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Www.eni.it Celle fotovoltaiche polimeriche: stato dellarte e attività di ricerca presso ENI. Andrea Bernardi, Riccardo Po.

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

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

3 3 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?) CELLE FOTOVOLTAICHE Quattro generazioni

4 4 Alan J. Heeger Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa Sir Harold W. Kroto Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa (per la scoperta e lo sviluppo dei polimeri conduttivi)Alan J. Heeger Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa Robert Curl, Harold W. Kroto, Richard E. Smalley (per la scoperta del fullerene)1996Robert Curl Harold W. Kroto Richard E. Smalley fullerene CELLE FOTOVOLTAICHE Le origini

5 5 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. CELLE FOTOVOLTAICHE Principali vantaggi dei polimeri coniugati

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

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

8 8 CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento

9 9 CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Prima fase Assorbimento di un fotone Promozione di un elettrone del donatore dallHOMO al LUMO

10 10 CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Seconda fase Diffusione delleccitone allinterno del materiale donatore

11 11 CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Terza fase Allinterfaccia tra donatore e accettore. Trasferimento dellelettrone dal donatore allaccettore. Generazione di due cariche libere (elettrone e buca)

12 12 CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Quarta fase Migrazione delle buche allinterno del donatore e degli elettroni nellaccettore raccolta delle cariche da parte degli elettrodi

13 13 CELLE ORGANICHE 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-e-

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

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

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

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

18 18 EFFICIENZA Controllo della morfologia e annealing

19 19 EFFICIENZA Nuove architetture Celle tandem

20 20 EFFICIENZA Nuove architetture Optical spacer

21 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 22 Modellazione di molecole materiali e interfacce HOMO LUMO Struttura fine dello spettro Stati eccitati Trasferimento di carica PROGETTI DI RICERCA Eni Modelling molecolare

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

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

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

26 26 PROGETTI DI RICERCA Eni Fasi di preparazione di una cella Deposizione o etching dellITO Deposizione del PEDOT:PSS

27 27 PROGETTI DI RICERCA Eni Fasi di preparazione di una cella Deposizione dello strato fotoattivo Evaporazione del catodo (Al) Spessori tipici ITO100 nm PEDOT:PSS40 nm BLEND (P3HT:PCBM)100 nm Catodo (Al) nm Caratterizzazione elettrica

28 28 Progetti di ricerca Eni Caratterizzazione del dispositivo AFM surface morfology Misura curve I-V. Calcolo di VOC, ISC, FF,. Misura dellefficienza quantica. Caratterizzazione morfologica (AFM, KPM, profilometro). Caratterizzazione ottica (ellissometro).

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

30 30 DURATA >5 anni EFFICIENZA ~10% COSTI <0.2 /kWh 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 lingegneria (nano)molecolare DIFETTI è necessario lavorare al miglioramento delle efficienze è necessario aumentare la stabilità per allungare la vita applicativa CELLE ORGANICHE Attrattive e obiettivi

31 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 lefficienza 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, dalloptoelettronica allelettronica molecolare, dalla chimica dei sistemi colloidali alla fotofisica e fotochimica, dalle tecnologie di deposizione di film sottili alla fisica e ingegneria dei dispositivi

32 32 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 COLLABORAZIONI

33 33 GRAZIE PER LATTENZIONE


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