2015-11-10 Lysande material för solceller & lydioder http://www.light2015.org/Home.html 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 2015-11-10 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 CSP – att förånga vatten 6 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 2015-11-10 Energi per ytenhet Energi från solen • Fotosyntesen  biomassa - biobränsle – Effektivitet < 1% 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 • Solvärme: – Vattenuppvärmning (hemma): Effektivitet  70% – Elektricitet: Konc solljus (CSP), turbiner, etc: Effektivitet  20% Medelenergi: 100-200 W/kvm • Solel (solceller) – Direkt omvandling: Effektivitet  20% 9 Att absorbera ljus = energi … färg 10 Solceller … låt oss fokusera på materialen 11 12 3 2015-11-10 Halvledare Ljusabsorption Energi A Ledningsband Tomma - Bandgap Valensband Fyllda +Atom/molekyl material Kluster Ljus => fotoström Makroskopiskt Ofta lite mer komplicerat … Atomorbitaler => ’band’ 13 Klassiskt: Kiselbaserade solceller 14 Olika typer av kisel-baserade solceller Amorphous Polycrystalline Monocrystalline Efficiency / % Ökande effektivitet ProgPhotovolt, 2008 Ökande kostnad … För dyr teknik (?) 15 16 4 2015-11-10 Hinder Drivkraften • 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) Experterna kan idag inte entydigt säga om en solcellsinvestering är klokt eller oklokt !!! • Nationer: Ekonomiskt oberoende • Krav: Billig nog att konkurrera med fossila bränslen 18 17 Framställning Polykristallina solceller Varför så dyrt ? - Termodynamik (från+IV till 0 tillstånd) - Upprening --- annars ingen kontroll Kisel är en dålig ljusabsorbent => 100-200 m Uppskärning => 50% materialförluster - Kapaciteten??? –> GW-skala? 19 20 5 2015-11-10 Ljusabsorption och bandgap Absorption coefficient … Det finns massor av halvledarmaterial Många av dem är utmärkta ljusabsorbenter 3 30 300 Penetration depth [µm] 0.3 Finns det några alternativ? => 1240 890 690 Tunna filmer (1-2 m)av halvledare på t ex glas 560 480 410 nm Endast ljus med energi > bandgapet absorberas 90% absorption för~200µm (Kisel) and ~1µm (t ex GaAs) 21 Hur letar man efter nya halvledarmaterial ? Nr valenselectroner 1 2 3 4 5 22 Tunnfilmsceller - CIGS He 6 B C N O F Ne ZnO + tunt skikt av n-CdS Al Si P S Cl Ar p-CIGS = fast lösning av Cu(In,Ga)Se2 (1-3 µm) Ge Ga As Zn Cu Mo (elektrodmaterial) Se Ga CuGaSe2 Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Substrat (glas) Ge Ga Zn As Bandgap varierar Ge ZnGeAs2 IV III-V II-VI ProgPhotovolt, 2008 MEN: In, Ga & tillverkning ger dyra celler ! Dvs sammalagt 4 elektroner / atom i en diamont-liknande struktur 23 24 6 2015-11-10 Tunnfilmsceller- CdTe metal 300 nm Te 10 nm CdTe 2-6 µm CdS 150 nm Kostnads- och effektivitetsökning … I. Kiselbaserad II. Tunnfilm, CIGS III. Polymera solceller Grätzel-celler SnO2 ITO 300 nm glass Rekordeffektivitet: 16.4% Mål: <5 kr/Wp eller >20% effektivitet för<1000 kr/kvm 25 Organiska/Polymera solceller 26 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 2015-11-10 Flexibla, billiga & uppskalningsbara Som vanligt, lite mer komplicerade … Konarka, USA 29 Utmaningar 30 Allt hänger ihop – samma material • Effektivitet (låga) • Förluster (rekombination) • Stabilitet (tål inte ljus) Photodiode 31 LED = Light Emitting Diode (recombinations radiative) 32 8 2015-11-10 OLED – Omvända organiska solceller Lysdioder - LED 33 Typisk elektrokemisk cell 34 Grätzel-celler 2 elektroder + elektrolyt Rådande världsrekord: 18% Genomskärning 35 36 9 2015-11-10 Funktion Fotoelektrokemiska solcellen Resistans Färgämne I- I 3- TiO2 TCO Redoxelektrolyt 37 38 Fotografi Sensitering – ganmla typen av fotografi AgBr(s) en halvledare (och jonledare) Gråskalorna matchar inte färgerna Belysning ger e- som reducerar Ag+ AgBr blind för grönt, gult & rött Ledningsband h·υ ∆E = 2.69 eV (dvs 460 nm) Valensband => Agn kluster (svarta fläckar i negativet) Lösning: Sensiterare (jfr solceller!) 39 40 10 2015-11-10 Olika typer av sensiterare (färgämnen) Solens spektrum Solar spectrum AM1.5 Global, 1000W m-2 5 1014 2 14 3 10 1 14 2 10 0 200 Red Yellow Green Blue UV 0.5 400 600 NC O Photons flux [s-1 cm-2] Irradation [W m-2 nm-1] 4 1014 1.5 S S 800 1000 1200 1400 S N O O O C219 Ruteniumbaserad 1 1014 InfraRed COOH Si Porfyrin Organisk TPAbaserad 0 1600 Wavelength [nm] Synligt ljus Kom ihåg ! 41 42 Solcellerna OLED igen Rekommendation: Beloit College, Wisconsin http://chemistry.beloit.edu/edetc/nanolab/ Lab cells Monolithic cells (Swerea IVF AB) 43 44 11 2015-11-10 Estetiska ! Fördelar & nackdelar + • ’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 Toyota (Jpn) Sony (Jpn) • Komplexa, samverkande reaktioner (måste balanseras) • Stabilitet • Konkurrens från andra tekniker Dyesol (Aus) G2E (Genèves fpl) 46 45 ’Perovskit’ ersätter färgämnet – Booom! Resultatet av 30 minuters arbete 2013: Cellen ger: • Nästan 0,5 V spänning • Halvtaskig ström • ca 0,5% verkningsgrad … • 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 Ammonium-baserad: (MA)PbI3 – Idag: >20% http://www.nobelmuseum.se/sv/forskarhjalpen/soljakten 47 48 12 2015-11-10 Gränserna suddas ut CdTe metal MxTey CdTe CdS CuInSe2 a-Si:H LEED – en elektrokemisk cell Grätzel Organiska ZnO Ag CdS CIGS Pt metal a-Si:H SnO2 electrolyte dye Organic TiO2 ITO/SnO2 Mo ZnO/SnO2 ITO SnO2 Glass Glass Glass Glass Glass Industriell produktion Nya teknologier 49 50 The future is so bright, you gotta wear shades … (Timbuk3 1986) 51 13