DISPOSITIVI ELETTRONICI AVANZATI

PLASTIC ELECTRONICS

Celle Solari Organiche (I)

a cura di Ornella Sanna

I combustibili fossili e le fonti rinnovabili

crescita delle emissioni di CO2 dall’era preindustriale dovuta alle attività umane di sfruttamento

delle risorse del pianeta, in particolare all’utilizzo dei combustibili fossili. Le linee tratteggiate

rappresentano possibili (ottimistici) scenari.

Conseguenze dirette dell’uso dei combustibili fossili

• elevati costi di produzione e manutenzione degli impianti

• degrado ambientale:

20*1012 Kg di diossido di carbonio rilasciati nell’atmosfera ogni anno

• aumento della temperatura superficiale terrestre ( tra 0.6-7°C nel 2100):

• aumento della frequenza e dell’imponenza dei disastri naturali

• aumento del livello delle acque

Conseguenze dell’uso delle fonti rinnovabili

• non ha effetti significativi sull’ambiente

• tali fonti non rischiano di esaurirsi

• si basa sul supporto locale della loro fonte di energia

• i sistemi di potenza forniscono, durante la loro vita, più energia di quella che si

consuma durante la loro fabbricazione, installazione e manutenzione

nonostante ciò

il costo delle energie rinnovabili non è ancora abbastanza basso

da qui la necessità di sviluppare tecnologie a basso costo per lo sfruttamento

delle fonti rinnovabili

LE FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE

il vento

l’acqua

il sole

si prevede che il sole avrà una vita stabile e che continuerà ad erogare energia

sotto forma di radiazione in maniera costante per circa 10 miliardi di anni

la radiazione solare può essere convertita in energia elettrica tramite le celle

solari

il sole emette radiazioni nella banda compresa tra l’ultravioletto e l’infrarosso

(0.2-3 µm)

L’intensità della radiazione solare nello spazio libero alla distanza media della

Terra dal Sole è definita come COSTANTE SOLARE ed è pari a 1353 W/m2

La misura in cui l’atmosfera influenza la luce solare ricevuta dalla superficie

terrestre è definita come la massa d’aria (air mass, AM).

• AM0 è lo spettro che si utilizza per applicazioni spaziali, in condizioni di massa

d’aria nulla

• AM1 è lo spettro sulla superficie terrestre

quando il sole è allo zenith

• AM1,5 è lo spettro quando il sole

è a 48° rispetto allo zenith ed è quello

preferito per le misure di efficienza

nelle celle solari.

• AM2 è lo spettro sulla quando il sole

è a 60° rispetto allo zenith

I DIVERSI SPETTRI

I due spettri standard comunemente usati sono l’AM1.5 diretto e AM1.5

globale. Quest’ultimo comprende quello diretto più la luce diffusa. La differenza

sta soprattutto nella regione di lunghezza d’onda interessata. Acqua (H2O),

ozono (O3) e diossido di carbonio (CO2) sono i principali agenti assorbenti della

radiazione solare nell’atmosfera terrestre

Celle solari: passato, presente, futuro

Il materiale più importante è stato finora, e continua ad essere, il silicio sia nella

sua forma convenzionale che, soprattutto, nella versione di film sottile cristallino

ma un grande numero di nuovi concetti e nuovi materiali è in fase di sviluppo

nonostante il silicio sia il materiale più usato

esso non è il materiale ideale per la conversione fotovoltaica

per avere il 90% di assorbimento della luce sono necessari

1 µm di GaAs (semiconduttore a gap diretto)

100 µm di Si (semiconduttore a gap indiretto)

PERO’:

tecnologia del silicio già fortemente sviluppata prima dell’avvento dei dispositivi

fotovoltaici

Le specifiche per la cella solare ideale sono:

1) un bandgap compreso tra 1.1 e

1.7 ev

2) una struttura a band bandgap

diretto

3) tecniche di deposizione semplici e

riproducibili

4) buona efficienza di conversione

fotovoltaica

5) stabilità a lungo termine

6) la disponibilità di materiali non

tossici

I materiali

• silicio mono e multicristallino

oggigiorno il mercato del fotovoltaico è caratterizzato da tre fattori:

1. il miglioramento dell’efficienza di conversione

migliore risultato raggiunto in laboratorio: 24,7 % tramite una tecnologia

fortemente elaborata

2. la riduzione dei costi

il 50 % dei costi di un modulo è dovuto ai costi di processamento dei wafer di

silicio

l’efficienza inoltre, è direttamente correlata con l’area del sistema che incide

fortemente sui suoi costi

3. il difficile rifornimento del materiale policristallino grezzo

• silicio cristallino (c-Si), film sottile

questi tipo di tecnologia necessita di un supporto meccanico a causa del ridotto

spessore del materiale attivo (5 - 50) µm

problemi di compatibilità tra substrato e materiale attivo

non esistono ancora materiali con le proprietà tecniche ideali che siano anche a

basso costo

• silicio amorfo (a-Si)

efficace alternativa alle celle in silicio cristallino e policristallino

nella regione spettrale compresa tra 400 e 800 nm, il valore del suo coefficiente di

assorbimento é almeno un ordine di grandezza maggiore di quello del silicio

cristallino

le caratteristiche del a-Si:H impongono strutture del dispositivo diverse da quelle

usate nelle celle cristalline

esempio di cella solare in a-Si:H

nuovi sviluppi riguardano la combinazione di a-Si e c-Si in eterostrutture tramite

tecniche combinate delle tecnologie relative ad entrambi i materiali

il migliore risultato è stato ottenuto finora dalla Sanyo con una efficienza di

conversione del 20,7 %

• CIS ( seleniuro di indio-rame) e materiali per sistemi concentrati

il CIS sfrutta la tecnologia del film sottile

i sistemi concentrati sono costituiti da celle a multigiunzione per esempio

GaInP/GaAs/Ge

• pigmenti sintetizzati: la cella di Gratzel

processo fotoelettrochimico

l’elemento responsabile dell’assorbimento di luce è un pigmento

• materiali organici

celle solari molecolari

celle solari polimeriche

coefficienti di assorbimento ottico elevati, dispositivi sottili, substrato flessi bile

Principio di funzionamento delle celle solari

l’effetto fotovoltaico:

radiazione solare incidente assorbimento di fotoni

conduzione generazione di coppie elettrone-lacuna

I meccanismi di trasporto dipendono dal materiale e dalla struttura della cella.

Per poter osservare l'effetto fotovoltaico, gli elettroni e le lacune fotogenerati

devono essere separati da un campo elettrico

esterno interno (disomogeneità del sistema)

possibili disomogeneità del sistema:

• contatto metallo-semiconduttore ( Barriere Schottky)

• contatti Metallo-Isolante-Semiconduttore (MIS)

• giunzione p-n (omo-giunzione o etero-giunzione)

le celle solari classiche sono basate in generale su strutture di tipo p-n (diodo)

Come sappiamo i fenomeni di trasporto all’interno del diodo p-n dipendono dalle

condizioni di polarizzazione cui esso è sottoposto:

• polarizzazione inversa tensione esterna applicata positiva alla zona n

del diodo

• polarizzazione diretta tensione esterna applicata negativa alla zona n

del diodo

diagramma schematico di una giunzione p-n: (a) non polarizzata:

(b) polarizzata direttamente (V >0);(c) polarizzata inversamente (V<0).

2 modi di funzionamento

• assenza di illuminazione

caratteristica I-V al buio: quella tipica della giunzione p-n

la densità di corrente che scorre nel diodo è detta JD

• sotto illuminazione

la densità di corrente fotogenerata JL si aggiunge a quella al buio JD

la cella si comporta come un generatore di corrente in parallelo al diodo

JL è una densità di corrente dovuta esclusivamente al passaggio dei portatori

minoritari ad ha verso opposto rispetto a JD che è dovuta ai maggioritari

La densità di corrente totale J che circola in una cella fotovoltaica è quindi:

J = JD - JL

JD = J0 [expeV/nkT -1] equazione del diodo

J0 = corrente di saturazione inversa

n = fattore di idealità, varia tra 1 e 2

e = carica elementare dell’e-

se n = 1, la caratteristica coincide con quella del diodo ideale

se n = 2, la conduzione è dominata dalla ricombinazione-generazione nella

regione di carica spaziale

con

La fotocorrente

può essere calcolata dalla risoluzione dell’equazione di continuità in condizioni

di bassa iniezione e quindi valide per intensità luminose fino a circa 100

mW/cm2 ed è proporzionale al numero di fotoni assorbiti

JL = Jn + J p + Jdr

Jne Jp: contributo dei portatori minoritari generati rispettivamente nelle regioni n e

p

Jdr: contributo delle cariche generate nello strato di svuotamento

meccanismi di perdita

• perdite ohmiche ai contatti (resistenze di strato e di contatto)

resistenza serie Rs

• perdite superficiali o dai corto circuiti microscopici dovuti ai difetti reticolari

resistenza parallelo (shunt) Rsh

considerando tale circuito la relazione J-V della cella solare p-n si può scrivere:

J = J0 exp[e(V + JRs)/nkT -1] +[(V+JRs)/Rsh]- JL

effetto di Rs

effetto di Rsh

Parametri caratteristici

1. efficienza di conversione η

η=Pmax/Pinc

Pmax= Jm Vm è la massima potenza erogata dal dispositivo

Pinc è la potenza della radiazione incidente =

(densità di potenza della radiazione incidente)*(area della cella)

La densità di potenza incidente dipende dal fattore AM utilizzato: solitamente si

utilizza il valore AM1.5, che prevede un valore di 100 mW/cm2.

2. Fill Factor

FF =JmVm/JscVoc

dove Voc è la tensione di circuito aperto e Jsc è la corrente di corto circuito

così l’efficienza di conversione diventa:

η = JscVocFF/Pinc

quanto maggiore è il FF tanto maggiore sarà la potenza elettrica che potrà essere

estratta dalla cella

3. caratteristica I-V

la combinazione corrente-tensione che da il rettangolo di potenza più grande è

detta punto di massima potenza

4. External Quantum Efficiency (EQE)

efficienza con cui i fotoni incidenti sul dispositivo vengono trasformati in corrente