Nanotechnologie en zonne-energieNanotechnologie en zonne energie…een toekomstvisie

Prof Dr Jean MancaProf Dr Jean MancaProf. Dr. Jean MancaProf. Dr. Jean MancaUniversiteit Hasselt Universiteit Hasselt -- Instituut voor MateriaalonderzoekInstituut voor Materiaalonderzoek

IMEC IMEC -- geassocieerd labo IMOMECgeassocieerd labo IMOMEC

WLS WLS –– 26 april 201026 april 2010

Nanotechnologie & zonne-energie…een toekomstvisie

UHasselt/IMO/IMEC.. : Who is who ?

De Tera-Watt uitdaging

De zon is een oplossing

Nanotechnologie & PV

Toekomst : Scenario 2020

IMO - IMOMEC

IMOMECIMOMECI tit tI tit t IMOMECIMOMEC

Divisie van IMEC vzw

Instituut voor Instituut voor Materiaalonderzoek (IMO)Materiaalonderzoek (IMO)

Onderzoeksinstituut UHasselt

Toegepast Onderzoek

UHasselt

Fundamenteel onderzoekg p

IMO - IMOMEC

IMOMECIMOMECI tit tI tit t IMOMECIMOMEC

Divisie van IMEC vzw

Instituut voor Instituut voor Materiaalonderzoek (IMO)Materiaalonderzoek (IMO)

Onderzoeksinstituut UHasselt

Toegepast Onderzoek

UHasselt

Fundamenteel onderzoek

IMO-IMOMEC

g p

IMO IMOMECWetenschapspark 1B-3590 Diepenbeek

90 wetenschappers en ingenieurs 20 technici en administratief personeel

IMO - IMOMEC

Kerncompetentiedomein

ONTWIKKELING EN ONDERZOEK VAN MATERIALEN VOOR GEBRUIK IN

C O O C O O O CMICRO –ELEKTRONICA, OPTO-ELEKTRONICA,BIO-ELEKTRONICA EN NANOTECHNOLOGIE

Focus: organische halfgeleiders nanogestructureerde anorganischeFocus: organische halfgeleiders, nanogestructureerde anorganische materialen en kunstmatig diamant

Verwevenheid onderzoek/onderwijs

Wetenschappen- & Ingenieursopleidingenism TU/e

Universiteit HasseltOnderzoeksondersteund onderwijs

Nanotechnologie & zonne-energie…een toekomstvisie

UHasselt/IMO/IMEC.. : Who is who ?

Energie voor toekomstige generaties

De Tera-Watt uitdaging

De zon is een oplossing

Nanotechnologie & PV

Toekomst : Scenario 2020

Energie voor toekomstige generaties

Prognose populatie

http://users.pandora.be/geowisvlio/Aardrijkskunde/bevolking.html

De Tera-Watt (TW=1012 W) uitdaging

Globaal energie verbruik : 15 TW (2050 : 30 TW)

De Tera-Watt (TW=1012 W) uitdaging

http://ec.europa.eu/research/energy/print.cfm?file=/comm/research/energy/gp/gp_imp/article_1082_en.htm

Energieverbruik

BelgiëIn % van het totaal 1979 1995 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Totaal verbruik van primaire energie (a) 48.161 52.268 57.789 58.812 58.271 55.836 58.361 57.207

Vaste brandstoffen 22,8% 19,1% 12,9% 14,3% 13,2% 11,7% 10,6% 11,2%

Aardolie en aardolieproducten 51,9% 39,2% 40,9% 40,0% 41,0% 40,0% 41,4% 39,2%

Aardgas 19,4% 20,4% 23,1% 22,8% 22,7% 24,0% 24,7% 25,5%

Kernenergie 6,2% 20,6% 22,1% 21,3% 20,7% 22,1% 21,2% 21,5%

Hernieuwbare en gerecupereerde brandstoffen (b)

N/A N/A 0,8% 0,9% 0,9% 0,9% 1,1% 1,2%

Overige N/A N/A 0,2% 0,7% 1,4% 1,2% 1,0% 1,0%

(a) Ktoe: 1.000 ton olie-equivalent - 1010 kilocalorie.(b) Vanaf 1999.N/A: niet beschikbaar.

http://www.statbel.fgov.be/figures/d64_nl.asp

Evolutie fossiele brandstoffen

Wereldwijd : totale capaciteit = 13 TWVoornamelijk op basis van aardolie, gas en steenkoolNucleare capaciteit gelimiteerd en gecentraliseerd in een beperkte groep van landen (US, Canada, France, …)groep van landen (US, Canada, France, …)

4,52

4

5

2,7 2,963

4

TW

0,286

1,21

0,2860,8281

2

0Oil Coal Biomass NuclearGas Wind PV

Evolutie fossiele brandstoffen

Reserves (niet goed gedefinieerd):Aard-olie: 40 jaarA d 70 jAardgas: 70 jaarSteenkool: 200 jaar

Evolutie van CO2

Source: IEAIPCC-2007

Evolutie van CO2

Toename van CO2-niveau in atmosfeer dient onder controle gebracht te worden (nu ≅380 ppm = 30-40% hoger dan 100 jaar geleden)g j g )

450 ppm: onherstelbare schade van koraalriffen550 lt W t A t ti ij b k

Hoffert, University of New York:

550 ppm: smelten van West Antarctica ijsbanken

Koolstof-neutrale oplossingen:gNucleair: niet echt duurzaamHernieuwbare energie :

• wind biomassa zonwind, biomassa, zon

Evolutie van CO2

The Kyoto Protocol treaty was negotiated in December 1997 at the city of Kyoto, Japan and came into force February 16th, 2005.2005."The Kyoto Protocol is a legally binding agreement under which industrialized countries will reduce their collective emissions of greenhouse gases by 5.2% compared to the year 1990.”

(België : -7,5 %)

Energie-beleid Europa

Doel: gebruik van fossiele brandstoffen afbouwen en gzoeken naar duurzame en veilige energie -> op deze manier de CO2 – uitstoot verminderen

Doelstelling voor 2020 :20% energieverbruik in Europa = hernieuwbare % g penergie13% energieverbruik in België = hernieuwbare energie (2 2% in 2005)energie (2.2% in 2005)

Hernieuwbare energie

België vs Europa

Zonne-energie

Zonne-spectrum

‘Zwarte straling’

λp T = 2,9.10-3 m.K

T = 5700°C

T = 2500°C

T = 5700 C550 nm

Zonne-spectrum

Binnen atmosfeer aarde

Zonne-spectrum

Binnen atmosfeer aarde

Gates et al.: spectral properties of plants

Zonne-spectrum

10 micron

Fotovoltaïsche energie (PV)

Fotovoltaïsche zonne-energie =Omzetting van licht-energieg gin elektriciteit

Absorptie van licht (foton)Creatie van elektron gat paren (resp negatieve en positieveCreatie van elektron-gat paren (resp. negatieve en positieve

lading)Scheiding van gaten (+) en elektronen (-)Ladingstransport doorheen materiaal door diffusie of driftVia elektrodes elektrische stroom (energie) naar elektrischeVia elektrodes, elektrische stroom (energie) naar elektrische

toepassing

Fotovoltaïsche energie (PV)

Fotovoltaïsche zonne-energie =Omzetting van licht-energieg gin elektriciteit

Si : Eg = 1.1 eV ; 99% PV marktEfficiëntie commerciële Si-zonnecel : 10-15%(> efficiëntie fotosynthese)Piekvermogen zonlicht : 1000 W/m2

=> 100 W – 150 W elektrisch vermogen / m2

Energie-conversie & lichtdetectoreng

De zon is een oplossing

www.3E.be

PV is een oplossing

California: 1m²=1 at/jaar

1.5% van Europa = lobale elektriciteits raa 1m²=1 vat/jaar

België: 2m²globale elektriciteitsvraag

(η=12%)

PV is een oplossing

Zonne-energie : hoogste energie-opbrengst per hectare

Maar…Hoogste kostprijs!

=>voor TW-uitdaging lagere kostprijs PV

PV-kosten: leercurve

Kost van PV daalt met 20% bij verdubbeling van wereldwijd geaccumuleerd geproduceerd volume ; 2 drijfkrachten :

‘Scale learning’‘Technology learning’ : nieuwe (nano)technologie leidt tot versnelling leercurve

Kost van PV gelijk aan energie-generatie met fossiele brandstoffen bij eenKost van PV gelijk aan energie generatie met fossiele brandstoffen bij een geproduceerd volume > 100 GW

100

10

/Wp

[$/W

]

0 1

1

Cos

t/

0.110 100 1000 10000 100000

Accumulated production [MW]

Nanotechnologie & PV

Nanotechnologie Multidisciplinaire wetenschap op zeer kleine schaal (1 nanometer = 10-9 m)

Nanotechnologie & PV

Nanotechnologie Multidisciplinaire wetenschap op zeer kleine schaal (1 nanometer = 10-9 m)

Nieuwe MaterialenNiet-conventionele halfgeleiders : Halfgeleidende pol meren oligomerenHalfgeleidende polymeren, oligomeren, C60-derivaten, koolstof nanobuizen, metaaloxide nanodeeltjes,….

Nieuwe Concepten3D nanogestructureerde heterojunctie zonnecellen

PV generaties

1e generatie PV :silicium wafer-gebaseerde technologie

2e generatie PV : dunne films op ander substraat

3e generatie PV :

dunne films op ander substraat, vb. polykristallijn silicium op glas

3e generatie PV :dunne-film energie-conversie

Organische zonnecellenHybride zonnecellen Nanotechnologiey…

g

Organische halfgeleiders

Geconjugeerde polymeren Nobel Chemie 2000

Plastic Elektronica-laboratorium IMO

MBraun glovebox: N2 atmosphere

Class A solar simulator

Wafer probe

Organische zonnecellen

Dikte : 100 nm=> 1000X dunner dan Si

Organische zonnecellen

Dikte : 100 nm=> 1000X dunner dan Si

Werkingsprincipe

Donor materiaale.g. MDMO-PPV Licht absorptie (1)g

Acceptor materiaale.g. PCBM

Exciton formatie (2)

Exciton diffusie (3)

hhννhhνν

39

Werkingsprincipe

Licht absorptie (1)Donor materiaal

e.g. MDMO-PPVExciton formatie (2)

Exciton diffusie (3)

di h idi ( )

gAcceptor materiaal

e.g. PCBM

+

Ladingsscheiding (4)

+

40

Werkingsprincipe

Donor materiaale.g. MDMO-PPV Light absorption (1)g

Acceptor materiaale.g. PCBM

Exciton formation (2)

Exciton diffusion (3)

di h idi ( )Ladingsscheiding (4)

Ladingstransport (5)

Ladingscollectie (6)

+

Ladingscollectie (6)

41

Werkingsprincipe

42

Materiaalstudie op nanoschaalAnalytische technieken voor studie van morfologie(TEM, SEM, EBSD, EBIC, XRD, SPM, NMR,..)

P3HT:PCBM

Nanoschaal elektrische metingen

PEO-PPV:PCBM

Elektro-optische eigenschappen

•Goris et al. APL 2006•Benson-Smith et al. AFM 2007

High sensitive spectroscopy (FTPS)E

MDMO-PPV

MDMO-PPVPCBM

CT

PCBM

PCBM

Highly sensitive EQE measurements

Stabiliteit/Levensduur

45

PV generaties

1e generatie PV :silicium wafer-gebaseerde technologie

2e generatie PV : dunne films op ander substraat

3e generatie PV :

dunne films op ander substraat, vb. polykristallijn silicium op glas

3e generatie PV :dunne-film energie-conversie

Organische zonnecellenHybride zonnecellen Nanotechnologiey…

g

Grätzel-, kleurstof-zonnecel, DSCC

Artificiële fotosynthese

Nanocrystalline TiO2Film : 10-20 μmDeeltjes : 10-30 nm

ITO<10Ω/sq

Grätzel-, kleurstof-zonnecel, DSCC

Grätzel-, kleurstof-zonnecel, DSCC

50

PV-zonnebril

52

‘Hybride’ zonnecel

Polymeer:metaaloxide PV:y‘combinatie v/h beste van 2 werelden’‘GROENE’ Hybride zonnecellen’:‘Water als solvent !’

ZnO-nanostaafjes – L.Baeten (UHasselt), 2008

PV generaties

7.9 %

Organische zonnecellen :Roadmap

1.6

1.8100000

AM 1.5MDMO-PPV

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1000

10000

dian

ce (W

.m-2.n

m-1) MDMO-PPV

c-Si

α (cm-1)

200 400 600 800 1000 1200 1400-0.2

0.0

0.2

0.4

10

100Irrad

λ (nm)

Organische zonnecellen :Voordelen & toekomst

Lage kost & grote oppervlakken (outdoor)Laag gewicht : o.a. mobiele toepassingen

l ti b t tplastic substraten< 1 micron totale dikte van device

Breed toepassingsgebiedWerkt ook onder lage lichtintensiteit (vb. indoor)Minder afhankelijk van invalshoek licht

Eenvoudige preparatielage T opdamping of printing(vb Inktjet Spray coating)(vb. Inktjet, Spray-coating)

Organische zonnecellen :Voordelen & toekomst

EsthetischDesign vrijheidSemi-transparent (vb. Architectuur)p ( )Flexibel (vb. integratie in textiel)

Organische zonnecellen :Voordelen & toekomst

EsthetischDesign vrijheidSemi-transparent (vb. Architectuur)p ( )Flexibel (vb. integratie in textiel)

PV : een snelgroeiende markt

World PV Growth (1999-2007)6000 90%

Source: Photon International

69%

34%40%40%42%

67%

45%40%

4000

5000

50%

70%

row

th R

ate

34%40%30%

3000

4000

[Mw

p/y]

10%

30%

Gr

1000

2000-10%

Solar Cell Production

Yearly Growth rate

0

1000

-50%

-30%

Solar Cell Production 202 0 287 0 401 0 560 0 750 1256 1815 0 2536 0 4279 0

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Solar Cell Production 202.0 287.0 401.0 560.0 750 1256 1815.0 2536.0 4279.0

Yearly Growth rate 30% 42% 40% 40% 34% 67% 45% 40% 69%

PV schept economische kansen

Source: The McKinsey Quarterly, the economics of solar power, june 2008

PV : een zonnige toekomst

Join us towards an intelligent and sustainable future