Laurea Triennale in Ingegneria dellInformazione – curriculum elettronica Laurea Triennale in...
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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