Andrea Bernardi, Riccardo Po

Presentazione sul tema: "Andrea Bernardi, Riccardo Po"— Transcript della presentazione:

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

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

3 CELLE FOTOVOLTAICHE Quattro generazioni
Prima generazione 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?) PRIMA DI PASSARE A VEDERE NEL DETTAGLIO PERCHé SONO COINVOLTE LE NANOTECNOLOGIE, VI DO UNA PANORAMICA SULLE CELLE FOTOVOLTAICHE

4 CELLE FOTOVOLTAICHE Le origini
Robert Curl, Harold W. Kroto, Richard E. Smalley (per la scoperta del fullerene) Alan J. Heeger Hideki Shirakawa 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 FOTOVOLTAICHE Principali 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 CELLE POLIMERICHE Catodo (Al) Strato fotoattivo Anodo (ITO) Vetro
Schema generale Strato fotoattivo Catodo (Al) Strato fotoattivo Anodo (ITO) Vetro Assorbimento della luce Generazione delle cariche elettriche DONATORE es: P3HT ACCETTORE es: PCBM 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 CELLE ORGANICHE e- Al ITO PEDOT Principio di funzionamento
Parametri critici Assorbimento della luce Dissociazione delle coppie buca – elettrone Raccolta di carica da parte degli elettrodi Efficienza finale Accettore Donatore Al PEDOT ITO Anodo HCL LUMO Catodo HOMO e-

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

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

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

17 EFFICIENZA Morfologia dello strato fotoattivo
anodo catodo anodo catodo + - Monostrato Eterogiunzione bistrato anodo catodo 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 Eni Iniziative 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 Modellazione di molecole materiali e interfacce
PROGETTI DI RICERCA Eni Modelling 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 Eni Caratterizzazione di materiali
UV-vis Fluorescenza PIA ESR/LESR Voltammetria ciclica Spettrometria di massa TOF NMR GPC

25 PROGETTI DI RICERCA Eni Modelling 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 Eni Fasi di preparazione di una cella
Deposizione o etching dell’ITO Deposizione del PEDOT:PSS

27 PROGETTI DI RICERCA Eni Fasi di preparazione di una cella
Deposizione dello strato fotoattivo Caratterizzazione elettrica Evaporazione del catodo (Al) Spessori tipici ITO 100 nm PEDOT:PSS 40 nm BLEND (P3HT:PCBM) Catodo (Al) nm

28 Progetti di ricerca Eni Caratterizzazione 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 Celle Organiche: verso la scalabilità
Stabilizzazione Incapsulamento Additivi stabilizzanti Deposizione su scala industriale Screen printing Ink-jet printing Roll-to-roll deposition

30 CELLE ORGANICHE Attrattive 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 DURATA >5 anni EFFICIENZA ~10% COSTI <0.2 €/kWh 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