Lysande material för solceller & lydioder



Relevanta dokument
Framtidens energiåtgång. Soljakten Energi från Solen. Alternativen. Energi per ytenhet. Vi behöver alltså 12 TW

Föreläsning 6: Opto-komponenter

Komponen'ysik Dan Hessman Lektor i fasta tillståndets fysik. Tel:

Physics to Go! Part 1. 2:a på Android

Halvledare. Periodiska systemet (åtminstone den del som är viktig för en halvledarfysiker)

Laborationer i miljöfysik. Solcellen

Föreläsning 6: Opto-komponenter

Laborationer i miljöfysik. Solcellen

Föreläsning 2 - Halvledare

Föreläsning 13: Opto- komponenter

Välkomna till Så producerar du din egen el. En del av Mölndal Stads Hållbarhetsvecka mars

ICH Q3d Elemental Impurities

Elen direkt från solen. - en otrolig utveckling?

Komponen'ysik Dan Hessman Lektor i fasta tillståndets fysik. Tel:

De delar i läroplanerna som dessa arbetsuppgifter berör finns redovisade på den sista sidan i detta häfte. PERIODISKA SYSTEMET

Föreläsning 2 - Halvledare

Miljöfysik vt2009. Mikael Syväjärvi, IFM

Nmr-spektrometri. Matti Hotokka Fysikalisk kemi

Halogenlampa Spektrometer Optisk fiber Laserdiod och UV- lysdiod (ficklampa)

Beslut om frigränser för radioaktiva ämnen

Kemisk bindning I, Chemical bonds A&J kap. 2

ETE310 Miljö och Fysik VT2016 BELYSNING. Linköpings universitet Mikael Syväjärvi

Fortbildning i elektrokemi för lärare i grundskolan och gymnasiet. KRC, SU,

De delar i läroplanerna som dessa arbetsuppgifter berör finns redovisade på den sista sidan i detta häfte. PERIODISKA SYSTEMET

Kvantfysik i praktiken lysdioder och laserdioder

Energimyndighetens solcellsverksamhet

Svensk författningssamling

Professor Jan-Olof Dalenbäck Maria Haegermark. Installationsteknik Energi och miljö Chalmers tekniska högskola

De delar i läroplanerna som dessa arbetsuppgifter berör finns redovisade på den sista sidan i detta häfte. PERIODISKA SYSTEMET

Agenda. Vad är vad? Solfångarsystem - solvärme Typer av solfångare Sol-värme-ekonomi

Strålsäkerhetsmyndighetens föreskrifter (SSMFS 2008:10) om införsel och utförsel samt rapportering av radioaktiva ämnen

Solcellens historik. Solceller för elproduktion. Solcellen. Modulen. Konsultföretag inom solcellsområdet sedan Verksamhet

Fortbildning i elektrokemi för lärare i grundskolan och gymnasiet. KRC, SU,

Nanoelektronik. FAFA10 Kvantfenomen och nanostrukturer HT Martin Magnusson.

Materialfysik vt Materiens optiska egenskaper. [Callister, etc.]

Föredrag av Tor Paulin för kursen seminarier på svenska 2009 LYSDIODER: TEKNOLOGI OCH FRAMTIDSUTSIKTER

Strålskyddsförordning; i sin lydelse (SFS 1988:293 med ändringar t.o.m. SFS 2001:618 införda).

10.0 Grunder: upprepning av elektromagnetism

10.0 Grunder: upprepning av elektromagnetism Materialfysik vt Materiens optiska egenskaper. Det elektromagnetiska spektret

Biobränsle. Biogas. Effekt. Elektricitet. Energi

Bilaga 2. Ackrediteringens omfattning. Kemisk analys /1313

Välkomna till kursen i elektroniska material! Martin Leijnse

ämnen omkring oss bildspel ny.notebook October 06, 2014 Ämnen omkring oss

Sebastian Häggström, EE1c, El- och Energiprogrammet, Kaplanskolan, Skellefteå.

De delar i läroplanerna som dessa arbetsuppgifter berör finns redovisade på den sista sidan i detta häfte. PERIODISKA SYSTEMET

Sol i sinnet - inspirationslåda om solenergi

Partiell Skuggning i solpaneler

Kap 8 Redox-reaktioner. Reduktion/Oxidation (elektrokemi)

Syntes Solkraft och solväte Uppdrag Energimyndigheten. Bengt Ridell

Formelsamling för komponentfysik

BANDGAP Inledning

Strålsäkerhetsmyndighetens författningssamling

Galvaniska element. Niklas Dahrén

Fö 13 - TSFS11 Energitekniska system Batterier

SOLENERGI. Solvärme, solel, solkraft

Solceller. Producera egen el - en lysande idé!

Allmänna anvisningar: Fullständiga uträkningar och svar krävs för full poäng på samtliga beräkningsuppgifter.

Strålsäkerhetsmyndighetens författningssamling

Hållbar utveckling Vad betyder detta?

Hjälpmedel: räknare, formelsamling, periodiska system. Spänningsserien: K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au. Kemi A

Kompendieinnehåll. Vad är Forskarhjälpen Delmoment... 8

Solenergi - Ett lysande energialternativ

Välkomna till kursen i elektroniska material!

Studiebesök årskurs 6 Kraftvärmeverket

Spänningsserien och galvaniska element. Niklas Dahrén

Lösningsförslag - Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

Tentamen i komponentfysik

Strålsäkerhetsmyndighetens författningssamling

Solceller i dag och i framtiden

Formelsamling för komponentfysik. eller I = G U = σ A U L Småsignalresistans: R = du di. där: σ = 1 ρ ; = N D + p n 0

Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. Elektricitet

Strålsäkerhetsmyndighetens ISSN:

FAFA55, 2015 Föreläsning 16, läsvecka 7 14 december 2015

WORKSHOP: EFFEKTIVITET OCH ENERGIOMVANDLING

Energimyndighetens solcellsverksamhet

SKB Korrosion av koppar i rent syrefritt vatten

Kemin för Moores lag. Hur kemisterna möjliggör utvecklingen av datorerna. Henrik Professor i Oorganisk kemi

Men även om man kan studera så små partiklar hur kan man tillverka nya material i tillräckligt stora mängder för att det ska kunna bli kommersiellt?

Vad är KiselGermanium?

Komponentfysik Introduktion. Kursöversikt. Hålltider --- Ellära: Elektriska fält, potentialer och strömmar

Prislista effektiv from rev. 3 Analyseringen följer tillgängliga ASTM-metoder

Provningslaboratorier Kretslopp och vatten Mölndal Ackrediteringsnummer 0045 Lackarebäcks vattenverk Laboratorium A

4. Om dioden inte lyser: Vänd den så att den första tråden rör zinkspiken och den andra tråden rör kopparspiken.

Institution/Avdelning. Prefekt/motsv. Underskrift, Prefekt /motsv för Inst/Avd/Enhet/Grupp. Namnförtydligande. Kontaktperson:

Så här jämför du olika system och produkter

Sol, vind och vatten möjligheter till egen energiproduktion. MEN FÖRST Peter Kovács, SP Energiteknik

Galvaniska element. Niklas Dahrén

Tunnfilmssolceller Idéer och produkter. Marika Edoff. Uppsala Universitet och Solibro Research AB

Introduktionsföreläsning i FTF Kristallstruktur, elekronstruktur+excitationer, egenskaper (optiska, magnetiska )

Introduktion till halvledarteknik

Driv en miniräknare med... Spenat. Blåbär. Skolcellslådan: Labbhandledning

Uppgiften Materiel Brunn nummer Metall eller metallkombination

Elektron-absorbtionspektroskopi för biomolekyler i UV-VIS-området

Solpaneler. Solpanelssystem: Solpanelssystemet består av: Solpanel Regulator Batteribank

Tentamen ges för: Kemiingenjör tillämpad bioteknik, startår 2014

Fasta Tillståndets Fysik - Elektroniska material

Ett materials förmåga att leda elektrisk ström beror på två förutsättningar:

Om oss. Futura Energi Solceller för det nordiska klimatet!

Bergvärme. Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. X är värmen i berggrundens grundvatten. med hjälp av värmepump.

Grundläggande energibegrepp

Transkript:

Lysande material för solceller & lydioder Lars Kloo Tillämpad fysikalisk kemi KTH Kungliga Tekniska högskolan STOCKHOLM http://www.light2015.org/home.html 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

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 140 000 hem Stiftelse: Europeiskt samarbete, investering kring 400 miljarder EUR gått i graven? 7 8 2

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: 100-200 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 11 12 3

Halvledare Ljusabsorption Energi Tomma Ledningsband Bandgap - A Fyllda Atom/molekyl Kluster material Valensband Makroskopiskt + - Ljus => fotoström Ofta lite mer komplicerat Atomorbitaler => band 13 14 Klassiskt: Kiselbaserade solceller Olika typer av kisel-baserade solceller Amorphous Polycrystalline Monocrystalline Efficiency / % För dyr teknik (?) ProgPhotovolt, 2008 Ökande effektivitet Ökande kostnad 15 16 4

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!!! 17 18 Framställning Polykristallina solceller Varför så dyrt? - Termodynamik (från+iv till 0 tillstånd) - Upprening --- annars ingen kontroll - Kapaciteten??? > GW-skala? Kisel är en dålig ljusabsorbent => 100-200 m Uppskärning => 50% materialförluster 19 20 5

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 0.3 3 30 300 1240 890 690 560 480 410 nm Penetration depth [µm] Endast ljus med energi > bandgapet absorberas 90% absorption för~200µm (Kisel) and ~1µm (t ex GaAs) 21 22 Hur letar man efter nya halvledarmaterial? Tunnfilmsceller - CIGS Nr valenselectroner 1 2 3 4 5 6 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! 23 24 6

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 25 26 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! 27 28 7

Flexibla, billiga & uppskalningsbara Som vanligt, lite mer komplicerade Konarka, USA 29 30 Utmaningar Allt hänger ihop samma material Effektivitet (låga) Förluster (rekombination) Stabilitet (tål inte ljus) Photodiode LED = Light Emitting Diode (recombinations radiative) 31 32 8

Lysdioder - LED OLED Omvända organiska solceller 33 34 Typisk elektrokemisk cell Grätzel-celler Genomskärning 2 elektroder + elektrolyt Rådande världsrekord: 18% 35 36 9

Fotoelektrokemiska solcellen Funktion Resistans Färgämne I - I 3 - TCO TiO 2 Redoxelektrolyt 37 38 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!) 39 40 10

Solens spektrum Olika typer av sensiterare (färgämnen) 2 Solar spectrum AM1.5 Global, 1000W m -2 5 10 14 Irradation [W m -2 nm -1 ] 1.5 1 0.5 UV Green Blue Red Yellow InfraRed 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 4 10 14 3 10 14 2 10 14 1 10 14 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! 41 42 OLED igen Solcellerna Rekommendation: Beloit College, Wisconsin http://chemistry.beloit.edu/edetc/nanolab/ Lab cells Monolithic cells (Swerea IVF AB) 43 44 11

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) 45 46 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 2013-40-45 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 http://www.nobelmuseum.se/sv/forskarhjalpen/soljakten Ammonium-baserad: (MA)PbI 3 Idag: >20% 47 48 12

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 49 50 The future is so bright, you gotta wear shades (Timbuk3 1986) 51 13