Forskning & Framsteg probe light pump light. Monochromator PIA. Signal analysis. Solceller från köket COOH.

Transkript

1 probe light pump light Monochromator Forskning & Framsteg PIA Signal analysis S COOH CN Solceller från köket N Anders.Hagfeldt@epfl.ch

2 Välkommen till Lausanne! Något om solcellers användning Vad kan kemiska (Grätzel)solceller erbjuda? Bygg din egen solcell Hur funkar det? Det nya genombrottet i solcellsvärlden- Perovskit-solceller

3 Big changes can happen fast! 1900: Where is the car? 1913: Where is the horse? paradigm shift Tony Seba

4 Energi-Alternativen Globalt behöver vi idag 15 TW Perez 2009 På mindre än en timme får vi lika mycket energi från solen (globalt) som människan använder under ett år! 4

5

6

7 Italy Germany Spain World China USA

8 Some numbers Standard solar irradiation (AM 1.5G) means 1000 W/m 2 A solar panel of 1m 2 with 10% efficiency gives 100 W 1 MW is then about 1 soccer field with solar panels In Sweden we have about 1000 solar hours per year: 1 m 2 (10%) gives 100 kwh/year

9

10 25% verkningsgrad betyder att vi får ut 250 Watt (topp) el från 1 m 2 solcell

11

12

13

14 Två sanningar om kisel-solceller som har blivit falska - Att de är för dyra - Att det tar lång tid för solcellerna att generera tillbaka den energi som gått åt att producera dom

15

16

17 2017/07/26/companias/ _ html REDRenewablePolicyUpdateNo _ Grid parity 2015 Summer 2017: Production cost of photovoltaic electricity South Europe (Spain): 3.2 c /kwh Center Europe (Germany):5.6 c /kwh Electricity gross market price (Spain): 5-6 c /kwh Electricity retail price (Spain): c /kwh

18 Hur ser det ut i Sverige? Total elproduktion i Sverige 2015

19 men det ökar snabbt! Solcellsmarknaden i Sverige har dubblerats fyra år i rad För 2015 en ökning på 31%. Totalt installerat 127 MW (topp).

20 Kostnadsutveckling i Sverige

21 Vad kostar solceller i Sverige? Typiska modulpriser i SEK per Watt (topp). 10 gånger billigare 2015 jämfört med 2003.

22 Andra generationens solceller - Använder mindre material - Flexibla solceller - Kan i stor skala bli billigare än kisel - Lägre verknignsgrad - Exempel: - Kadmium Tellurid (CdTe) - CIGS

23 Produktion av Solceller 2014 Tyskland 2% USA 2% Malaysia 6% Korea 3% Japan 6% Kina 61%

24 Hur kan vi utmana Kina? Pingis Bragden 4/ Sverige Kina 5-0. Förändra spelet!

25 Kemiska Solceller en möjlig utmanare Sony, Japan - En tredje generation solcell som härmar fotosyntesen (sk Grätzel-celler) - Billiga(st?) - Design-möjligheter; färger, genomskinlighet - Flexibla, tunna och lätta - Formbara (i 3D?) - Vi säljer inte solceller utan en produkt med integrerad solcell

26 HANA AKARI FLOWER LAMP (SONY) 26

27 Photovoltaic hedge as power source for electric car charging statio

28 SwissTech Convention Center at EPFL, Lausanne

29 29

30 view: morning-sun

31 Bygg din egen solcell Julia Liljestrand demonstrerar skolcellen under kemiåret 2011

32 1 Skolcellslådans innehåll Skolcellslådan: Labbhandledning

33 Solceller från köket Vit målarfärg TiO 2 Färgämne Hallon, björnbär,... Elektrolyt: Saltlösning med jod Kontakter Pluspol: Grafit Solcellen driver en enkel display

34 Soljakten 2013 KTH/Uppsala universitet i samarbete med Nobelmuseet 25 skolklasser från Ystad i söder till Kiruna i norr Fler än 500 elever har hjälpt oss leta naturliga färgämnen (av vilka en del inte är så naturliga!) Omkring 200 olika färgämnen, färgade ämnen mm har testats 34

35 Soljakten - Postrar 35

36 Färgämnessensitering Dye-Sensitization Colour Photography, Erythrosin dye on Ag-halides. J. Moser, Monatsh. Chem. 8 (1887) 373 Mechanism of dye-sensitization. Rose bengal on ZnO. H. Gerischer and H. Tributsch, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 72 (1968) 437. Gerischer, H.; Michel-Beyerle, M. E.; Rebentrost, F.; Tributsch, H. Electrochim. Acta 1968, 13, 1509.

37 Genombrottet mot alla odds Brian O Regan and Michael Grätzel HOPV 2012, juanbisquert.wordpress.com Bob Beamon Nature, 1991, 353, J. Phys. Chem, 1990, 94, Olympic Games, Mexico, 1968 From < 1% 7.1% From 8.35 m 8.90 m

38 Hur funkar det? e - e - hn e - E e - e - I - / I 3 - e - TCO TiO 2 Dye Electrolyte

39 The three key ingredients of dye sensitized solar cells Färgämne Titandioxid Elektrolyt Chemical Structure of N3 Dye 20 nm Titania nanoparticles Ionic liquid Iodide/tri-iodide redox couple

40 Varför går laddningarna åt rätt håll? e - fs e - COOH e - ns - ms + ns - ms ms e - HOOC HOOC N N N Ru N C S + N N C S COOH Titandioxid Färgämne Elektrolyt Exciterat färgämne

41 Hur kan vi förbättra var finns förlusterna? e - e - hn e - E e - e - I - / I 3 - e - TCO TiO 2 Dye Electrolyte

42 In 2010 we introduced the marriage between a blocking dye and Co-complex redox systems D35 Feldt, Gibson, Gabrielsson, Sun, Boschloo, Hagfeldt, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, Efficiency of 7% TiO 2 Dye Co-complex

43 Co-sensitization of two organic dyes; ADEKA-1 and LEG4 Cobalt-phenantroline as redox couple Top efficiency: 14.3%

44 Ett nytt genombrott 2012 Perovskit-solceller b PSC CH 3 NH 3 PbI 3 Courtesy Prof. Hongwei Han

45 PSCs evolved from the DSC The first embodiment of a PSC described by Miyasaka. In his 2009 JACS paper was a mesoscopic dye sensitized solar cell using ammonium lead halide perovskites as sensitizer and iodide base liquid electrolyte. Tsutomu (Tom ) Miyasaka playing his violin fabricated in 1835 in Torino Italy during the ICES 2014 conference dinner in Niseto, Hokkaido, Japan on February 06, 2014.

46 Correlation: Nobel Laureates & Chocolate consumption

47 Ursprungskonceptet detsamma som för Grätzel-solceller h + h + e - Glass substrate Photoanode spiro-meotad e -?? Ingen annan solcellsteknik har haft lika snabb utvecklingstakt! *

48 Vid EPFL har vi arbetat med att variera (blanda) sammansättningen av perovskit-materialet Allmän kemisk formel FA 1-x MA x Pb(I 1-x Br x ) Formamidinium Methylammonium

49 Our Champion Cells Dongqin Bi Voc = 1.13 V Jsc = 23.8 ma/ cm2 Ff = 0.78 PEC = 21.0 % Certified efficiency at Newport, 21.0%, Dec (hysteresis-free) Certified world record is 22.1% (March 2016) by Seok et al.

50 Dr. Xiong Li 2016 Vacuum flash treatment produces smooth and shiny perovskite films of high quality

51 Successful scale-up of a mesoscopic PSC to 1cm 2 size Stabilized power output for best cell with PCE of 20.3 % Certified PCE 19.6 % X. Li, D. Bi, C. Yi, J.-D.Décoppet, J. Luo, S. Zakeeruddin, A. Hagfeldt and M.Grätzel * Science, /science.aaf8060 (2016)

52 Recent Highlights (accepted by Science, online Sept. 29) Stability: 95% is retained after 500h of continous operation (MPP) at 85 o C and full illumination Best cell 21.8% Best Voc 1.24V (Eg = 1.63V) External Electroluminescence of 4% in PV configuration

53 Förhoppningar på en ny generation kemi-forskare! Från kemi-året i Uppsala 2011 We are the only science where things can be made that were never made before! Jacqueline Barton, CalTech.