Lysande material för solceller & lydioder

Transkript

1 Lysande material för solceller & lydioder Lars Kloo Tillämpad fysikalisk kemi KTH Kungliga Tekniska högskolan STOCKHOLM 2 Energi från solen Att absorbera ljus = energi = färg Fotosyntesen biomassa - biobränsle Effektivitet < 1% Solvärme: Vattenuppvärmning (hemma): Effektivitet 70% Elektricitet: Konc solljus (CSP), turbiner, etc: Effektivitet 20% Solel (solceller) Direkt omvandling: Effektivitet 20% 3 4 1

2 Energi från solen Att absorbera ljus = energi färg Fotosyntesen biomassa - biobränsle Effektivitet < 1% Solvärme: Vattenuppvärmning (hemma): Effektivitet 70% Elektricitet: Konc solljus (CSP), turbiner, etc: Effektivitet 20% Solel (solceller) Direkt omvandling: Effektivitet 20% 5 6 CSP att förånga vatten DESERTEC Ivanpah, Mojave-öknen i Kalifornien (Google) Invigd av president Obama, 2014 Ska försörja hem Stiftelse: Europeiskt samarbete, investering kring 400 miljarder EUR gått i graven? 7 8 2

3 Energi per ytenhet Energi från solen Solljus i olika regioner: SE: 1079 kwh per kvm och år (44 (S)) GE: 1014 kwh per kvm och år ES: 1586 kwh per kvm och år Medelenergi: W/kvm Fotosyntesen biomassa - biobränsle Effektivitet < 1% Solvärme: Vattenuppvärmning (hemma): Effektivitet 70% Elektricitet: Konc solljus (CSP), turbiner, etc: Effektivitet 20% Solel (solceller) Direkt omvandling: Effektivitet 20% 9 10 Att absorbera ljus = energi färg Solceller låt oss fokusera på materialen

4 Halvledare Ljusabsorption Energi Tomma Ledningsband Bandgap - A Fyllda Atom/molekyl Kluster material Valensband Makroskopiskt + - Ljus => fotoström Ofta lite mer komplicerat Atomorbitaler => band Klassiskt: Kiselbaserade solceller Olika typer av kisel-baserade solceller Amorphous Polycrystalline Monocrystalline Efficiency / % För dyr teknik (?) ProgPhotovolt, 2008 Ökande effektivitet Ökande kostnad

5 Drivkraften Hinder Individer: Ekonomiskt oberoende Nyckelord: Diversifiering och Småskalighet Ingen har solceller Reglerna krångliga (t ex ingen nettodebitering) Fula (!?) För lite sol på vintern (sommarstugan?) Oklar lönsamhet (investeringen) Nationer: Ekonomiskt oberoende Krav: Billig nog att konkurrera med fossila bränslen Experterna kan idag inte entydigt säga om en solcellsinvestering är klokt eller oklokt!!! Framställning Polykristallina solceller Varför så dyrt? - Termodynamik (från+iv till 0 tillstånd) - Upprening --- annars ingen kontroll - Kapaciteten??? > GW-skala? Kisel är en dålig ljusabsorbent => m Uppskärning => 50% materialförluster

6 Ljusabsorption och bandgap Finns det några alternativ? Det finns massor av halvledarmaterial Många av dem är utmärkta ljusabsorbenter => Tunna filmer (1-2 m)av halvledare på t ex glas Absorption coefficient nm Penetration depth [µm] Endast ljus med energi > bandgapet absorberas 90% absorption för~200µm (Kisel) and ~1µm (t ex GaAs) Hur letar man efter nya halvledarmaterial? Tunnfilmsceller - CIGS Nr valenselectroner Ga Ge As B Al C Si N P O S F Cl He Ne Ar ZnO + tunt skikt av n-cds p-cigs = fast lösning av Cu(In,Ga)Se 2 (1-3 µm) Zn Se Cu Ga Ge Ga As Zn Ge CuGaSe 2 ZnGeAs 2 Cu Ag Au Zn Ga Ge As Se Br Kr Cd In Sn Sb Te I Xe Hg Tl Pb Bi Po At Rn IV III-V II-VI Mo (elektrodmaterial) Substrat (glas) Bandgap varierar ProgPhotovolt, 2008 Dvs sammalagt 4 elektroner / atom i en diamont-liknande struktur MEN: In, Ga & tillverkning ger dyra celler!

7 Tunnfilmsceller- CdTe Kostnads- och effektivitetsökning metal Te 300 nm 10 nm CdTe CdS SnO 2 ITO 2-6 µm 150 nm 300 nm I. Kiselbaserad II. Tunnfilm, CIGS III. Polymera solceller Grätzel-celler glass Rekordeffektivitet: 16.4% Mål: <5 kr/w p eller >20% effektivitet för<1000 kr/kvm Organiska/Polymera solceller Organiska material Organiska material --- molekylära/polymera (oändligt många att välja på ) Olika typer PEDOT Spiro-OMeTAD Single layer OPV Bilayer OPV Heterojunction OPV Large surface!

8 Flexibla, billiga & uppskalningsbara Som vanligt, lite mer komplicerade Konarka, USA Utmaningar Allt hänger ihop samma material Effektivitet (låga) Förluster (rekombination) Stabilitet (tål inte ljus) Photodiode LED = Light Emitting Diode (recombinations radiative)

9 Lysdioder - LED OLED Omvända organiska solceller Typisk elektrokemisk cell Grätzel-celler Genomskärning 2 elektroder + elektrolyt Rådande världsrekord: 18%

10 Fotoelektrokemiska solcellen Funktion Resistans Färgämne I - I 3 - TCO TiO 2 Redoxelektrolyt Sensitering ganmla typen av fotografi Fotografi AgBr(s) en halvledare (och jonledare) Belysning ger e - som reducerar Ag + Gråskalorna matchar inte färgerna AgBr blind för grönt, gult & rött Ledningsband h υ E = 2.69 ev (dvs 460 nm) => Ag n kluster (svarta fläckar i negativet) Valensband Lösning: Sensiterare (jfr solceller!)

11 Solens spektrum Olika typer av sensiterare (färgämnen) 2 Solar spectrum AM1.5 Global, 1000W m Irradation [W m -2 nm -1 ] UV Green Blue Red Yellow InfraRed Photons flux [s -1 cm -2 ] Ruteniumbaserad Porfyrin O O N C219 S O O S Si S Organisk TPAbaserad NC COOH Wavelength [nm] Synligt ljus Kom ihåg! OLED igen Solcellerna Rekommendation: Beloit College, Wisconsin Lab cells Monolithic cells (Swerea IVF AB)

12 Fördelar & nackdelar Estetiska! + Kökskemi (dvs enkla att tillverka) Billiga (glaset dyrast) Relativt hög effektivitet Fungerar även i diffust ljus (dvs inomhus, då mulet etc) Estetiska Fungerar bättre desto högre temperatur Sony (Jpn) Toyota (Jpn) - Komplexa, samverkande reaktioner (måste balanseras) Stabilitet Konkurrens från andra tekniker Dyesol (Aus) G2E (Genèves fpl) Resultatet av 30 minuters arbete Perovskit ersätter färgämnet Booom! Cellen ger: Nästan 0,5 V spänning Halvtaskig ström ca 0,5% verkningsgrad 2013: Tillsammans med Nobelmuseet klasser på högstadiet (åk 8 el 9) - Ca 1200 elever Hjälpte oss leta efter naturliga färgämnen Fler än 200 färgämnen Poster-tävling under Nobel-veckan i Stockholm Ammonium-baserad: (MA)PbI 3 Idag: >20%

13 Gränserna suddas ut LEED en elektrokemisk cell CdTe CuInSe 2 a-si:h Organiska Grätzel metal MxTey CdTe CdS ZnO CdS CIGS Ag a-si:h metal Organic Pt dye SnO 2 electrolyte TiO 2 ITO/SnO 2 Mo ZnO/SnO 2 ITO SnO 2 Glass Glass Glass Glass Glass Industriell produktion Nya teknologier The future is so bright, you gotta wear shades (Timbuk3 1986) 51 13