Fälschung von Organischen Foto-voltaischen Einheiten

Dr. Matthias Haeussler, Zukünftiges Herstellungs-Flaggschiff, Commonwealth-Wissenschaftliche und Industrieforschungs-Einteilung (CSIRO), Australien
Entsprechender Autor: Matthias.Haeussler@csiro.au

Die Meisten heutiger handelsüblicher Solarzellen werden von den anorganischen Materialien wie hoch-gereinigtem Silikon gemacht, das sie teuer und weniger wettbewerbsfähig mit anderen Energiequellen wie Kohle macht. Die nächste Generation von Solarzellen ist die Leuchte attraktives, flexibel, und am wichtigsten, billig, weil sie von den organischen (Plastik) Materialien gemacht werden. Ihre flexiblen leichten Eigenschaften aktivieren sie, über einer großen Auswahl von Einrichtungen der Neuanmeldungen zum Beispiel, von Bauelementen Usw. ausgefahren zu werden, Energie aktivierend erzeugt zu werden, wo sie verwendet wird.

Solarzellen, auch genannt Solarzellen (PV) von den Wissenschaftlern, Bekehrtsonnenlicht direkt in Strom. PV gelangt seinen Namen vom Prozess der konvertierenden Leuchte (Photonen) an Strom (Spannung), der den PV-Effekt genannt wird.

Die Plastiksolarzellen, die aus organischen Halbleitern produziert werden, bieten das Potenzial an, effiziente Solarenergieumwandlung mit preiswerter Fälschung zu entbinden. Eine bedeutende Herausforderung zum auszugleichen ist, Leistungsfähigkeit zu verbessern, es gibt einen Bedarf, lichte-absorbierend Materialien mit effizienten Ladungstrennungs- und Ladungstransporteigenschaften zu entwickeln und sie in aktive Schichten Solarzellen mit einem esteuerten nanomorphology zu fabrizieren.

Ähnlich den Einheiten, die vom Silikon hergestellt werden, bestehen die lichte-absorbierend Schicht von organischen (OPV) Solarzellen aus ein P-artiges (Elektronendonator, D) und ein N-artiges (Elektronenakzeptor, A) Material, Abbildung 1. Allgemein verwendete P-artige organische Halbleiter enthalten die Polymere, die auf ThiophenBausteinen wie P3HT, PBTTT, PCPDTBT basieren.1 Die besten N-artigen Materialien bis jetzt sind Fullerenederivate wie PCBM und61 PDI gewesen. Diese aktive Schichtzusammensetzung wird zwischen einer transparenten Anode (z.B. Indiumzinnoxid, ITO) und einer metallischen (z.B. Aluminium, Al) Kathode eingeschoben.

Abbildung. 1 Energiediagramm einer organischen Solarzelle, welche die Prozesse mit einbezogen zeigt, wenn ein photocurrent erzeugt wird. Auch gezeigt Beispiele von typischen P- und N-artigen organischenhalbleitern.

Um eine Ladung zu erzeugen, erregt die Vorfallleuchte ein Elektron im Spendermaterial von seinem Boden (oder von am höchsten besetztem molekularem Orbital - HOMO) zum angeregten Zustand (oder zum niedrigsten unbesetzten molekularen Orbital - LUMO) und zu den Blättern hinter einem Loch oder einer positiven Ladung (Schritt 1 in der Feige. 1). Dieser Exciton bewegt dann sich zur DA-Schnittstelle, in der es eine Gebührenmitteilung auf das LUMO-Niveau des Akzeptanten durchmacht (Schritt 2). Transport des Elektrons zur Elektrode und der Rekombination mit dem Loch durch die externe Schaltung produziert ein photocurrent (Schritt 3).

Eine der Schlüsselherausforderungen in den organischen Materialien ist ihre in sich selbst niedrige Dielektrizitätskonstante, mit dem Ergebnis der verhältnismäßig kurzen ElektronDiffusionslängen, die mit anorganischen Halbleitern verglichen werden.2 Um eine effiziente Elektronübertragung zwischen den Spender und den Akzeptanten zu erzielen ist es notwendig dass die zwei Materialien innerhalb 10 nm der Näherung sind (Feige. 2A). Jedoch trotz des üblichen hohen Absorptionskoeffizienten von organischen Farben, wird eine minimale Stärke von 100 nm gefordert, um die Lichtabsorption zu maximieren.

Dieses Problem kann überwunden werden, indem man die Schnittstelle zwischen dem Spender und dem Akzeptanten optimiert, indem man die zwei Materialien in einer zerstreuten oder Massenheterojunctionsmorphologie (BHJ) während des Fälschungsprozesses anordnet (Feige. 2B). Infolgedessen wird ein ineinandergreifendes Netz aus den Spender- und Akzeptant-reichen Gebieten mit einem hohen Zwischenflächen- Bereich bei der Lieferung von Kanälen bestehend für Ladungstransport zu den Elektroden gebildet (Feige. 2C).

Abbildung. Entwurf 2 (a) von bilayer OPV, strukturell ähnlich traditionellen anorganischen Solarzellen, (b) von Ideal und (c) von wirklichem BHJ. Die Pfeile zeigen Bahnen für den Ladungstransport den Elektroden an.

Während die meisten Solarzellen des Prototyps, die im Labor entwickelt werden, entweder durch Drehbeschleunigungbeschichtung oder Sublimation fabriziert werden, kommt das wirkliche Potenzial für zukünftige Stromerzeugung der niedrigen Kosten von der Tatsache, dass jene organischen Halbleiter in der Lage sind, am hohen Volumen durch vorhandenes Handelszweispulendruckverfahren auf flexiblen Substratflächen des großen Gebiets hergestellt zu werden.3 Wissenschaftler und Ingenieure auf der ganzen Welt haben angefangen, Prozesse zu entwickeln, um dieses Ziel zu erzielen.

In Australien haben Forscher vom Zukünftigen Herstellungs-Flaggschiff CSIRO (Commonwealth-Wissenschaftliche und Industrieforschungs-Einteilung), zusammentuend mit den nationalen und internationalen Gruppen, vor kurzem über erfolgreiche Druckversuche gemeinsam mit Securency-International, eine Banknotendruckerei berichtet.4 Bedienend mit voller Drehzahl, konnte die Produktion bis zum Druck ramped pro Tag sein 200 Meter pro Protokoll oder insgesamt 100 kms. Eine gerichtete 10% Leistungsfähigkeit Annehmend, konnten genügende Solarzellen in fünf Monate gedruckt werden, um die gleichwertige Stromausgabe von einem Gigawattkraftwerk zu erzeugen (Feige. 3).

Abbildung. 3 Flexible organische Solarzellen auf Druckmaschine

Trotz aller Vorteile und enormen Potenzials für Stromerzeugung der niedrigen Kosten, müssen organische Solarzellen Investition und weitere Entwicklung fortsetzen, um den Absatzmarkt für Konsumgüter einzutragen. Insbesondere standen Fragen auf Morphologie in Verbindung und Langzeitstabilität der organischen Materialien muss beantwortet werden. Dennoch führen die großen Aussichten, die durch organische Solarzellen angeboten werden, uns auf einer aufregenden Reise in Richtung zur umweltfreundlichen und dauerhaften Stromerzeugung in der Zukunft.


Bezüge

1. A.J. Moule und K. Meerholz „Morphologieregelung in Lösung-aufbereiteten Solarzellenmischungen des MasseHeterojunction“ Brachten FunktionsMaterialien 19 (2009) 3028-3036 voran
2. B.A. Gregg und M.C. Hanna „Vergleichen organisch mit anorganischen Solarzellen: Theorie, Experiment und Simulation“ Zapfen Angewandter Physik 93 (2003) 3605-3614
3. Fälschung F.C. Krebs „und Aufbereiten von Solarzellen des Polymers: Eine Zusammenfassung Druck- und Beschichtungstechniken“ von Solarenergie-Materialien u. von Solarzellen 93 (2009) 394-412
4. Mediafreigabe: http://www.csiro.au/news/Trials-for-printable-plastic-solar-cells.html (letztes erreichtes Im Oktober 2009)

Copyright AZoNano.com, Dr. Matthias Haeussler (CSIRO)

Date Added: Oct 25, 2009 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:13

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