwó
Podwójne ogniwo polimerowe
J. Y. Kim SCIENCE 317(2007)222
Jsc = 7.8mA/cm2, Voc = 1.24 V, FF = 0.67 η = 6.5%.
„Porzą
Porządkowanie”
dkowanie” BHJ
Advanced Functional Materials Volume 21, Issue 1, pages 139-146, 9 NOV 2010
„Porzą
Porządkowanie”
dkowanie” BHJ
Advanced Functional Materials Volume 21, Issue 1, pages 139-146, 9 NOV 2010
„Porzą
Porządkowanie”
dkowanie” BHJ
Widma absorpcji
Wydajność kwantowa
Charakterystyki I(U)
Advanced Functional Materials Volume 21, Issue 1, pages 139-146, 9 NOV 2010
Light trapping – struktury fotoniczne
Light trapping – struktury fotoniczne
Light trapping – struktury fotoniczne
Podsumowanie
Zasada działania fotoogniwa opiera się na separacji ładunków tworzących
ekscytony powstające pod wpływem padającego promieniowania
Charakterystyka prądowo-napięciowa fotoogniwa podobna jest do charakterstyki
diody, ale jest przesunięta do IV ćwiartki układu współrzędnych
Parametry charakteryzujące ogniwa to: prąd zwarcia, napięcie w obwodzie
otwartym, współczynnik wypełnienia, wydajność oraz zewnętrzna wydajność
kwantowa
Promieniowanie słoneczne odpowiada promieniowaniu ciała doskonale czarnego
o temp. ok. 5250OC ale w wyniku przejścia przez atmosferę jego część zostaje
pochłonięta
Napięcie w obwodzie otwartym ogniwa zaleŜy od prac wyjścia elektrod oraz, w
przypadku układów dwuskładnikowych róŜnicy w potencjałach jonizacji akceptorów i
donorów
Wydajność ogniw zbudowanych z mieszaniny polimerów zaleŜy od morfologii
warstwy
Nanostruktyryzacja warstwy aktywnej moŜe zwiększać wydajność ogniw