BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE

Transkrypt

1 BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Dye-sensitized solar cell (DSSC, DSC) Katarzyna Anna Bialecka Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE II Warsztaty Organicznej Drukowanej i Elastycznej Elektroniki Łódź,

2 Wprowadzenie Podstawy Rozwój technologii DSC Prezentacja Produkcja laboratoryjna Kontrola jakości Charakterystyka Podsumowanie Wnioski 2

3 Wprowadzenie Sprawność ogniw słonecznych 3 Źródło:National Renewable Energy Laboratory

4 Wprowadzenie Charakterystyka barwnikowego modułu 3GSolar/ Israel Projekt Rubust DSC* Emisja CO 2 podczas produkcji panela DSC z ECN (7%, 7lat życia) w zestawieniu z panelem sc-si (12%, 25 lat życia), panelem mc-si (12%, 25 lat życia), panelem ribbon-si (10%, 25 lat życia), panelem CdTe (10%, 25lat życia) i konwencjonalnymi systemami zasilania. Instalacja w Europie południowej* Czas zwrotu energii z panela DSC (ECN / Fraunhofer / design Swerea, 7%) w zestawieniu z panelem sc-si (12%), panelem mc-si (12%), panelem ribbon-si (10%), panelem CdTe (10%). Instalacja w Europie południowej* *Michael Feigenson, Barry Breen, Końcowy raport projektu Robust DSC,2011 4

5 Wprowadzenie Dye-sensitized solar cell (DSSC, DSC) Farbstoffsolarzellen (FSZ) Barwnikowe ogniwa słoneczne (BOS) przekształcają energie słoneczną za pomocą barwnika (analogia do fotosyntezy w roślinach) produkcja nie jest kosztowna produkcja odbywa się prostą metodą sitodruku oferują wiele możliwości projektowania: dowolne wzory i kolorystyka sprawność 12,3 % została osiągnięta dla ogniw testowych (Grupa Grätzela /EPFL)*** zastosowanie dekoracyjne: szkła/elementy fasadowe ważny obszar badań Fraunhofer ISE Michael Grätzel/ EPFL*** 5 Lampy LED Panel BIPV Panel BIPV Ogniwa Ink Jet Barwny moduł słoneczny Sony*** Dyesol*** G24Innovations*** Konarka*** Fraunhofer ISE* * Fraunhofer ISE ** / dye solar cells *** American Chemical Society, "Ultrathin, Dye-sensitized Solar Cells Called Most Efficient To Date", ScienceDaily, 20 September 2006

6 Wprowadzenie Podstawy Rozwój technologii DSC Prezentacja Produkcja laboratoryjna Kontrola jakości Charakterystyka Podsumowanie Wnioski 6

7 Podstawy Budowa barwnikowego ogniwa słonecznego Schemat budowy barwnego ogniwa słonecznego Struktura warstwy TCO i nanokrystaliczna warstwa TiO 2 / SEM,Fraunhofer ISE SMP: Standardowa płytka testowa /Frauhhofer ISE Płytka testowa (Masterplate): 5 pojedynczych komórek, każda o powierzchni 0,5 x 5 cm 2 Wyniki w Fraunhofer ISE/CalLab: sprawność: 6% - 8% j sc : ma/cm 2 V oc : V 7

8 Podstawy Rozwój (tanich) monolitycznych barwnikowych ogniw słonecznych 8 przeciwelektroda znajduje się bezpośrednio na elektrodzie tylko bardzo cienka warstwa izolacyjna (tutaj ZrO 2 ) oddziela dwie elektrody odległość między elektrodami ok µm elektrolit wypełnia porowatą warstwę TiO 2 MMP: Monolityczna płytka testowa (Masterplate): 5 pojedynczych ogniw, każde o powierzchni 0,4 x 5 cm 2 /Frauhhofer ISE

9 Podstawy Zasada działania barwnikowego ogniwa słonecznego Procesy zachodzące w pracującym ogniwie absorpcja fotonu /wzbudzenie barwnika S+h S* utlenianie barwnika S*+TiO2 e - (TiO2) +S+ redukcja barwnika 2S + +3I - 2S+I 3 - redukcja jonu trijodku do jonu jodku I e - 3I - rekombinacja I e - (TiO2) 3I- +2TiO 2 Diagram energetyczny procesów zachodzących w pracującym ogniwie /przepływ elektronów - linia ciągła / proces rekombinacji - linia przerywana 9 Przekrój przez ogniwo barwnikowe Przestrzeń ogniwa / 3D Mikroskop LEXT

10 Podstawy Produkcja barwnikowego ogniwa słonecznego metodą sitodruku Schemat barwnikowego ogniwa słonecznego Schemat produkcji barwnikowego ogniwa słonecznego 10

11 Wprowadzenie Podstawy Rozwój technologii DSC Prezentacja Produkcja laboratoryjna Kontrola jakości Charakterystyka Podsumowanie Wnioski 11

12 Rozwój technologii Postęp w rozwoju badań barwnikowych ogniw słonecznych Zrównoważony rozwój Poziom Cykl życia demonstracyjna linia produkcyjna kontrola jakości Ekologia Budynek Produkcja etap demonstracji/fasady demonstracyjne Ekonomia System Użytkowanie certyfikacja modułów DSC dla BIPV Social Produkt Recycling surowce produkt instalacja BIPV 12 materiały DSC DSC użytkownik

13 Rozwój technologii Wyskalowany barwnikowy moduł słoneczny: produkt multidyscyplinarny 13

14 Rozwój technologii Wyskalowany barwnikowy moduł słoneczny 60 cm x 100 cm powierzchnia aktywna wzoru prototypowego wynosi 50% niedostatecznie zoptymalizowana technika sitodruku linie fryty szklanej są relatywnie szerokie: 1 mm 1,5 mm (niedoskonałości w sitodruku, pęcherze) ciągła i szczelna bariera z fryty szklnej została uzyskana zoptymalizowano profile temperaturowe i jakość sitodruku dla testowego modułu 10 cm x 10 cm (75% aktywnej powierzchni) Prototypowy moduł 60 cm x100 cm pojedynczy druk TiO 2 warstwa fryty szklanej 1,5 mm, nałożenie warstwy fryty szklanej (szary) i warstwy srebra; Zoptymalizowany moduł 10 cm 10 cm kilkakrotny druk TiO 2, nadrukowana bariera fryty szklanej 0,5 mm 14

15 Wprowadzenie Podstawy Rozwój technologii DSC Prezentacja Produkcja laboratoryjna Kontrola jakości Charakterystyka Podsumowanie Wnioski 15

16 Prezentacja Scenariusze demonstracyjne dla barwnikowych modułów jako fotowoltaiczne elementy szklanych powierzchni przedsionków, dachów, itp.; mogą spełniać dodatkowe funkcje, np: zaciemnienia jako pół-przeźroczysty system okien dachowych z funkcją pozyskiwania energii, zaciemnienia, sterowania oświetleniem jako część elewacji wielofunkcyjnej, oprócz różnych wzorów i kolorów zapewniają przejrzystość, wentylację i klimatyzację, zaciemnienie 16 Foto: / dye solar cells

17 Prezentacja Demonstrator/ Fraunhofer ISE 2007 połączenie kilku modułów laminowanych na szkle integracja i przygotowanie wzoru dla fasad podstawa dla potencjalnych projektów demonstracyjnych cel: warsztaty z architektami, wystawy demonstracyjne, targi Elektryczne połączenia barwnych modułów 17

18 Prezentacja Fasada demonstracyjna 2011 Intersolar_Munchen_ EU PVSEC_

19 Prezentacja Fasada demonstracyjna 2012 Messe Hannover_ Intersolar Europe_München_

20 Prezentacja Demonstrator Container / Fraunhofer ISE 23. czerwca 2012 Artykuł w BZ:.sehr wohnlich 20 Demonstracja w Fraunhofer ISE 23. czerwca 2012

21 Wprowadzenie Podstawy Rozwój technologii DSC Prezentacja Produkcja laboratoryjna Kontrola jakości Charakterystyka Podsumowanie Wnioski 21

22 Produkcja laboratoryjna Produkcja barwnikowego modułu fotowoltaicznego metodą sitodruku 22 Schemat produkcji barwnikowego modułu

23 Produkcja laboratoryjna Produkcja barwnikowych modułów 60cm x 100cm produkcja laboratoryjna, aktualnie brak linii produkcyjnej czasochłonne i kosztowne procesy/usługi logistyczne testowanie i optymalizacja urządzeń do produkcji modułów etapy produkcji: I. cięcie, szlifowanie krawędzi, otwory (Innsbruck, Schott MDI /Mainz) II. czyszczenie szkła (Fraunhofer ISE/Freiburg, Schott MDI /Mainz) III. laserowe strukturyzowanie szkła: Schott MDI / Mainz IV. drukowanie: Sunplugged / Mieming, Thieme / Teningen V. etapy końcowe: wypalenie, spiekanie, barwienie, napełnianie, uszczelnianie: Fraunhofer ISE / Freiburg 23

24 Produkcja laboratoryjna Produkcja modułów 60cm x 100cm Sunplugged / Mieming, Thieme / Tenningen testowanie przemysłowych sitodrukarek: trudne w doświadczeniach, problem ustalania parametrów, problem z ustawieniem parametrów i zakresów początkowych i końcowych, parametry pozostają stabilne, nieoptymalna pozycja rakli (pasta jest przesunięta poza zakres drukowania) konieczność zaprojektowania i zoptymalizowania skrzyń do transportowania wydrukowanego szkła bez uszkodzenia nadrukowanego obrazu 24

25 Produkcja laboratoryjna Technologia sitodruku Czynniki warunkujące jakość sitodruku: formy, materiały, powłoki, układy graficzne prędkość, kierunek i ilość druku rodzaj sita rodzaj i lepkość pasty warunki otoczenia podłoże, rodzaj rakli jej twardość, kształt i kąt ostrza układ: pasta - sito rakla Foto: Powierzchnia i parametry sita: różne napięcia sit w zależności od materiału (s.poliestrowe / s.hybrydowe) wpływ temperatury taki sam materiał dla wszystkich sit w produkcji zawsze sita trampolinowe sita V-Screen Gewebe (ciekłokrystaliczne - poliarowe włókna): większe napięcie sita Sito poliestrowe / Koenen 25

26 Produkcja Suszenie i wypalanie nadrukowanych warstw suszenie: laminator, piec tunelowy suszenie pod ciśnieniem z temperaturą proces suszenia wpływa na profil krawędzi warstw suszenie konwencjonalne suszenie pod ciśnieniem wypalanie: Sinternofen pęcherzyki po podwójnym nadrukowaniu fryty szklanej pęcherzyki z sitodruku (powiekszenie: 500x) pęcherzyki z kurzu i nieczystości (powiekszenie: 500x) 26

27 Produkcja laboratoryjna Spiekanie: końcowy montaż, łączenie szkieł puste przestrzenie dla szybkich profili temperaturowych zła jakość fryty szklanej dla wolnych profili temperaturowych powierzchnia szkła wygina się przez niejednorodne chłodzenie (grafitowa podkładka pieca zatrzymuje ciepło) puste przestrzenie po niezoptymalizowanych puste przestrzenie po szybkich profilach temperaturowych profilach temperaturowych pęcherzyki po wysokich/długich profilach temperaturowych 27

28 Produkcja laboratoryjna Barwienie i napełnianie elektrolitem stworzono prototypową stacje napiełnień do modułów 60cm x 100cm barwienie i napełnianie ogniwa po termicznej obróbce (stacja napełnień, pompa azotowa i próżniowa) procesy jednolite: tak długo, aż wartwa TiO 2 zostanie optycznie jednolicie zabarwiona (barwienie) i tak długo, aż ogniwo zostanie całkowicie i efektywnie wypełnione (napełnianie) opracowano metody i dopasowano paramety procesów ilość absorbowanego barwnika nie jest kontrolowana, co wpływa negatywnie na wydajność i stabilność Barwienie modułu Ręczne napełnianie pojedynczych ogniw Automatyczne jednoczesne napełnianie pojedynczych ogniw 28

29 Produkcja laboratoryjna Uszczelnianie / zamykanie ogniwa decyduje o chemicznej i mechanicznej stabilności powinno zapobiegać wnikaniu wody i tlenu do ogniwa, pod uwagę należy wziąć rozszerzalność cieplną elektrolitu poszukiwanie nowych metod i materiałów oczyszczanie otworu (plazma) automatyczna stacja do zamykania otworów: kamera/sonda do rozpoznania otworu zbiornik na klej UV, dozownik i cylinder dla szkieł zamykających, UV-Dioda 29 otwory ( 1 mm) w szkle TCO wiercone laserem (10 s) /F. EdgeWave, F.Louwer/ zachowanie czystości konieczne, brak mikropęknięć

30 Wprowadzenie Podstawy Rozwój technologii DSC Prezentacja Produkcja laboratoryjna Kontrola jakości Charakterystyka Podsumowanie Wnioski 30

31 Kontrola jakości Przykładowe tematy związane z materiałami zanieczyszczenia TCO Kontakt: TiO 2 - TCO Kontakt: Pt - TCO Kontakt: TCO - fryta szklana bariera: TCO - fryta szklana TCO 31 zanieczyszczenia pozostają po wypalaniu punkty o obniżonym kontakcie dyfuzja przez nieszczelne powierzchnie przykład warstwy TiO2 pasty niezoptymalizowanej wysoki stopień dyspersji pasty TiO 2 konieczny SEM / Fraunhofer ISE

32 Kontrola jakości Przykładowe tematy związane z materiałami TCO fryta szklana TCO pasta platynowa nadrukowana na TCO po wypaleniu dobra stabilizacja cząstek koloidalnych Pt (małe punkty) wyspowe osadzania na kryształach TCO (SnO 2 :F) dobre zwilżenie powierzchni TCO podczas wypalania i spiekania TCO jest potencjalnym kanałem dla dyfuzji jonów (H +, I -, itd.) fryta szklana jest potencjalnym kanałem dla defektów (pęcherzy itp.) SEM / Fraunhofer ISE 32

33 Kontrola jakości Przykładowe tematy związane z materiałami: Widok od strony fotoelektrody fryta szklana TiO 2 TCO fryta szklana Ag TCO TCO zostało całkowicie usunięte, ablacja laserowa jest widoczna w linii poziomej żółty obszar: Ag na szkle,tco zostało całkowicie usunięte Mikroskop optyczny Olympus/Fraunhofer ISE 33

34 Kontrola jakości Mechaniczny, termiczny UV test stabilności Wytrzymałość obciążeniowa: wytrzymłościowy test z 1200 Pa pro m²: 500 cykli przegięć do uszkodzenia modułu; Rezultat: brak uszkodzeń Wytrzymałość statyczna: gradowy test z kulkami lodu (D = 2,5 cm i prędkością 23 m/s), bombardowanie w różnych miejscach 4 uchwyty montażowe na krawędzi, Rezultat: brak widocznych uszkodzeń czy wewnętrznych korozji Stabilność termiczna: test termiczny w piecu w 85 C (1000 godzin) Rezultat: spadek sprawności do 2% dla cieczy jonowych, 5-10% dla e.acetonitrylowych/ e.propionitrylowych stabilne ogniwa z barwnikiem C101 i N719 Stabilność UV: test UV w Lampie UV (1000 godzin) Rezultat: spadek sprawności do 5% dla cieczy jonowych, 10% dla e. acetonitrylowych/ e. propionitrylowych, stabilne ogniwa z barwnikiem C101 i N719 brak zmian optycznych 34

35 Wprowadzenie Podstawy Rozwój technologii DSC Prezentacja Produkcja laboratoryjna Kontrola jakości Charakterystyka Podsumowanie Wnioski 35

36 Charakterystyka Metody pomiarowe barwnikowych ogniw słonecznych Elektrochemiczne metody badawcze (elektroda / elektrolit, elektrolicie) cyklowoltamperometria (CV) elektrochemiczna impedancja spektroskopowa (EIS) spektroskopia elektroabsorpcyjna (EAS) pomiar zaniku fotonapięcia (V oc decay ) Foto/Fraunhofe r ISE Testowe Masterplate z maska, która zapewnia brak refleksów z jasnej powierzchni fryty szklanej CV pomiary outdoor pomiary pod kątem 45 pomiar intensywności nasłonecznienia (pyranometr) określenie parametrów: j sc, V oc, n, FF 36 CV i EIS pomiary indoor pomiary w 22 C i 45 C w symulatorze słonecznym 1000Wm -2 określenie parametrów: j sc, V oc, n, FF, R ct EAS pomiary pomiary w 22 C, 45, 60 C, zmiany potencjału, wielkości / symetrii pulsu, określenie parametrów: stała dyfuzji, koncentracja jonów na elektrodzie V oc decay pomiary pomiary w 22 C określenie transportu jonów w elektrolicie (dyfuzja)

37 Wprowadzenie Podstawy Rozwój technologii DSC Prezentacja Produkcja laboratoryjna Kontrola jakości Charakterystyka Podsumowanie Wnioski 37

38 Podsumowanie rozwój wyskalowanych na dużą powierzchnie ogniw DSC: moduł 60 cm x 100 cm (3,5%, 2,2 A, 7,6V, FF 62% ) opracowanie i zoptymalizowanie modułu 10 cm x 10 cm (7,1%, 647mA/cm 2, 1.45V, FF 56%) optymalizacja grafitowej elektrody do budowy tanich ogniw (6,5%, 15 ma/cm 2, 0,68V, FF 75%) zastosowanie cieczy jonowych, zapewniających funkcjonowanie ogniwa DSC kontrola jakość modułu 60 cm x 100 cm została sprawdzona znalezienie metod pomiarowych do charakterystyki ogniw DSC stworzono demonstracyjne fasady fotowoltaiczne strategiczny biznes plan dla komercjalizacji technologii DSC komercjalizacja technologii DSC: współpraca z firmami przemysłowymi (projekty regionalne, krajowe i europejskie) komercjalizacja technologii DSC w Polsce: laboratorium PV i linia produkcyjna / f. ML System, Rzeszów 38

39 Wnioski/kolejne kroki zastosowanie zoptymalizowanego wzoru w produkcji modułów (udział fryty szklanej mniejszy o 50%, poprzeczne linie, zoptymalizowany Z-Kontakt) optymalizacja procesu barwienia i napełniania modułów opracownie technki uszczelniania / zamykania otworów do napełniania modułów charakterystyka modułów produkcja zoptymalizowanej grafitowej elektrody kontrola jakości zgodnie z normami certyfikacji modułów fotowoltaicznych i szkła architektonicznego zaprojektowanie i stworzenie barwnikowych fasad fotowoltaicznych poszukiwanie nowych zastosowań technologii DSC 39

40 Grupa FOS/ Fraunhofer ISE Andreas Hinsch Welmoed Veurman Joanna Kaminska Katrine Flarup Jensen Henning Brandt Ramiro Loayza Aguirre 40

41 Dziękuję za uwagę! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Katarzyna Anna Bialecka 41