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