Stage Invernale Tor Vergata Scienze dei Materiali Celle Solari organiche Di tipo Graetzel

1. Stage Invernale Tor Vergata Scienze dei Materiali Celle Solari organiche Di tipo Graetzel

2. 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.

4. 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 Lucee teorizza che: • 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 spendere • un certo lavoro F, caratteristico del metallo. • 3. l’energia dei “quanti” venga assorbita in tutto o in parte • dagli elettroni, e trasformata in energia cinetica. • Allora: Kmax = hν - F • Kmax come energia cinetica massima acquisita dall’elettrone. • Per questo (e altro) riceverà il Nobel nel 1921.

5. 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.

6. 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. CELLE SOLARI AL SILICIO.

7. Bande ed Energy Gap Nella 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 soli livelli energetici PERMESSI agli elettroni.

9. Prendiamo ad esempio il 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.

10. 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. CONDUTTORI SEMICONDUTTORI ISOLANTI

11. 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.])

12. Giunzione p-n I 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.

13. 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.

14. Possiamo dunque passare alle celle solari organiche. Cella Graetzel 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.

15. All’interno della cella DSC… 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.

16. L’energia che arriva sulla terra 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 m2che si ottiene utilizzando la legge dell'irragiamento sferico, ovvero moltiplicando6,33 107 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.

17. Efficienza Il parametro più importante di una cella fotovoltaica è l’efficienza Potenza elettrica ottenuta dalla cella EFFICIENZA = h = Potenza della radiazione solare incidente Esempio: 10 W/dm2 h = 10% 1 W 1dm h = 20% 2 W 1dm

18. 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.

19. L’efficienza delle celle organiche è inferiore rispetto a quelle inorganiche… …hanno però bassi costi di produzione…

20. Celle solariorganiche Vantaggi Svantaggi • Tecnologia poco avanzata; • Processo di realizzazione semplice; • Basse efficienze rispetto alle celle solari inorganiche; • Possibilità di realizzare dispositivi flessibili e leggeri; • Breve tempo di vita, facile degradazione. • Ampio range di assorbimento; • Materiali economici.

21. CELLA SOLARE ORGANICA • Ingredienti: • due vetrini con un sottile strato (100 nm) trasparente di materiale conduttivo (ossido di indio stagno [ITO]); • soluzione di biossido di titanio (TiO2); • soluzione di frutti di bosco e ibiscus in acqua o alcool; • colla bicomponente (sigillante inerte); • grafite; • nastro adesivo e taglierino; • elettrolita (Ioduro di potassio [KI]-I2 in alcool glicolico); • forno.

22. 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.

23. 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;

24. 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.

25. 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.

26. ...e tutto funziona!

27. Stage Invernale Tor Vergata 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