www.eni.it

Celle fotovoltaiche polimeriche: stato dell’arte e attività di ricerca presso ENI. Andrea Bernardi, Riccardo Po

2

Introduzione alle celle fotovoltaiche

2

1

3Attività di ricerca Eni

4Prospettive future

Celle solari polimeriche

ORGANIZZAZIONE DELLA PRESENTAZIONEB

3

Prima generazione- Basate su silicio cristallino (efficienze medie 20%)

Seconda generazione- Silicio e altri semiconduttori a film sottile

Terza generazione- Celle organiche e polimeriche- Celle basate su giunzioni multiple di film policristallini

Quarta generazione- Basate su processi innovativi (fotobiologici?)

CELLE FOTOVOLTAICHEQuattro generazioni

4

Alan J. Heeger

Alan G. MacDiarmid

Hideki Shirakawa

Sir Harold W. Kroto

2000 - Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa (per la scoperta e lo sviluppo dei polimeri conduttivi)

•1996 - Robert Curl, Harold W. Kroto, Richard E. Smalley (per la scoperta del fullerene)

OCH3

O

CELLE FOTOVOLTAICHELe origini

5

Elevato coefficiente di assorbimento (film sottili).

Proprietà chimico fisiche modulabili a livello nanomolecolare.

Elevata processabilità a temperatura ambiente.

Possibile realizzazione di dispositivi flessibili.

Bassi costi di produzione.

CELLE FOTOVOLTAICHEPrincipali vantaggi dei polimeri coniugati

6

CELLE POLIMERICHESchema generale

Catodo (Al)

Strato fotoattivo

Anodo (ITO)

Vetro

Strato fotoattivo

• Assorbimento della luce

• Generazione delle cariche elettriche

Elettrodi

• Raccolta delle cariche generate. DONATORE

es: P3HTes: P3HT

ACCETTORE

es: PCBMes: PCBM

S

O

OMe

7

S

Poli(9,9’-diottilfluorene-co-benzotiadiazolo)

NS

N

1-(3-metossicarbonil)propil-1-fenil[6,6]fullerene - PCBM

OCH3

O

Poli[2-metossi-5(3,7-dimetilottilossi)]-1,4-fenilenevinilene)

O

O

Poli(3-esiltiofene) – P3HT

CELLE POLIMERICHE Esempi di molecole fotoattive

DONATORI

ACCETTORE

8

CELLE ORGANICHEPrincipio di funzionamento

9

CELLE ORGANICHEPrincipio di funzionamento

Prima fase •Assorbimento di un fotone

• Promozione di un elettrone del donatore dall’HOMO al LUMO

10

CELLE ORGANICHEPrincipio di funzionamento

Seconda fase • Diffusione dell’eccitone all’interno del materiale donatore

11

CELLE ORGANICHEPrincipio di funzionamento

Terza fase

• All’interfaccia tra donatore e accettore.

• Trasferimento dell’elettrone dal donatore all’accettore.

• Generazione di due cariche libere (elettrone e buca)

12

CELLE ORGANICHEPrincipio di funzionamento

Quarta fase

• Migrazione delle buche all’interno del donatore e degli elettroni nell’accettore

• raccolta delle cariche da parte degli elettrodi

13

CELLE ORGANICHEPrincipio di funzionamento

Parametri critici

• Assorbimento della luce

• Dissociazione delle coppie buca – elettrone

• Raccolta di carica da parte degli elettrodi

Efficienza finale

outdisabs

Accettore

Donatore

Al

PEDOT

ITO

Anodo

HCL

LUMO

LUMO Catodo

HOMO

HOMO

e-

14

CELLE SOLARI ORGANICHECaratterizzazione delle celle organiche

in

SCOC

P

IVFF

Schema dei livelli energetici dello strato attivoLUMO: lowest unoccupied

molecular orbital

HOMO: highest occupied molecular orbital

Gap energetico

Anodo

Catodo

SCOC

MPMP

IV

IVFF

DAOC HLV

1)( DDSC HLI

DONATORE

ACCETTORE

V

IVOC

VMP

IMP

ISC

15

OTTIMIZZAZIONEIncremento dell’efficienza della cella

Struttura molecolare

Proprietà e realizzazione del dispositivo

Morfologia

Livelli energetici molecolari e

assorbimento

Separazione delle cariche e caratteristiche

di trasporto

Auto organizzazione

16

EFFICIENZA Materiali più efficienti

S

C6H13

trans-poliacetilene

poliparafenilenevinilene

poli-3-esiltiofene (P3HT)

1-(3-metossicarbonil)propil-1-

fenil[6,6]fullerene - PCBM

OCH3

O

17

EFFICIENZA Morfologia dello strato fotoattivo

anodo

anodo catodo

Monostrato Eterogiunzione bistrato

Eterogiunzione dispersa

Eterogiunzionebistrato diffusa

anodo catodo

+-

catodo anodo catodo

18

EFFICIENZA Controllo della morfologia e annealing

19

EFFICIENZA Nuove architetture

Celle tandem

20

EFFICIENZA Nuove architetture

Optical spacer

21

PROGETTI DI RICERCA EniIniziative Eni nel settore del fotovoltaico organico

Progetto di ricerca sullo studio e la realizzazione di celle solari basate su materiali organici e nanotecnologie, con potenzialità di breakthrough nel lungo termine

Attività

Studio e preparazione di materiali (polimeri, nanomateriali, etc.)

Studio e fabbricazione di dispositivi

Modelling

Caratterizzazione

Valutazione della stabilità delle celle (incapsulazione)

22

Modellazione di molecole materiali e interfacce

HOMO

LUMO

Struttura fine dello spettro

Stati eccitati

Trasferimento di carica

PROGETTI DI RICERCA EniModelling molecolare

23

Sintesi

• Monomeri

• Polimeri

• Blend

PROGETTI DI RICERCA EniSintesi di componenti polimerici

24

PROGETTI DI RICERCA EniCaratterizzazione di materiali

• UV-vis

• Fluorescenza

• PIA

• ESR/LESR

• Voltammetria ciclica

• Spettrometria di massa

• TOF

• NMR

• GPC

488

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

0.24

0.26

0.28

0.30

0.32

0.34

0.36

Ab

sorb

an

ce

200 300 400 500 600 700 800

Wavelength (nm)

600 700 800

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

680

Inte

nsity (

CP

S)

Wavelength (nm)

S2_cycle1

635

25

PROGETTI DI RICERCA EniModelling del dispositivo

Interferenza ottica

Parametri molecolari (livelli energetici, mobilità)

Costanti cinetiche

(trasferimenti elettronici, decadimenti…)

Morfologia di bulk

Morfologia interfacciale

Isc, Voc, FF, curva I-V

Validazione sperimentale

Metodo Monte Carlo Cinetico

26

PROGETTI DI RICERCA EniFasi di preparazione di una cella

Deposizione o etching dell’ITO

Deposizione del PEDOT:PSS

27

PROGETTI DI RICERCA EniFasi di preparazione di una cella

Deposizione dello strato fotoattivo

Evaporazione del catodo (Al)

  Spessori tipici  

  ITO 100 nm  

  PEDOT:PSS 40 nm  

  BLEND (P3HT:PCBM) 100 nm  

  Catodo (Al) 100 - 200 nm  

Caratterizzazione elettrica

28

Progetti di ricerca EniCaratterizzazione del dispositivo

AFM surface morfology

• Misura curve I-V.

• Calcolo di VOC, ISC, FF, .

•Misura dell’efficienza quantica.

• Caratterizzazione morfologica (AFM, KPM, profilometro).

• Caratterizzazione ottica (ellissometro).

29

Stabilizzazione Incapsulamento Additivi stabilizzanti

Deposizione su scala industriale Screen printing Ink-jet printing Roll-to-roll deposition

PROSPETTIVE FUTURE Celle Organiche: verso la scalabilità

30

DURATA>5 anni

EFFICIENZA ~10%

COSTI<0.2 €/kWh

VANTAGGI• enorme potenzialità di riduzione dei costi• possibilità di produrre pannelli leggeri e flessibili• integrazione con una vasta gamma di prodotti (edilizia, elettronica portatile, tempo libero…)• facilità di fabbricazione (basse temperature, scarsa sensibilità alle polveri)• proprietà modulabili attraverso il design chimico e l’ingegneria (nano)molecolare

DIFETTI• è necessario lavorare al miglioramento delle efficienze• è necessario aumentare la stabilità per allungare la vita applicativa

CELLE ORGANICHEAttrattive e obiettivi

31

CONCLUSIONI

Quella delle celle fotovoltaiche organiche è una tecnologia ancora giovane, ma estremamente promettente

Il principale vantaggio risiede nella possibilità di abbattere drasticamente i costi di produzione dei dispositivi

Esistono ampi spazi di ricerca, per migliorare l’efficienza e la vita dei dispositivi

La ricerca nel settore coinvolge numerose competenze e richiede un approccio interdisciplinare, dalla chimica macromolecolare e sopramolecolare, alla chimica fisica, dalla scienza dei materiali alle nanotecnologie, dall’optoelettronica all’elettronica molecolare, dalla chimica dei sistemi colloidali alla fotofisica e fotochimica, dalle tecnologie di deposizione di film sottili alla fisica e ingegneria dei dispositivi

32

Alleanza strategica Eni-MIT

Collaborazioni con università di Losanna

Collaborazioni con università di Delf

Collaborazioni con università di Varsavia

Collaborazioni con università di Porto

Collaborazioni con Technion Israel Institute

Accordo quadro con politecnico di Milano

Accordo quadro con politecnico di Torino

Collaborazione con CNR (Milano, Bologna)

Collaborazione con università di Milano

Collaborazione con Venezia Tecnologie

Collaborazione con università di Ferrara

Collaborazione con università di Catania

COLLABORAZIONI

33

GRAZIE PER L’ATTENZIONEGRAZIE PER L’ATTENZIONE