SOLARCHEM 2011

1. Casale Monf.to (AL) I.S. "A. SOBRERO" SOLARCHEM 2011 Classe IV Chimici Istituto Superiore “Ascanio Sobrero”

2. Il mercato energetico globale Si stima che entro il 2040 i giacimenti di petrolio e carbone saranno esauriti Ricerca e sviluppo di fonti di energia alternative e rinnovabili

3. L’energia solare è… • rinnovabile, • pulita, • presente in grande quantità. La tecnologia fotovoltaica converte direttamente l’energia solare in energia elettrica sfruttando un dispositivo chiamato CELLA FOTOVOLTAICA Il materiale usato è un semiconduttore : quasi sempre SILICIO opportunamente trattato.

4. Silicio monocristallino Vantaggi: • Alta efficienza. • Durabilità nel tempo. Svantaggi : • Alto costo di preparazione del monocristallo.

5. Silicio policristallino Vantaggi : • più economico del Silicio monocristallino. Svantaggi : • perdita di efficienza dovuta a bordi di grano, impurezze e imperfezioni del reticolo.

6. Silicio amorfo È in assoluto il semiconduttore più economico ma anche il più scadente. La sua tecnica di produzione è molto semplice perché consiste in una semplice deposizione su lastre di vetro o metalliche. Gli svantaggi del Silicio amorfo sono gli stessi del Silicio policristallino però più accentuati.

7. (con il Fosforo Il potere del sole • Come funziona una cella fotovoltaica tradizionale? Converte l’energia solare direttamente in energia elettrica: i fotoni presenti nella luce solare colpiscono la cella e vengono assorbiti dal semiconduttore (silicio). La differenza di potenziale è ottenuta mediante giunzioni allo stato solido. Questo tipo di giunzioni è ottenuto interfacciando due cristalli di silicio; entrambi presentano la superficie di contatto drogata con elementi diversi in modo da rendere le due superfici una ricca in buche e l’altra ricca in elettroni (tipo p e tipo n).

8. Funzionamento della cella Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l’elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente continua. È importante che lo strato esposto alla luce, di solito lo strato n, garantisca il massimo assorbimento di fotoni incidenti in vicinanza della giunzione (per il Silicio questo spessore deve essere di 0,5 mm, mentre lo spessore totale della cella non deve superare i 250 mm). Solo una parte dell’energia che investe le cella solare viene convertita in energia elettrica. L’efficienza di conversione per celle fotovoltaiche al Silicio monocristallino è in genere tra il 13% e il 17%, mentre applicazioni speciali in laboratorio hanno raggiunto valori del 32,5%.

9. Il progetto Solar Impulse Il Solar Impulse, costruito da Bertrand Piccard e André Borschberg è il primo aereo progettato per volare di notte e giorno esclusivamente su energia fornita dal sole.

10. Il progetto Solar Impulse Il Solar Impulse combina materiali tecnologicamente avanzati (compositi e plastiche ad altissime prestazioni) con la gestione dell’energia solare, secondo un semplice schema: • di giorno l’energia viene trasformata in elettricità che serve: a) ad alimentare i motori ad elica, b) a ricaricare le batterie, c) a raggiungere la massima quota ovvero ad accumulare energia potenziale. • di notte, le batterie alimentano i motori e l’aereo perde lentamente quota, sfruttando le sue eccellenti capacità aerodinamiche. Il giorno dopo, all’alba, il ciclo ricomincia…

11. Il progetto Solar Impulse • L'aereo ha un apertura alare di 80 m, le dimensioni di un Airbus A380, e il peso di una vettura famiglia media (1600kg). Sulle ali sono montate più di 12.000 celle fotovoltaiche (circa 250 m2) ad altissimo rendimento (21%) • Durante il giorno le celle devono anche caricare le batterie ai polimeri di litio, che consentono all'aereo solare di volare attraverso la notte.

12. Celle solari sul Solar Impulse

13. Tipologie di celle fotovoltaiche • Celle a giunzione solida a base di Silicio • DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) o celle di Graetzel • Celle polimeriche

14. Celle solari DSSC e fotosintesi Le celle DSSC o di Graetzel utilizzano un principio diverso rispetto alle celle al silicio in cui l’assorbimento della luce e la separazione delle cariche sono due fenomeni distinti. Il processo ricorda la fotosintesi clorofilliana, ma in questo caso l’elettrone eccitato viene raccolto da un semiconduttore e ceduto ad un elettrodo conduttivo. Nel caso della fotosintesi, pigmenti come la clorofilla a e b, le xantofille e carotenoidi assorbono energia dai fotoni. Gli elettroni vengono eccitati, intervengono in varie reazioni producendo glucosio e carboidrati.

15. Celle solari DSSC

16. Schema cella di Graetzel REAZIONI:Dye + h → Dye * Dye* + TiO2 → Dye+ + TiO2 I3 + 2e → 3 I 3 I + 2 Dye+ → I3 + 2 Dye

17. Principi di funzionamento • Il colorante assorbe un fotone passando allo stato eccitato [Dye*] • Il colorante eccitato trasferisce un elettrone al biossido di titanio (TiO2). Questa crea una buca elettronica [Dye+] • La buca viene riempita da un elettrone fornito dallo ione ioduro: • [2 Dye+ + 3 I - 2 Dye + I3-]

18. Coloranti organici Le celle più efficienti utilizzano coloranti sintetizzati chimicamente, in grado di assorbire fortemente nello spettro visibile e nel vicino IR. Efficienza ~10% - 12%

19. Caratteristiche delle DSSC • Vantaggi Basso costo Apparecchiatura non elaborate Lavora con bassa irradiazione Alto rapporto prestazione/costo • Svantaggi Efficienza leggermente più bassa Stabilità nel tempo Possibile fuoriuscita dell’elettrolita liquido

20. I vantaggi delle DSSC • Maggiore disponibilità di materie prime • Maggiore disponibilità di materie prime • Prestazioni indipendenti dalla temperatura • Maggiore assorbimento della luce diffusa Minori costi Aspetto (trasparenza)

21. Casale Monf.to (AL) I.S. "A. SOBRERO" Preparazione dei vetri della cella • La polvere di TiO2 viene macinata con una soluzione di acido nitrico fino a che diventa una pasta fluida come una vernice. • La sospensione viene spalmata sulla faccia conduttiva del 1° vetrino (strato di qualche decina di μm) • La superficie conduttiva del 2° vetrino viene ricoperta con uno strato di grafite

22. Sintesi del 1°colorante: Acido 4-(2-ciano-2-(4-nitrofenil)vinil)benzoico • Reagenti: nitrofenilacetonitrile e acido formilbenzoico in etanolo • Durante la reazione si flussa con azoto

23. Sintesi del 1°colorante: Acido 4-(2-ciano-2-(4-nitrofenil)vinil)benzoico • Si aggiunge NaOH in etanolo fino a colore violaceo intenso che poi vira a blu

24. Sintesi del 2°colorante: acido p-dimetilammino-a-cianocinnamico • Reagenti: acido cianoacetico e 4,4-dimetil ammino benzaldeide in acetonitrile • La reazione si svolge a circa 90°C per almeno 15h. Si forma un precipitato rosso-arancio

25. Controllo TLC del 2°colorante • Si esegue una TLC per controllare che la reazione sia completa • Si filtra il prodotto di reazione

26. Preparazione dei vetri della cella • Sinterizzazione dei vetri con lo strato di biossido di titanio in stufa a 450°C

27. Immersione dei vetri nei diversi coloranti Gli anodi vengono immersi nei contenitori contenenti i tre coloranti: • acido 4-(2-ciano-2-(4-nitrofenil)vinil)benzoico • succo di mirtillo • acido p-dimetilammino-a-cianocinnammico

28. controelettrodo Cella assemblata Vetrino TiO2 e colorante Assemblaggio della cella I due elettrodi con le superfici conduttive affacciate vengono fissate insieme con clips e costituiscono la cella Lo strato di TiO2 viene bagnato con poche gocce di soluzione elettrolitica.

29. Prove di funzionamento • Viene misurato il voltaggio e la corrente elettrica prodotta dalla cella

30. Elaborazione dati Potenza massima: 3.60 nW

31. Elaborazione dati Potenza massima: 2.25 nW

32. Elaborazione dati Potenza massima: 0.69 nW

33. Conclusioni POTENZA MASSIMA Colorante Giallo Colorante Verde Colorante Mirtillo 3.60 nW2.25 nW0.69 nW A parità di area di cella i coloranti di sintesi presentano risultati migliori in termini di conversione della luce Inoltre i coloranti organici di sintesi sono mediamente più stabili rispetto a quelli naturali

34. Studenti in laboratorio

35. Studenti in laboratorio

36. Studenti in laboratorio

37. Casale Monf.to (AL) I.S. "A. SOBRERO" La classe 4A Perito Chimico ringrazia i docenti e i partner che hanno contribuito alla realizzazione di questa attività.