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Laurea Triennale in Ingegneria dellInformazione – curriculum elettronica Laurea Triennale in Ingegneria dellInformazione – curriculum elettronica Laureando:

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1 Laurea Triennale in Ingegneria dellInformazione – curriculum elettronica Laurea Triennale in Ingegneria dellInformazione – curriculum elettronica Laureando: MARCO DELISE Relatore: ANTONIO BOSCOLO Anno Accademico Anno Accademico CARATTERIZZAZIONE E MODELLIZZAZIONE ELETTRICA DI CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHE

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

3 FOTOVOLTAICO ORGANICO Costi di produzione bassissimi: materiale organico in soluzione liquida => come industria inchiostro 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 RICERCA PER COMPRENDERE MEGLIO IL FUNZIONAMENTO E MIGLIORARE PRESTAZIONI E MIGLIORARE PRESTAZIONI

4 FUNZIONAMENTO FISICO/CHIMICO 1.ASSORBIMENTO FOTONE 2.GENERAZIONE ECCITONE (coppia elettrone-lacuna) 3.DIFFUSIONE ECCITONE E SEPARAZIONE CARICHE ALLINTERFACCIA 2 MATERIALI 4.RACCOGLIMENTO CARICHE AGLI ELETTRODI GIUNZIONE TRA 2 MATERIALI NELLA CELLA: ACCETTORE DONATORE

5 CELLE SOLARI AD ETEROGIUNZIONE DISPERSA Per aumentare superficie interfaccia donatore-accettore: MISCELA DI 2 MATERIALI ORGANICI (D-A) MISCELA DI 2 MATERIALI ORGANICI (D-A) => superficie frattale estesa => 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 con DIVERSI SPESSORI 150÷250nmCARATTERIZZAZIONE/MODELLIZZAZIONE: - CURVE I/V - CURVE I/V - DIAGRAMMI DI NYQUIST => CIRCUITO EQUIVALENTE - 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 etching, ritaglio, numerazione e pulitura Preparazione della blend: P3HT:PCBM (1:1) 40mg/ml in ODCB P3HT:PCBM (1:1) 40mg/ml in ODCB Depositazione blend: SPIN-COATING ( -> retta di taratura per diversi spessori) spessori)

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

12 CELLE RISULTANTI 37 CELLE CREATE 37 CELLE CREATE

13 CARATTERIZZAZIONE E MODELLIZZAZIONE

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

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

16 ANALISI IMPEDENZA Impedance Analyzer 4192A (+ LabView): INTERVALLO: [7-100K]Hz scala logaritmica (5 pti/dec) BIAS: 0V INTERVALLO: [7-100K]Hz scala logaritmica (5 pti/dec) BIAS: 0V BUIO: scatola oscuratrice LUCE: lampadina 60W, rete, distanza 5±0.5cm BUIO: scatola oscuratrice LUCE: lampadina 60W, rete, distanza 5±0.5cm MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE LUCE MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE LUCE MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE BUIO MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE BUIO.. ogni elettrodo.. 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) Scanner -> conto pixels (Gimp 2) (in base a parametro noto) (in base a parametro noto) Misura Spessore : ogni cella taglio -> Profilometro Alfa Tencor taglio -> Profilometro Alfa Tencor MEDIA DI3 MISURE RILEVATE MEDIA DI3 MISURE RILEVATE

21 VALORE DERIVATO DA Cp: ε r

22 VALORE DERIVATO DA 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 => 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 (=> valori validi x cella) POSSO FARE MEDIE: tra i 2 elettrodi (=> valori validi x cella) POSSO FARE CONFRONTO TRA LE CELLE RISPETTO SPESSORE 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 Luce: molta + corrente Luce: + cariche che si accumulano allinterno Rp Cp

27 CONFRONTO TRA CELLE: necessità di normalizzare Dipendenza Rp e Cp dalla sezione dello strato attivo Dipendenza Rp e Cp dalla sezione dello strato attivo (variabile da elettrodo ad elettrodo) (variabile da elettrodo ad elettrodo) NORMALIZZAZIONE RISPETTO ALLAREA NORMALIZZAZIONE RISPETTO ALLAREA PER ATTUARE IL CONFRONTO PER ATTUARE IL CONFRONTO RISPETTO AL SOLO SPESSORE RISPETTO AL SOLO SPESSORE Rp*A Cp/A 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) Rp*A: PIU GRANDI PER SPESSORI GRANDI (in teoria) … NON AVVIENE! => ρ non costante! … NON AVVIENE! => ρ non costante! Cp/A: PIU PICCOLA PER SPESSORI GRANDI (in teoria) Cp/A: PIU PICCOLA PER SPESSORI GRANDI (in teoria) … NON AVVIENE! => ε non costante! … NON AVVIENE! => ε non costante! BLEND NON OMOGENEE NELLE CELLE

32 CONFRONTO CELLE: conduttività σ

33 CONFRONTO CELLE: costante dielettrica relativa ε r

34 RICERCA DI RELAZIONI

35 TABELLE RIASSUNTIVE: caratt. geometriche e dimpedenza

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 MERITO vs SPESSORE -Voc pressochè indifferente a variazioni di spessore -Jsc cresce in modulo con spessori più grandi, plateau

38 FIGURE DI MERITO vs 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: => necessità: - standardizzazione procedura di creazione celle - standardizzazione procedura di creazione celle - numero elevato di campioni - numero elevato di campioni


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