Organiczne ogniwa słonecznes. Ogniwa półprzewodnikowe. p przewodnikowe zasada ania. Charakterystyki fotoogniwa

Transkrypt

1 j Elektronika plastikowa i organiczna Organiczne ogniwa słonecznes Ogniwa półprzewodnikowe p przewodnikowe zasada działania ania Charakterystyki fotoogniwa współczynnik wypełnienia, wydajność Moc w obwodzie zewnętrznym: P=U*I Współczynnik wypełnienia A V P 2 P Pmax 1 Schemat układu pomiarowego U Wydajność:

2 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] Granica wydajności Wydajność: Przy oświetlaniu światłem monochromatycznym gdzie n liczba zdarzeń/s

3 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% Wpływ oporów w wewnętrznych R s R P R ob Charakterystyka ogniwa: R P 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 szkło+ito

4 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 PCBM

5 [60]PCBM, [72]PCBM, [84]PCBM [60]PCBM 2 - [72]PCBM 3 - [84]PCBM Mimo, Ŝe [60]PCBM najsłabiej absorbuje w świetle widzialnym, to ogniwa polimerowo [60]PCBM mają najwyŝszą wydajność 1 3 Jak dobrać skład? MDMO-PPV:PCBM J. K. J. van Duren, et. al. Adv. Funct. Mater., 2004, 14, 425 Współczynnik wypełnienia oraz napięcie U OC 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 skład? P3HT:PCBM

6 Jak dobrać skład? APFO-3:PCBM Diagram fazowy Morfologia warstw powstająca w wyniku separacji faz zaleŝy od drogi na diagramie fazowym Napięcie U OC - elektrody R.N. Marks et al. J. Phys. Condens. Matter 6(1994) ,8eV poziom próŝni 2,7eV LUMO 5,2eV HOMO 4,3eV Elektroda praca wyjścia [ev] Φ [ev] U OC [V] Al 4,28 0,5 1,2 Mg 3,66 1,2 1,2 ITO PPV Metal Ca 2,87 1,9 1,7

7 Napięcie U OC potencjał jonizacji donora A. Gadisa Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 1609 Al mieszanina 1:4 polimer potencjał jonizacji [V] I II III IV V VI PEDOT:PSS ITO napięcie U OC [mv] Napięcie U OC - elektrody A. Gadisa Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 1609 Napięcie U OC 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), 2,4,6- OMe (f), 3,4-methylenedioxy (g), 2-SMe (h), 4-SMe (i), and pentafluoro (j)

8 Napięcie U OC elektrody i mieszanina D. Chirvase PhD Thesis: Electrical Characterization of Organic Devices Case study: polythiophene-fullerene based solar cells Wpływ wygrzewania Wpływ wygrzewania Adv. Funct. Mater. 17(2007)1071 n R R=C n H 2n+1

9 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, Charakterystyki prądowo-napięciowe: a) normalna geometria b) odwrócona geometria

10 Gdzie powstaje prąd? Nano Lett., 4(2004)220; Synth. Met. 147(2001)101 Mapy topografii oraz fotoprądu Podwójne ogniwo polimerowe J. Y. Kim SCIENCE 317(2007)222 J sc = 7.8mA/cm 2, V oc = 1.24 V, FF = 0.67 η = 6.5%. Porządkowanie BHJ Advanced Functional Materials Volume 21, Issue 1, pages , 9 NOV 2010

11 Porządkowanie BHJ Advanced Functional Materials Volume 21, Issue 1, pages , 9 NOV 2010 Porządkowanie BHJ Widma absorpcji Wydajność kwantowa Charakterystyki I(U) Advanced Functional Materials Volume 21, Issue 1, pages , 9 NOV 2010 Light trapping struktury fotoniczne

12 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 O C 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