Celle fotovoltaiche polimeriche: stato dell’arte e attività di ricerca presso ENI.

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

2. B ORGANIZZAZIONE DELLA PRESENTAZIONE 1 Introduzione alle celle fotovoltaiche 2 Celle solari polimeriche 3 Attività di ricerca Eni 4 Prospettive future

3. Primagenerazione • 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. CELLE FOTOVOLTAICHELe origini • 1996 - Robert Curl, Harold W. Kroto, Richard E. Smalley (per la scoperta del fullerene) Alan J. Heeger Hideki Shirakawa 2000 - Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa (per la scoperta e lo sviluppo dei polimeri conduttivi) Sir Harold W. Kroto Alan G. MacDiarmid

5. CELLE FOTOVOLTAICHEPrincipali vantaggi dei polimeri coniugati • 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.

6. Catodo (Al) Strato fotoattivo Anodo (ITO) Vetro ACCETTORE es: PCBM DONATORE es: P3HT CELLE POLIMERICHE Schema generale Strato fotoattivo • Assorbimento della luce • Generazione delle cariche elettriche Elettrodi • Raccolta delle cariche generate.

7. CELLE POLIMERICHE Esempi di molecole fotoattive DONATORI ACCETTORE Poli(9,9’-diottilfluorene-co-benzotiadiazolo) Poli(3-esiltiofene) – P3HT 1-(3-metossicarbonil)propil-1-fenil[6,6]fullerene - PCBM Poli[2-metossi-5(3,7-dimetilottilossi)]-1,4-fenilenevinilene)

8. CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento

9. CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento • Prima fase • Assorbimento di un fotone • Promozione di un elettrone del donatore dall’HOMO al LUMO

10. CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento • Seconda fase • Diffusione dell’eccitone all’interno del materiale donatore

11. CELLE ORGANICHE Principio 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 ORGANICHE Principio di funzionamento • Quarta fase • Migrazione delle buche all’interno del donatore e degli elettroni nell’accettore • raccolta delle cariche da parte degli elettrodi

13. LUMO Donatore LUMO Catodo Accettore Al Anodo ITO HCL HOMO PEDOT HOMO e- CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento • Parametri critici • Assorbimento della luce • Dissociazione delle coppie buca – elettrone • Raccolta di carica da parte degli elettrodi Efficienza finale

14. CELLE SOLARI ORGANICHECaratterizzazione delle celle organiche I VOC V VMP IMP ISC Schema dei livelli energetici dello strato attivo LUMO: lowest unoccupied molecular orbital DONATORE Catodo Gap energetico HOMO: highest occupied molecular orbital Anodo ACCETTORE

15. OTTIMIZZAZIONEIncremento dell’efficienza della cella Livelli energetici molecolari e assorbimento Proprietà e realizzazione del dispositivo Struttura molecolare Separazione delle cariche e caratteristiche di trasporto Auto organizzazione Morfologia

16. EFFICIENZA Materiali più efficienti trans-poliacetilene poliparafenilenevinilene 1-(3-metossicarbonil)propil-1- fenil[6,6]fullerene - PCBM poli-3-esiltiofene (P3HT)

17. - anodo catodo + EFFICIENZA Morfologia dello strato fotoattivo catodo anodo catodo anodo Monostrato Eterogiunzione bistrato anodo catodo Eterogiunzione dispersa Eterogiunzione bistrato diffusa

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. PROGETTI DI RICERCA EniModelling molecolare • Modellazione di molecole • materiali e interfacce • HOMO • LUMO • Struttura fine dello spettro • Stati eccitati • Trasferimento di carica

23. PROGETTI DI RICERCA Eni Sintesi di componenti polimerici • Sintesi • Monomeri • Polimeri • Blend

24. PROGETTI DI RICERCA EniCaratterizzazione di materiali • UV-vis • Fluorescenza • PIA • ESR/LESR • Voltammetria ciclica • Spettrometria di massa • TOF • NMR • GPC

25. PROGETTI DI RICERCA EniModelling del dispositivo Interferenza ottica Parametri molecolari (livelli energetici, mobilità) Costanti cinetiche (trasferimenti elettronici, decadimenti…) Isc, Voc, FF, curva I-V Metodo Monte Carlo Cinetico Morfologia di bulk Validazione sperimentale Morfologia interfacciale

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 Caratterizzazione elettrica Deposizione dello strato fotoattivo Evaporazione del catodo (Al)

28. Progetti di ricerca EniCaratterizzazione del dispositivo • Misura curve I-V. • Calcolo di VOC, ISC, FF, h. • Misura dell’efficienza quantica. • Caratterizzazione morfologica (AFM, KPM, profilometro). • Caratterizzazione ottica (ellissometro). AFM surface morfology

29. PROSPETTIVE FUTURE CelleOrganiche: verso la scalabilità • Stabilizzazione • Incapsulamento • Additivi stabilizzanti • Deposizione su scala industriale • Screen printing • Ink-jet printing • Roll-to-roll deposition

30. DURATA >5 anni EFFICIENZA ~10% COSTI <0.2 €/kWh CELLE ORGANICHEAttrattive e obiettivi • 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

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. COLLABORAZIONI • 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

33. GRAZIE PER L’ATTENZIONE