Laurea Triennale in Ingegneria dell’Informazione – Laurea Triennale in Ingegneria dell’Informazione – curriculum elettronicacurriculum elettronica

Laureando: Laureando: MARCO DELISE MARCO DELISE Relatore:Relatore: ANTONIO BOSCOLOANTONIO BOSCOLO

Anno Accademico 2010-2011Anno Accademico 2010-2011

CARATTERIZZAZIONE E CARATTERIZZAZIONE E MODELLIZZAZIONE ELETTRICA MODELLIZZAZIONE ELETTRICA

DI CELLE FOTOVOLTAICHE DI CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHEORGANICHE

IL FOTOVOLTAICOIL FOTOVOLTAICO CELLE FOTOVOLTAICHE IN SILICIO:CELLE FOTOVOLTAICHE IN SILICIO:

- Grandi efficienze - Grandi efficienze ✓✓

- Grandi spese produzione => Grande costo - Grandi spese produzione => Grande costo sul mercato sul mercato ✗✗

=> DIFFICOLTA’ A COMPETERE CON CARBONFOSSILI=> DIFFICOLTA’ A COMPETERE CON CARBONFOSSILI

2 STRADE POSSIBILI2 STRADE POSSIBILI::

incrementare efficienza => - incrementare efficienza => - superficie => - costi superficie => - costi

nuovi materiali fotogenerativi + nuovi materiali fotogenerativi + economici economici

FOTOVOLTAICO FOTOVOLTAICO ORGANICOORGANICO

Costi di produzione bassissimi:Costi di produzione bassissimi:

materiale organico in soluzione liquida => come industria materiale organico in soluzione liquida => come industria inchiostroinchiostro

Sottili => supporti flessibili => varietà applicazioneSottili => supporti flessibili => varietà applicazione

Bassa efficienza (6-8%)Bassa efficienza (6-8%)

Problemi durabilità ed instabilità a contatto con Problemi durabilità ed instabilità a contatto con ossigenoossigeno

RICERCA PER COMPRENDERE MEGLIO IL RICERCA PER COMPRENDERE MEGLIO IL FUNZIONAMENTOFUNZIONAMENTO

E MIGLIORARE PRESTAZIONI E MIGLIORARE PRESTAZIONI

FUNZIONAMENTO FUNZIONAMENTO FISICO/CHIMICOFISICO/CHIMICO

1. ASSORBIMENTO FOTONE

2. GENERAZIONE ECCITONE (coppia elettrone-lacuna)

3. DIFFUSIONE ECCITONE E SEPARAZIONE CARICHE ALL’INTERFACCIA 2

MATERIALI

4. RACCOGLIMENTO CARICHE AGLI ELETTRODI

GIUNZIONE TRA 2 MATERIALI NELLA CELLA: ACCETTORE DONATORE

CELLE SOLARI AD CELLE SOLARI AD ETEROGIUNZIONE ETEROGIUNZIONE

DISPERSADISPERSAPer aumentare superficie interfaccia donatore-accettore:Per aumentare superficie interfaccia donatore-accettore:

MISCELA MISCELA DI 2 MATERIALI ORGANICI (D-A) DI 2 MATERIALI ORGANICI (D-A)

=> superficie frattale => superficie frattale estesaestesa

STRUTTURA TIPICA:

ANODO(ITO) PEDOT:PS MATERIALE ATTIVO (BLEND POLIMERICA) CATODO (Al)

GRANDEZZE GRANDEZZE CARATTERISTICHE:CARATTERISTICHE:

CURVA I/VCURVA I/V- Tensione di circuito aperto

Voc

- Corrente di cortocircuito Isc

- Densità di corrente di cortocircuito Jsc =

Isc/A

- Fill Factor (Fattore di merito) FF%

- Efficienza (PCE) η%

CIRCUITO CIRCUITO EQUIVALENTEEQUIVALENTE

DIAGRAMMA NYQUISTCIRCUITO EQUIVALENTE

PROGRAMMA PROGRAMMA DELLA TESIDELLA TESI

COSTRUZIONE CELLE ORGANICHE P3HT-PCBMCOSTRUZIONE CELLE ORGANICHE P3HT-PCBM (le più studiate)(le più studiate)

con con DIVERSI SPESSORIDIVERSI SPESSORI 150÷250nm 150÷250nm

CARATTERIZZAZIONE/MODELLIZZAZIONE:CARATTERIZZAZIONE/MODELLIZZAZIONE:

- CURVE I/V- CURVE I/V

- DIAGRAMMI DI NYQUIST => CIRCUITO - DIAGRAMMI DI NYQUIST => CIRCUITO EQUIVALENTEEQUIVALENTE

CONFRONTO VALORI CONFRONTO VALORI

RICERCA RELAZIONI PRESTAZIONI/SPESSORERICERCA RELAZIONI PRESTAZIONI/SPESSORE

COSTRUZIONE COSTRUZIONE DELLE CELLEDELLE CELLE

DEPOSITAZIONE DEPOSITAZIONE BLENDBLEND

Preparazione supporto vetro-ITO:Preparazione supporto vetro-ITO:

etching, ritaglio, numerazione e pulituraetching, ritaglio, numerazione e pulitura

Preparazione della blend:Preparazione della blend:

P3HT:PCBM (1:1) 40mg/ml in ODCBP3HT:PCBM (1:1) 40mg/ml in ODCB

Depositazione blend: Depositazione blend: SPIN-COATINGSPIN-COATING (( -> retta di -> retta di taratura per diversi taratura per diversi

spessori)spessori)

ELETTRODI E ELETTRODI E SIGILLATURASIGILLATURA

Trattamento termico (Trattamento termico (ANNEALINGANNEALING))

Rimozione strisce blend per elettrodiRimozione strisce blend per elettrodi

Elettrodi Al:Elettrodi Al:

- posizionamento mascherina- posizionamento mascherina

- - EVAPORAZIONEEVAPORAZIONE alluminio (PVD) alluminio (PVD)

SIGILLATURASIGILLATURA

CELLE RISULTANTICELLE RISULTANTI

37 CELLE CREATE37 CELLE CREATE

CARATTERIZZAZICARATTERIZZAZIONE E ONE E

MODELLIZZAZIONMODELLIZZAZIONEE

PROBLEMA PROBLEMA CONTATTICONTATTI

Necessità Necessità CONTATTATURA STANDARDCONTATTATURA STANDARD::

elettrodi di alluminio sottili => elettrodi di alluminio sottili => rovinabilirovinabili

saldatura contatti (non possibile) saldatura contatti (non possibile) ✗✗

supporto con graffette (non saldo) supporto con graffette (non saldo) ✗✗prime 22 celleprime 22 celle

contatti a coccodrillo (rischio Al) contatti a coccodrillo (rischio Al) ✗✗

carbontape (troppo resistivo) carbontape (troppo resistivo) ✗✗

pin fissati + vernice conduttiva pin fissati + vernice conduttiva ✓✓

CURVE I/VCURVE I/VKeithley 2400 Sourcemeter (+ LabView): Keithley 2400 Sourcemeter (+ LabView):

INTERVALLO: [-1;1] V STEP: 100mVINTERVALLO: [-1;1] V STEP: 100mV

BUIO: scatola oscuratrice LUCE: lampadina 60W, rete, distanza BUIO: scatola oscuratrice LUCE: lampadina 60W, rete, distanza 5±0.5cm5±0.5cm

USCITA: V USCITA: V ENTRATA: IENTRATA: I

MEDIA DI 3 MISURE MEDIA DI 3 MISURE ogni elettrodoogni elettrodo

FIGURE DI MERITO:FIGURE DI MERITO:

Voc Voc Isc (=> Jsc)Isc (=> Jsc)

FF FF ηη

ANALISI ANALISI IMPEDENZAIMPEDENZA

Impedance Analyzer 4192A (+ LabView):Impedance Analyzer 4192A (+ LabView):

INTERVALLO: [7-100K]Hz scala logaritmica (5 pti/dec) INTERVALLO: [7-100K]Hz scala logaritmica (5 pti/dec) BIAS: 0VBIAS: 0V

BUIO: scatola oscuratrice LUCE: lampadina 60W, rete, BUIO: scatola oscuratrice LUCE: lampadina 60W, rete, distanza 5±0.5cmdistanza 5±0.5cm

MEDIA DI 3 MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE LUCE MISURE RILEVATE LUCE

MEDIA DI 3 MISURE MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE BUIO RILEVATE BUIO

.. ogni elettrodo.. ogni elettrodo

MODELLIZZAZIONMODELLIZZAZIONEE

IMPEDANCE ANALYZER: CIRCUITO-SERIE

MODELLIZZAZIONMODELLIZZAZIONE: RpE: Rp

MODELLIZZAZIONMODELLIZZAZIONE: CpE: Cp

ALTRE MISUREALTRE MISUREMisura Area Attiva Misura Area Attiva : ogni elettrodo: ogni elettrodo

Scanner -> conto pixels (“Gimp 2”)Scanner -> conto pixels (“Gimp 2”)

(in base a parametro noto)(in base a parametro noto)

Misura Spessore Misura Spessore : ogni cella: ogni cella

taglio -> Profilometro Alfa Tencor taglio -> Profilometro Alfa Tencor

MEDIA DI3 MISURE RILEVATEMEDIA DI3 MISURE RILEVATE

VALORE VALORE DERIVATODERIVATODA Cp: εDA Cp: εrr

VALORE VALORE DERIVATODERIVATODA Rp: σDA Rp: σ

CONFRONTO CONFRONTO VALORIVALORI

IPOTESI IPOTESI NECCESSARIENECCESSARIE

- Misura spessore valida per tutta la cellaMisura spessore valida per tutta la cella

- Condizioni ambientali/Procedure mantenute costanti Condizioni ambientali/Procedure mantenute costanti

=> blend uguale per concentrazione, purezza e trattamento => blend uguale per concentrazione, purezza e trattamento ricevuto ricevuto

- Intensità luminosa costante durante misurazioniIntensità luminosa costante durante misurazioni

- Riscaldamento indotto nella cella costanteRiscaldamento indotto nella cella costante

- Contattatura simileContattatura simile

POSSO FARE MEDIE: tra i 2 elettrodi (=> POSSO FARE MEDIE: tra i 2 elettrodi (=> valorivalori validi x validi x cellacella))

POSSO FARE CONFRONTO TRA LE CELLE RISPETTO POSSO FARE CONFRONTO TRA LE CELLE RISPETTO SPESSORE SPESSORE

CONFRONTO CONFRONTO LUCE/BUIO:LUCE/BUIO:

DIAGRAMMA DI NYQUISTDIAGRAMMA DI NYQUIST

BLU: buio

ROSSO: luce

CONFRONTO CONFRONTO LUCE/BUIO: LUCE/BUIO: Rp e CpRp e Cp

BLU: buio ROSSO: luce

✓ Luce: molta + corrente

✓Luce: + cariche che si accumulano all’interno

Rp

Cp

CONFRONTO TRA CONFRONTO TRA CELLE:CELLE:

necessità di normalizzarenecessità di normalizzare Dipendenza Rp e Cp dalla sezione dello strato attivoDipendenza Rp e Cp dalla sezione dello strato attivo

(variabile da elettrodo ad elettrodo)(variabile da elettrodo ad elettrodo)

NORMALIZZAZIONE RISPETTO NORMALIZZAZIONE RISPETTO ALL’AREAALL’AREA

PER ATTUARE IL CONFRONTO PER ATTUARE IL CONFRONTO

RISPETTO AL SOLO RISPETTO AL SOLO SPESSORESPESSORE

Rp*A Cp/ARp*A Cp/A

CONFRONTO TRA CONFRONTO TRA CELLE:CELLE:

diagrammi di Nyquist diagrammi di Nyquist normalizzatinormalizzati

CONFRONTO TRA CONFRONTO TRA CELLE:CELLE:

Rp*ARp*A

CONFRONTO TRA CONFRONTO TRA CELLE:CELLE:

Cp/ACp/A

OSSERVAZIONIOSSERVAZIONI Rp*A: PIU’ GRANDI PER SPESSORI GRANDI (in teoria)Rp*A: PIU’ GRANDI PER SPESSORI GRANDI (in teoria)

…… NON AVVIENE! NON AVVIENE! => ρ non => ρ non costante!costante!

Cp/A: PIU’ PICCOLA PER SPESSORI GRANDI (in teoria)Cp/A: PIU’ PICCOLA PER SPESSORI GRANDI (in teoria)

… … NON AVVIENE! NON AVVIENE! => ε non => ε non costante!costante!

BLEND NON OMOGENEE NELLE BLEND NON OMOGENEE NELLE CELLECELLE

CONFRONTO CONFRONTO CELLE:CELLE:

conduttività σconduttività σ

CONFRONTO CONFRONTO CELLE:CELLE:

costante dielettrica relativa costante dielettrica relativa εεrr

RICERCA DI RICERCA DI RELAZIONIRELAZIONI

TABELLE TABELLE RIASSUNTIVE:RIASSUNTIVE:

caratt. geometriche e caratt. geometriche e d’impedenzad’impedenza

TABELLE TABELLE RIASSUNTIVE:RIASSUNTIVE:

figure di meritofigure di merito

(* Energia luminosa incidente alla cella non misurabile => il valore è rispetto ad una costante => numero interessa solo per il confronto, non in assoluto)

FIGURE DI FIGURE DI MERITOMERITO

vs SPESSORE vs SPESSORE

- Voc pressochè indifferente a variazioni di spessore

- Jsc cresce in modulo con spessori più grandi, plateau

FIGURE DI FIGURE DI MERITOMERITO

vs SPESSOREvs SPESSORE

- FF indifferente a variazioni di spessore

- Efficienza disposta in modo abbastanza casuale

ALTRE RELAZIONIALTRE RELAZIONI

Voc cresce al crescere di Rp*A

Efficienza cresce al crescere di Rp*A

OSSERVAZIONI E OSSERVAZIONI E CONCLUSIONICONCLUSIONI

- Ipotesi forti per effettuare confronto (e => ricerca Ipotesi forti per effettuare confronto (e => ricerca relazioni)relazioni)

- Pochi dati disponibili (5 celle finali considerate) Pochi dati disponibili (5 celle finali considerate)

- Grande dispersione dei valori rilevatiGrande dispersione dei valori rilevati

=>=> necessità: necessità:

- standardizzazione procedura di - standardizzazione procedura di creazione cellecreazione celle

- numero elevato di campioni- numero elevato di campioni