Organiczne ogniwa słonecznes. Tydzień temu. Energia słonecznas

Transkrypt

1 Elektronika plastikowa i organiczna Organiczne ogniwa słonecznes Tydzień temu 1. W diodach LED wykoanaych z półprzewodników nieorganicznych rekombinacja promienista zachodzi w obszarze złącza 2. W jednowarstwowych OLED rekombinacja promienista zachodzi w całej objętości 3. Wydajność OLED zaleŝy od ruchliwości nośników w warstwie organicznej 4. W sąsiedztwie elektrod metalicznych następuje zmniejszenie wydajności fluorescencji 5. Zastosowanie dodatkowej warstwy PEDOT:PSS zwiększa wydajność procesu wstrzykiwania dziur i zmniejsza chropowatość elektrody ITO 6. Zastosowanie kompleksów zawierających metale cięŝkie zwiększa wydajność OLED 7. Zastosowanie kopolimerów pozwala na precyzyjny dobór poziomów energetycznych 8. Technologia organicznych diod świecących wyszła juŝ z etapu laboratoryjnego Energia słonecznas Stała słoneczna: 1366,1 W/m² - tyle energii słonecznej dociera do Ziemi 30% z tego jest odbijane 20% pochłonięte w atmosferze do powierzchni Ziemi dociera średnio 180 W/m² Rozkład nie jest równomierny: na terenie Polski 1100kWh/(m 2 rok) Rośliny 0,01% energii wykorzystywane w procesie fotosyntezy Reszta ogrzewa atmosferę i powierzchnię Ziemi i jest bezpowrotnie tracona na promieniowanie podczerwone emitowane w kosmos

2 Wykorzystanie energii sł słonecznej Zwierciadło Archimedesa 510 r p.n.e. Koncentrator Augustina Mouchota, ParyŜ 1880 rok Wykorzystanie energii sł słonecznej Domowe systemy ogrzewania wody za pomocą kolektorów słonecznych System ogrzewania wody uŝytkowej System ogrzewania wody i CO Wykorzystanie energii sł słonecznej

3 Alternatywy? Fotoogniwa nieorganiczne Budowa i zasada działania: wykreowane blisko złącza p-n ekscytony ulegają dysocjacji pod wpływem pola elektrycznego złącza V elektroda półprzepuszczalna warstwa antyodbiciowa półprzewodnik typu n półprzewodnik typu p metal (Al.) Ogniwa fotowoltaiczne - trochę historii 1839 odkrycie zjawiska fotovoltaicznego Alexandre-Edmond Becquerel 1883 pierwsze ogniwo słoneczne (selen pokryty cienką warstwą złota) ~ 1% wydajności 1946 opatentowanie współczesnego ogniwa słonecznego 1953 obserwacja zjawiska fotovoltaicznego w domieszkowanym krzemie 1970 pierwsze fotoogniwo bazujące na arsenku galu Wzrost wydajności komercyjnych ogniw słonecznych: rok % (GaAs pojedyncze złącze) rok % (pierwsze ogniwa GaAs z podwójnym złączem) rok % (pierwsze ogniwa GaAs z potrójnym złączem) rok % najlepsze ogniwa GaAs (potrójne złącze)

4 j Wydajności typowych nieorganicznych ogniw słonecznychs Ogniwa półprzewodnikowe p przewodnikowe zasada działania ania Typowe charakterystyki I-UI Typowa charakterystyka prądowo-napięciowa oświetlonego fotoogniwa A V Schemat układu pomiarowego U prąd zwarcia I Sc napięcie w obwodzie otwartym U oc

5 j Charakterystyki fotoogniwa współczynnik wypełnienia, wydajność Moc w obwodzie zewnętrznym: P=U*I Współczynnik wypełnienia P 2 P Pmax 1 U Wydajność: Widmo promieniowania słonecznegos AM1.0 (zenit) AM1.5 ~ 48 O AM O Zgodnie z normą (ISO :1992) standard AM1.5 odpowiada rozkładowi widma słonecznego padającego pod kątem 48 O o strumieniu 1000W/m 2 Charakterystyki fotoogniwa zewnętrzna wydajność kwantowa Zewnętrzna wydajność kwantowa: gdzie: I λ fotoprąd, e ładunek elektronu, N λ gęstość strumienia fotonów (l.fotnonów/cm 2 /s/nm): EQE[%] fotoprąd natęŝenie strumienia fotonów długość fali [nm] długość fali [nm]

6 Granica wydajności Wydajność: Przy oświetlaniu światłem monochromatycznym gdzie n liczba zdarzeń/s Granica wydajności Przypadek idealny: KaŜdy foton o energii większej niŝ energia przerwy generuje ekscyton, który następnie ulega dysocjacji a powstałe w ten sposób swobodne ładunki dają wkład do prądu fotoogniwa Napięcie w obwodzie otwartym jest równe szerokości przerwy energetycznej 0,5 0,4 η=i SC U O /P IN 0,3 0,2 0,1 0, λ [nm] Granica 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%

7 x x x x Modelowy obwód d zastępczy Źródło prądu reprezentuje procesy powstawania ładunków w obszarze fotoogniwa R sh reprezentuje procesy rekombinacji nośników blisko miejsca ich powstawania Rs związany jest z przewodnictwem warstwy organicznej oraz elektrod C odzwierciedla procesy ładowania/rozładowywania się warstwy Modelowy obwód d zastępczy R s I L R P R ob I D I Rp I Prąd w obwodzie zewnętrznym: Napięcie w obwodzie zewnętrznym: Charakterystyka diody: n współczynnik dobroci diody Charakterystyka ogniwa: Wpływ oporów w wewnętrznych R s R P R ob R P

8 tekstura na powierzchni półprzewodnik typu n Budowa panelu słonecznegos półprzewodnik typu p kontakty Pojedyncze fotoogniwa dają niskie napięcia i muszą być łączone w większe panele Zastosowanie Domowe instalacje fotowoltaiczne Napięcie stałe musi zostać przekonwertowane na 220V prądu zmiennego za pomocą tzw. inwertera

9 Rozwój j technologii solarnych Po co nam organiczne ogniwa słoneczne Unikatowe właściwości mechaniczne Po co nam organiczne ogniwa słoneczne Tańsze metody produkcji

10 Organiczne ogniwa słonecznes Trochę historii: pierwsza koncepcja heterozłącza C. Tag 1985 (związki małocząsteczkowe) pierwsze ogniwa w których zastosowano fulereny C 60 N. S. Sariciftci 1992 polimerowe fotoogniwa o wydajności około 5% (mieszanina polimeru P3HT oraz rozpuszczalnej pochodnej C 60 PCBM) Budowa: elektroda metalowa warstwa półprzewodnika organicznego PEDOT:PSS szkłoito Zasada działania ania Wpływ morfologii na parametry fotoogniw O H 3 C O MDMO-PPV n C 60 PCBM Topografia cienkich warstw MDMO-PPV:PCBM (1:4) przygotowanych z roztworu w a) chlorobenzenie, b) toluenie

11 Wpływ morfologii na parametry fotoogniw C.M. Björström-Svanström et al. Advanced Materials 21 (2009) 1-6 dwuwarstwa (nakładana sekwencyjnie) rozpuszczalnik: chloroform samostratyfikująca się wielowarstwa rozpuszczalnik: chlorobenzen mieszanina jednorodna Wpływ morfologii na parametry fotoogniw C.M. Björström-Svanström et al. Advanced Materials 21 (2009) 1-6 A) Charakterystyki prądowo-napięciowe ogniw słonecznych przy oświetleniu AM1.5 (100 mw/cm 2 ) I S C U O C B) U OC = 1,02-1,05V J SC = 4,23 ma/cm 2 FF = 0,38 η = 1,66% Napięcie w obwodzie otwartym: U OC Prąd zwarcia: I SC Współczynnik wypełnienia Wydajność C) U OC = 1,02-1,05V J SC = 5,76 ma/cm 2 FF = 0,58 η = 3,46% U OC = 1,02-1,05V J SC = 4,76 ma/cm 2 FF = 0,49 η = 2,45% Wpływ morfologii na parametry fotoogniw C.M. Björström-Svanström et al. Advanced Materials 21 (2009) 1-6 R s R P R ob Schemat zastępczy ogniwa słonecznego Charakterystyki prądowo napięciowe nieoświetlonej diody Mała powierzchnia rozdziału -> mały prąd źródła R s = 300Ω R P = 16kΩ Większa powierzchnia rozdziału -> większy prąd źródła? R s = 75Ω R P = 13kΩ B. duŝa powierzchnia rozdziału -> największy prąd źródła? R s = 38Ω R P = 9,6kΩ

12 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 O C ale w wyniku przejścia przez atmosferę jego część zostaje pochłonięta Wydajność ogniw zbudowanych z mieszaniny polimerów zaleŝy od morfologii warstwy