CARATTERIZZAZIONE E MODELLIZZAZIONE ELETTRICA DI CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHE

1. CARATTERIZZAZIONE E MODELLIZZAZIONE ELETTRICA DI CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHE Laurea Triennale in Ingegneria dell’Informazione – curriculum elettronica Laureando: MARCO DELISE Relatore: ANTONIO BOSCOLO Anno Accademico 2010-2011

2. IL FOTOVOLTAICO CELLE FOTOVOLTAICHE IN SILICIO: - Grandi efficienze ✓ - Grandi spese produzione => Grande costo sul mercato ✗ => DIFFICOLTA’ A COMPETERE CON CARBONFOSSILI 2 STRADE POSSIBILI:  incrementare efficienza => - superficie => - costi  nuovi materiali fotogenerativi + economici

3. FOTOVOLTAICO ORGANICO • Costi di produzione bassissimi: materiale organico in soluzione liquida => come industria inchiostro • Sottili => supporti flessibili => varietà applicazione • Bassa efficienza (6-8%) • Problemi durabilità ed instabilità a contatto con ossigeno RICERCA PER COMPRENDERE MEGLIO IL FUNZIONAMENTO E MIGLIORARE PRESTAZIONI

4. FUNZIONAMENTO FISICO/CHIMICO GIUNZIONE TRA 2 MATERIALI NELLA CELLA:ACCETTORE DONATORE • ASSORBIMENTO FOTONE • GENERAZIONE ECCITONE • (coppia elettrone-lacuna) • DIFFUSIONE ECCITONE E • SEPARAZIONE CARICHE • ALL’INTERFACCIA 2 MATERIALI • RACCOGLIMENTO CARICHE • AGLI ELETTRODI

5. CELLE SOLARI AD ETEROGIUNZIONE DISPERSA Per aumentare superficie interfaccia donatore-accettore: MISCELA DI 2 MATERIALI ORGANICI (D-A) => superficie frattale estesa STRUTTURA TIPICA: ANODO(ITO) PEDOT:PS MATERIALE ATTIVO (BLEND POLIMERICA) CATODO (Al)

6. GRANDEZZE CARATTERISTICHE:CURVA 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%

7. CIRCUITO EQUIVALENTE DIAGRAMMA NYQUIST CIRCUITO EQUIVALENTE

8. PROGRAMMA DELLA TESI • COSTRUZIONE CELLE ORGANICHE P3HT-PCBM (le più studiate) con DIVERSI SPESSORI 150÷250nm • CARATTERIZZAZIONE/MODELLIZZAZIONE: - CURVE I/V - DIAGRAMMI DI NYQUIST => CIRCUITO EQUIVALENTE • CONFRONTO VALORI • RICERCA RELAZIONI PRESTAZIONI/SPESSORE

9. COSTRUZIONE DELLE CELLE

10. DEPOSITAZIONE BLEND • Preparazione supporto vetro-ITO: etching, ritaglio, numerazione e pulitura • Preparazione della blend: P3HT:PCBM (1:1) 40mg/ml in ODCB • Depositazione blend: SPIN-COATING( -> retta di taratura per diversi spessori)

11. ELETTRODI E SIGILLATURA • Trattamento termico (ANNEALING) • Rimozione strisce blend per elettrodi • Elettrodi Al: - posizionamento mascherina - EVAPORAZIONE alluminio (PVD) • SIGILLATURA

12. CELLE RISULTANTI 37 CELLE CREATE

13. CARATTERIZZAZIONE E MODELLIZZAZIONE

14. PROBLEMA CONTATTI Necessità CONTATTATURA STANDARD: elettrodi di alluminio sottili => rovinabili saldatura contatti (non possibile) ✗ supporto con graffette (non saldo) ✗ prime 22 celle contatti a coccodrillo (rischio Al) ✗ carbontape (troppo resistivo) ✗ pin fissati + vernice conduttiva ✓

15. CURVE I/V • Keithley 2400 Sourcemeter (+ LabView): INTERVALLO: [-1;1] V STEP: 100mV BUIO: scatola oscuratrice LUCE: lampadina 60W, rete, distanza 5±0.5cm USCITA: V ENTRATA: I MEDIA DI 3 MISURE ogni elettrodo FIGURE DI MERITO: Voc Isc (=> Jsc) FF η

16. ANALISI IMPEDENZA • Impedance Analyzer 4192A (+ LabView): INTERVALLO: [7-100K]Hz scala logaritmica (5 pti/dec) BIAS: 0V BUIO: scatola oscuratrice LUCE: lampadina 60W, rete, distanza 5±0.5cm MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE LUCE MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE BUIO .. ogni elettrodo

17. MODELLIZZAZIONE IMPEDANCE ANALYZER: CIRCUITO-SERIE

18. MODELLIZZAZIONE: Rp

19. MODELLIZZAZIONE: Cp

20. ALTRE MISURE • Misura Area Attiva : ogni elettrodo Scanner -> conto pixels (“Gimp 2”) (in base a parametro noto) • Misura Spessore : ogni cella taglio -> Profilometro Alfa Tencor MEDIA DI3 MISURE RILEVATE

21. VALORE DERIVATODA Cp: εr

22. VALORE DERIVATODA Rp: σ

23. CONFRONTO VALORI

24. IPOTESI NECCESSARIE • Misura spessore valida per tutta la cella • Condizioni ambientali/Procedure mantenute costanti => blend uguale per concentrazione, purezza e trattamento ricevuto • Intensità luminosa costante durante misurazioni • Riscaldamento indotto nella cella costante • Contattatura simile • POSSO FARE MEDIE: tra i 2 elettrodi (=> valorivalidi x cella) • POSSO FARE CONFRONTO TRA LE CELLE RISPETTO SPESSORE

25. CONFRONTO LUCE/BUIO:DIAGRAMMA DI NYQUIST BLU: buio ROSSO: luce

26. CONFRONTO LUCE/BUIO: Rp e Cp BLU: buio ROSSO: luce Rp ✓ Luce: molta + corrente ✓ Luce: + cariche che si accumulano all’interno Cp

27. CONFRONTO TRA CELLE:necessità di normalizzare Dipendenza Rp e Cp dalla sezione dello strato attivo (variabile da elettrodo ad elettrodo) NORMALIZZAZIONE RISPETTO ALL’AREA PER ATTUARE IL CONFRONTO RISPETTO AL SOLO SPESSORE Rp*A Cp/A

28. CONFRONTO TRA CELLE:diagrammi di Nyquist normalizzati

29. CONFRONTO TRA CELLE:Rp*A

30. CONFRONTO TRA CELLE:Cp/A

31. OSSERVAZIONI Rp*A: PIU’ GRANDI PER SPESSORI GRANDI (in teoria) … NON AVVIENE! => ρ non costante! Cp/A: PIU’ PICCOLA PER SPESSORI GRANDI (in teoria) … NON AVVIENE! => ε non costante! BLEND NON OMOGENEE NELLE CELLE

32. CONFRONTO CELLE:conduttività σ

33. CONFRONTO CELLE:costante dielettrica relativa εr

34. RICERCA DI RELAZIONI

35. TABELLE RIASSUNTIVE:caratt. geometriche e d’impedenza

36. TABELLE RIASSUNTIVE:figure 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)

37. FIGURE DI MERITOvs SPESSORE • Voc pressochè indifferente a variazioni di spessore • Jsc cresce in modulo con spessori più grandi, plateau

38. FIGURE DI MERITOvs SPESSORE • FF indifferente a variazioni di spessore • Efficienza disposta in modo abbastanza casuale

39. ALTRE RELAZIONI Voc cresce al crescere di Rp*A Efficienza cresce al crescere di Rp*A

40. OSSERVAZIONI E CONCLUSIONI • Ipotesi forti per effettuare confronto (e => ricerca relazioni) • Pochi dati disponibili (5 celle finali considerate) • Grande dispersione dei valori rilevati => necessità: - standardizzazione procedura di creazione celle - numero elevato di campioni