Stage Invernale Tor Vergata Scienze dei Materiali

Celle Solari organicheDi tipo Graetzel

Principi di Funzionamento

Effetto Fotoelettrico L’effetto fotoelettrico è stato scoperto da Philipp Lenard nel 1902.

Illuminando un metallo con una radiazione al di sopra di una precisa frequenza esso emetterà elettroni.

Aumentando l’intensità della radiazione aumenterà il numero di elettroni emessi ma non la loro velocità che dipende invece dall’accrescersi della frequenza della luce incidente.

Al di sotto di una certa frequenza invece non ci sarà nessuna emissione.

Nel 1905 Einstein pubblica “Su un punto di vista euristico a proposito della

creazione e conversione della luce” (Ann. Physik 17, 132) dove, abbandonando

completamente la teoria classica della luce e conferendo significato fisico alle

ipotesi di Plank (En = nhν h=costante di Planck), descrive l’effetto fotoelettrico

ponendo le basi per la

Teoria Quantistica della Luce e teorizza che:

1. la luce sia composta da “quanti di luce”, meglio conosciuti come fotoni, “pacchetti di energia discreti ciascuno del valore di hν

2. per lasciare il metallo, ciascun elettrone debba spendereun certo lavoro F, caratteristico del metallo.

3. l’energia dei “quanti” venga assorbita in tutto o in partedagli elettroni, e trasformata in energia cinetica.

Allora: Kmax = hν - FKmax come energia cinetica massima acquisita dall’elettrone.

Per questo (e altro) riceverà il Nobel nel 1921.

Nel 1915 Millikan, nel tentativo (iniziato nel 1905) di dimostrare

l’infondatezza dell’ipotesi di Einstein, ne conferma con grande precisione le

previsioni trovando che le cariche osservate in natura sono multiple di una

carica fondamentale (quella dell’elettrone). Riceve il Nobel nel 1923 per questa scoperta.

Grazie a questi esperimenti possiamo concludere che la luce ha una natura

duale: sia corpuscolare che ondulatoria.

CELLE SOLARI AL SILICIO.

Il principio di funzionamento delle celle solari è

l’EFFETTO FOTOVOLTAICO

che è il fenomeno fisico che si realizza quando gli elettroni di particolari materiali all’interno della cella vengono eccitati e separati (potendo così passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione) a causa dell’assorbimento dell’energia quantizzata associata alla radiazione solare incidente sul materiale.

Vediamo cosa si intende per Bande ed Energy Gap.

Bande ed Energy GapBande ed Energy GapNella materia condensata gli atomi si dispongono in bande di stati energetici. Qui sotto la rappresentazione del Modello a Bande per due atomi dello stesso elemento.

Al di sopra di una certa distanza d gli elettroni si predisporranno su un certo livello energetico.Avvicinando gli atomi vi sarà uno sdoppiamento di tale livello, ottenendo,in questo caso, due solilivelli energetici PERMESSIagli elettroni.

Prendiamo ad esempioil reticolo cristallino del Silicio.

In queste condizioni, applicando una piccola differenza di potenziale, non ci sarà movimento di elettroni in quanto questi sono saldamente vincolati agli atomi.

CONDUTTORI SEMICONDUTTORI ISOLANTI

La conversione fotovoltaica è possibile solo nei semiconduttori. Nel caso degli isolanti, la radiazione incidente non è in grado di staccare un elettrone dall’orbita attorno al nucleo.

Nei conduttori l’agitazione termica dovuta alla temperatura ambiente è sufficiente alla creazione e distruzione di coppie elettrone-lacuna.

Solo i semiconduttori hanno una energy-gap piccola, sufficiente al funzionamento di una cella fotovoltaica.

Drogaggio del Silicio Drogaggio del Silicio Abbiamo visto prima che il Silicio puro non è funzionale per le celle.

Al fine di fare una buona cella solare bisogna trovare materiali con Energy Gap ottimali al fine di utilizzare la porzione maggiore dello spettro solare.

I materiali che soddisfano queste esigenze sono i semiconduttori intrinseci o semiconduttori drogati.

Drogaggio n

(Fosforo [V Gr.])

Drogaggio p (Boro [III Gr.])

Giunzione p-nGiunzione p-nI wafer di Silicio drogato si presentano

elettricamente neutri. Il semiconduttore di tipo n hanno un eccesso di elettroni liberi i cui stati energetici si trovano in prossimita’ del fondo della banda di conduzione. Il tipo p presenta un eccesso di lacune (vacanze di elettroni) la cui energia si disporra’ in prossimita’ del massimo della banda di valenza.Quando i due diversi drogaggi sono posti a contatto fra di loro (giunzione) si realizza un processo di diffusione di cariche negative da n a p fino a raggiungere un equilibrio di cariche. Nella regione di giunzione si realizza un campo elettrico tale da contrastare un ulteriore processo di diffusione.

In questo modo quando un fotone colpisce la regione di carica spaziale eccita una coppia elettone-lacuna che viene separata dal campo elettrico formatosi in

prossimita’ della giunzione generando così un flusso di elettroni in n e uno di lacune il p.

Le cariche vengono poi chiuse su un carico posto all’esterno del dispositivo.

Cella GraetzelCella Graetzel

glass

F-doped tin oxide

titanium dioxidecolloid

LiI electrolyte Pt film

glass

load

electron flow

light

La sostanziale differenza tra le celle al silicio e le celle graetzel è che mentre nel semiconduttore il campo elettrico interno è la forza che trascina le cariche in direzione opposta,nelle celle organiche è la prossimità del TiO2 con la molecola organica (antocianina) che realizza la separazione delle cariche elettriche.

Possiamo dunque passare alle celle solari organiche.

La luce, irraggiando la cella, eccita gli elettroni dell’antocianina (un colorante estratto dalle more con basso energy gap);

Gli elettroni eccitati del dye vengono attratti dal TiO2;il dye (antocianina) ossidato si riduce acquistando gli elettroni

dell’elettrolita (I-);Il circuito è chiuso attraverso un carico;In questa animazione gli elettroni vanno poi a ricombinarsi nelle lacune

dell’elettrolita ristabilendo le condizioni iniziali.

All’interno della cella DSC…

L’energia che arriva sulla terra

KWmI

KWmTI

5780T oconsiderat avendo1033,6

105,67 con

27

4284

L’energia prodotta dal Sole raggiunge la nostra atmosfera e subendo processi diversi (assorbimento, riflessione, diffusione) arriva al suolo con una intensità di circa 1370 W per m2

che si ottiene utilizzando la legge dell'irragiamento sferico, ovvero moltiplicando 6,33 107 W/m2 per il rapporto al quadrato tra il raggio solare medio che è di circa 7x108 m e la distanza media Sole-Terra che è di circa 1,5x1011 m.a

Al giorno arrivano circa 170.000 TW, ovvero circa 10000 volte il fabbisogno energetico giornaliero dell’attuale sistema di vita.

EfficienzaIl parametro più importante di una cella fotovoltaica è l’efficienza

EFFICIENZA = = Potenza elettrica ottenuta dalla cella

Potenza della radiazione solare incidente

10 W/dm2

Esempio:

1dm

1dm

= 10% 1 W

= 20% 2 W

E’ dunque importante massimizzare l’efficienza. Come? Trovando materiali con basso energy gap che sfruttino così la

maggior parte di spettro disponibile possibile

Facciamo inoltre notare un fenomeno (scattering) oggetto dell’odierna ricerca e comune a tutti i tipi di celle. Quando un fotone con energia superiore all’energy gap, ad esempio nelle celle Graetzel, l’antocianina, l’elettrone acquisisce un’energia maggiore di quanta gliene serva per passare alla banda di conduzione. Dovrà così passare a stati energetici inferiori (disperdendo l’energia in eccesso sotto forma di calore) per essere acquisito dall’Ossido di Titanio ed innescare il flusso elettronico. Il goal è quindi il modo di utilizzare e non disperdere l’energia in eccesso.

È importante tenere a mente che è altrettanto importante dal punto di vista della produzione commerciale trovare un prodotto con un buon rapporto tra efficienza e costi di produzione.

L’efficienza delle celle organiche è inferiore rispetto a quelle inorganiche…

Solar Cell Technologies Cell efficiency (%) Module efficiency (%) Si (crystalline) 24.7 19.7 Si (multicrystalline) 20.3 15.3 CIGS 19.5 13.4* CdTe 16.5 10.7 a-Si** 12.1 10.4 Dye Solar Cells (DSC) 11.1 6.3 Solid state DSC 4.2 - Organic Photovoltaics 4.8 (6.5)*** -

…hanno però bassi costi di produzione…

Celle solari organicheVantaggi Svantaggi

• Tecnologia poco avanzata;• Basse efficienze rispetto alle celle solari inorganiche;

• Breve tempo di vita, facile degradazione.

• Possibilità di realizzare dispositivi flessibili e leggeri;

• Processo di realizzazione semplice;

• Ampio range di assorbimento;• Materiali economici.

Ingredienti:Ingredienti:• due vetrini con un sottile strato (100 nm) trasparente di due vetrini con un sottile strato (100 nm) trasparente di materiale conduttivo (ossido di indio stagno [ITO]);materiale conduttivo (ossido di indio stagno [ITO]);• soluzione di biossido di titanio (TiOsoluzione di biossido di titanio (TiO22););• soluzione di frutti di bosco e ibiscus in acqua o alcool;soluzione di frutti di bosco e ibiscus in acqua o alcool;• colla bicomponente (sigillante inerte);colla bicomponente (sigillante inerte);• grafite;grafite;• nastro adesivo e taglierino;nastro adesivo e taglierino;• elettrolita (Ioduro di potassio [KI]-I2 in alcool glicolico);elettrolita (Ioduro di potassio [KI]-I2 in alcool glicolico);• forno.forno.

CELLA SOLARE ORGANICA

Procedimento:• Si individua lo strato conduttivo del primo vetrino e si stende la soluzione di biossido di titanio.• Per la realizzazione di questa operazione si utilizzano due sottili nastri adesivi (posti ai bordi del vetrino) ed una spatola per lo squeeze printing.• Per permettere una buona conducibilità dello strato TiO2 si lascia asciugare per qualche minuto e si inserisce il vetrino nel forno a 450°C per 30 minuti.

• Si immerge il vetrino nella soluzione organica, già filtrata, per 24 ore affinchè il biossido di

titanio si ricopra di un polimero fotosensibile (antocianina). Questo è lo strato attivo dove si formano coppie elettrone-lacuna.

•Il controelettrodo si realizza depositando uno strato di grafite utilizzando la punta di una matita e si pone anch’esso nel forno a 200°C per 30-60 minuti;

• Nel costruire la cella si avrà cura di impedire il contatto diretto fra i due elettrodi realizzando una tasca dove verrà inserito l’elettrolita.• Per poter disporre di due terminali per contatti elettrici si assembleranno i due vetrini sfalsati, garantendo comunque che il TiO2 (polo negativo) si interfacci con la grafite (polo positivo).• Infine si sigillano i lati della cella con colla bicomponente lasciando lo spazio per inserire l’elettrolita liquido.

•Il microscopico spessore che rimane tra i due contatti viene riempito dall’elettrolita che ha il compito di rimuovere l’aria residua

all’interno della cella, migliorandone la durata temporale,garantendone la continuità galvanica.

•sigillare le ultime estremità aperte per evitare la fuoriuscita dell’elettrolita;

•collegare infine in serie le celle per ottenere un voltaggio adeguato per pilotare un eventuale dispositivo elettronico.

Macchia Roberta (ITIS E. Majorana Brindisi)

Massari Gabriella (ITIS E. Majorana Brindisi)

Grasso Michele (IIS Telesi@ Telese Terme Benevento)

Galluccio Francesco (Liceo Scientifico M. Guerrisi Cittanova)

Bagnato Mattia (Liceo Scientifico M. Guerrisi Cittanova)

Pennarola Federica (Liceo Scientifico Vito Volterra Roma)

Santaroni Leonardo (Liceo Scientifico Vito Volterra Roma)

Mancuso Domenico (ITIS Sarrocchi Siena)

Docenti:

Galluzzo Daniela (Liceo Scientifico M. Guerrisi Cittanova)

Guadalupi Rosalba (ITIS E. Majorana Brindisi)

Modulo a cura di:

Professore Davoli Ivan e Dottor Lucci Massimiliano