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La prochaine génération photovoltaïque sera-t-elle organique ? par Jean Manca | Liege Creative,...

Date post: 05-Jul-2015
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Description:
Les nanomatériaux semi-conducteurs organiques offrent des solutions intelligentes et durables dans une large gamme d'applications dites "propres" : de la production d'énergie renouvelable à l'électronique. Le potentiel de marché pour les applications "nano-tech" organiques est donc énorme. Partant du constat que la majeure partie des nouvelles connaissances dans ce domaine se trouve aujourd’hui au sein des universités et des centres de recherches, le projet Organext a vu le jour afin de fournir une plateforme aux entreprises leur permettant d'utiliser les compétences développées par les partenaires du projet et de les diriger vers des applications et des produits innovants.
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Parole d’expert Jean MANCA, UHasselt, Organext project coordinator Will the next photovoltaic generation be Organic ?
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Page 1: La prochaine génération photovoltaïque sera-t-elle organique ? par Jean Manca | Liege Creative, 25.04.13

Parole d’expert

Jean MANCA, UHasselt, Organext project coordinator

Will the next photovoltaic generation be Organic ?

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Avec le soutien de :

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WILL THE NEXT PHOTOVOLTAIC GENERATION BEWILL THE NEXT PHOTOVOLTAIC GENERATION BEORGANIC ?ORGANIC ?

Prof dr Jean Manca - Universiteit HasseltProf.dr. Jean Manca Universiteit [email protected]

Château de Colonster, Liège 25/04/2013Château de Colonster, Liège 25/04/2013

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The The TeraTera--WattWatt (TW=10(TW=101212 W) W) challengechallenge

Global power consumption : 15 TW (2050 : 30 TW)

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The sun is a solutionThe sun is a solution

www.3E.be

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Photovoltaic energy (PV)Photovoltaic energy (PV)

– Peak power sunlight : 1000 W/m2

– Si : Eg = 1.1 eV ; 99% PV market– Efficiency commercial Si-solar cell : 10-15%

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PV is a solutionPV is a solution

California: 1m²=1 barrel/year

1.5% of Europe = global elektricity demand 1m 1 barrel/year

Belgium : 2m²elektricity demand

(η=12%)

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PV is a solutionPV is a solutionSolar energy : highest energy yield per hectare

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PV is a solutionPV is a solutionSolar energy : highest energy yield per hectare

But…Highest cost!

=>for TW-challenge lower gcost PV

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PVPV--costs: learning curvecosts: learning curvecost of PV reduces with 20% with a doubling of worldwide accumulated production ;

2 driving forces :

‘S l l i ’– ‘Scale learning’– ‘Technology learning’ : novel (nano)technologies lead tot

accelerated learning curvecost of PV equal ith energ generation based on fossile fuels at a produced olume >cost of PV equal with energy generation based on fossile fuels at a produced volume >

100 GW 100

10W

p [$

/W]

1

Cos

t/W

0.110 100 1000 10000 100000

Accumulated production [MW]Accumulated production [MW]

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PV GENERATIONSPV GENERATIONSTHINNER, BETTER, CHEAPER & Different, ,

1st generation PV :1 generation PV :Si wafer-based technology

2nd generation PV : Thin-film Si on different substrate

3rd generation PV :Thin-film energy-conversionNano-materials based :O i l ll-Organic solar cells

-Grätzel solar cells-Hybrid solar cells-…

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OrganicOrganic Electronics Electronics

Semiconductive inks paint solutionCarbon-basedSemiconductive inks, paint, solution

SOLUBLE!

Solution processable Printable

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OrganicOrganic Electronics Electronics

• Emerging key technology for the 21st century• Variety of applications: LEDs, transistors, electrochromic windows,

(bio)sensors, solar cells,..• Novel generation of electronics: printable, flexible, smart textiles,..• Broad economic perspectives (also for SME’s)• Solar cells: renewable energy and intelligent ambient

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

Thickness : 100 nm=> 1000X thinner than Si

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

Thickness : 100 nm=> 1000X thinner than Si

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

Thickness : 100 nm=> 1000X thinner than Si

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

Donor material

e.g. P3HT

Acceptor materials

LUMOe.g. PCBM

Bulk heterojunction (BHJ) LUMOBulk heterojunction (BHJ)Cathode

HOMO HOMO

Metal-I Metal-IIPolymer Acceptor

acceptorpolymerAnode

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

Light absorption (1)

Light absorption (1)E it f ti (2)

Light absorption (1)

Exciton formation (2)

Exciton diffusion (3)

LUMO

Exciton formation (2)Exciton diffusion (3)

hhνν

LUMO

+HOMO HOMO

Metal-I Metal-IIPolymer Acceptor

Exciton diffusion length ≈10 nm

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

Light absorption (1)Light absorption (1)

Exciton formation (2)

Exciton diffusion (3) Charge ti ( f ) (4)

Charge separation (4)

LUMO

separation (∼ fs) (4)

+LUMO

HOMO HOMO

Metal-I Metal-IIPolymer Acceptor

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

Light absorption (1)Light absorption (1)

Exciton formation (2)

Exciton diffusion (3)Charge transport (5)

Charge separation (4)

Charge transport (5) LUMO

Charge transport (5)Charge collection (6)

Charge collection (6) LUMO

+ HOMO HOMO

Metal-I Metal-IIPolymer Acceptor

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

Light absorption (1)Light absorption (1)

Exciton formation (2)

Exciton diffusion (3)Charge transport (5)

Charge separation (4)

Charge transport (5) LUMO

Charge transport (5)Charge collection (6)

Charge collection (6) LUMO

+ HOMO HOMO

Metal-I Metal-IIPolymer Acceptor

Percolation paths

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

Light absorption (1)Light absorption (1)

Exciton formation (2)

Exciton diffusion (3)

Charge separation (4)

Charge transport (5)

Charge collection (6)‘Ideal’ morphology:- Donor and acceptor

phase separated at scale

+phase separated at scale< exciton diffusion length- ‘Highways’ for charges

t d l t dtowards electrodes

Percolation paths

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

• Flexible, semi-transparent, lightDesign freedom• Design freedom

• Architecture, textile, mobile apps, …

Konarka, Minolta, …

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OrganicOrganic solarsolar cellscells

• Carbon based :

‘artificial photosynthesis’

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GrätzelGrätzel--solarsolar cellcell

Artificial photosynthesis

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

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GrätzelGrätzel--solarsolar cellcell

Page 30: La prochaine génération photovoltaïque sera-t-elle organique ? par Jean Manca | Liege Creative, 25.04.13

Hybrid solar cell

HybridHybrid organicorganic::inorganicinorganic BHJBHJHybridHybrid organicorganic::inorganicinorganic BHJBHJMetal oxide (Metal oxide (ZnOZnO) ) nanonano--columnscolumns

P3HTP3HT+ZnOZnO

+

= 0 75%η= 0,75%

L. Baeten, B. Conings et al., Adv.Mater, Volume: 23 Issue: 25 Pages: 2802 (2011)

Page 31: La prochaine génération photovoltaïque sera-t-elle organique ? par Jean Manca | Liege Creative, 25.04.13

NanoNano--PVPV : : advantagesadvantages & & futurefuture‘Solar Paint’‘Solar Paint’Solar PaintSolar Paint

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NanoNano--PVPV : : advantagesadvantages & & futurefuture‘Solar Paint’‘Solar Paint’Solar PaintSolar Paint

“Printable PV”• Screen printing• Spraycoating• Inkjet printing• ……

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NanoNano--PVPV : : advantagesadvantages & & futurefutureLow costLow cost –– large arealarge areaLow cost Low cost large arealarge area

•Low cost & large area (outdoor)•Easy preparation low T evaporation & printing

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NanoNano--PVPV : : advantagesadvantages & & futurefutureLow costLow cost –– large arealarge areaLow cost Low cost large arealarge area

•Large area printing (screenprinting)EL-displays spin-off LUMOZA

www.lumoza.be

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NanoNano--PVPV : : advantagesadvantages & & futurefutureIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applications

•Low weight : e.g. mobile applicationsplastic substrates< 1 micron total thickness of device< 1 micron total thickness of device

•Broad application domainWorks also under low leight intensity (e.g. indoor)Less dependent on incidence angleLess dependent on incidence angle

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NanoNano--PVPV : : advantagesadvantages & & futurefutureIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applications

•New esthetical possibilities & design-freedom

Indoor & mobile applicationsIndoor & mobile applications

Design-freedom : colour & form

Semi-transparent : integration in glassp g g

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NanoNano--PVPV : : advantagesadvantages & & futurefutureIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applications

•New esthetical possibilities & design-freedom

Indoor & mobile applicationsIndoor & mobile applications

Design-freedom : colour & form

Semi-transparent : integration in glassp g g

IMEC

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NanoNano--PVPV : : advantagesadvantages & & futurefutureIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applications

•New esthetical possibilities & design-freedomFlexible : integration in textile

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NanoNano--PVPV : : advantagesadvantages & & futurefutureIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applicationsIndoor & mobile applications

•New esthetical possibilities & design-freedomFlexible : variety of substrates (plastic, glass, textile, paper, metal,..)

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Nano-PV : The road ahead…

PV-challenges :Increase of efficiencyRobust production processIncrease of lifetimeIncrease of lifetime

Neubers/KonarkaNREL

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Nano-PV : The road ahead…

PV-challenges :Increase of efficiencyRobust production processIncrease of lifetimeIncrease of lifetime

Neubers/Konarka

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Nano-PV : The road ahead…

PV-challenges :Increase of efficiencyRobust production processIncrease of lifetimeIncrease of lifetime

“Space is energy”p gy

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Nano-PV : The road ahead…

PV-challenges :Increase of efficiencyRobust production processIncrease of lifetimeIncrease of lifetime

“Space is energy”p gy“Solar Highway”

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Nano-PV : The road ahead…

PV-challenges :Increase of efficiencyRobust production processIncrease of lifetimeIncrease of lifetime

“Space is energy”p gyEstethical BIPV : “Solar buildings”/ “Solar Cities”

Page 45: La prochaine génération photovoltaïque sera-t-elle organique ? par Jean Manca | Liege Creative, 25.04.13

‘Future’ of OPV‘Future’ of OPV

Interdisciplinary domain  (joining forces)Interdisciplinary domain  (joining forces)

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Project : ORGANEXTProject : ORGANEXT

• Euregio Maas-Rhein Cluster of R&D centres and gindustrial partners

• Nano-materials and innovative deposition Nano materials and innovative deposition techniques

Next generation organic opto electronic• Next-generation organic opto-electronicapplications and thin film solar cells (organic electronics)

• Focus on knowledge exchange, technology and markets

Page 47: La prochaine génération photovoltaïque sera-t-elle organique ? par Jean Manca | Liege Creative, 25.04.13

Project Partners

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Project ORGANEXT (EMR. INT4-1.2.-2009-04/054) Selected in the frame of the

Operational Program INTERREG IV-A Euregio Meuse-Rhine Operational Program INTERREG IV-A Euregio Meuse-Rhine

Project ORGANEXT : www.organext.orgj g gNanomaterials & innovative deposition techniques for novel generation opto-

electronic applications and thin-film solar cells.

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J i t d i t lli tJoin us towards an intelligentand sustainable future

www organext bewww.organext.be


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