CELLE FOTOVOLTAICHE A COLORANTE ORGANICO VITA ALESSIO V CH 2007/2008

SCENARIO ENERGETICO MONDIALE La recente crescita industriale di paesi come Cina e India sta proiettando il mondo verso una nuova crisi energetica.

Come si può notare dal grafico circa il 90 % dell’energia mondiale deriva da combustibili fossili (gas, carbone e petrolio) .

INQUINAMENTO ATMOSFERICO Con la crescita della domanda di energia si registra anche un aumento della produzione di gas serra (CO2)

ENERGIE RINNOVABILI Le energie rinnovabili sono quelle fonti energetiche infinite e “pulite”,ovvero con scarso inquinamento e sempre presenti nella terra. Esse sono metodi naturali alternativi al petrolio.

La fonte rinnovabile più sfruttata è l’energia idroelettrica, seguita dalle biomasse e dall’energia eolica.

Energia eolica Per energia eolica si intende la capacità del vento di mettere in movimento una pala, trasformando così l’energia cinetica in energia elettrica.

Energia da biomasse Le fonti di energia da biomassa sono costituite dalle sostanze di origine animale e vegetale, non fossili, che possono essere usate, direttamente o dopo opportune trasformazioni, come combustibili

Energia geotermica La centrale geotermica sfrutta il calore della terra per portare l’acqua allo stato di vapore e mettendo così in moto una turbina.

Energia solare termica L’energia solare termica utilizza il calore del sole per la produzione di acqua calda grazie ad appositi materiali i quali in depressione raggiungono elevate temperature..

Energia idroelettrica L'acqua viene convogliata in una o che ruota grazie alla spinta di essa. Ad ogni turbina è accoppiato un alternatore che trasforma il movimento di rotazione in energia elettrica. Essa è la più usata e ha poche possibilità di miglioramento.

Energia fotovoltaica L’energia fotovoltaica sfrutta le speciali proprietà di alcuni semiconduttori come il silicio, opportunamente lavorati, per convertire la radiazione solare in corrente elettrica.

PROSPETTIVE PER IL FUTURO L’energia solare è quella che ha più prospettive per il futuro, in quanto le odierne celle hanno un rendimento massimo di circa 20 %, mentre le altre fonti di energia sono arrivate quasi al massimo della loro capacità.

UN PO’ DI STORIA DEL FOTOVOLTAICO Nel 1839 il fisico francese Alexandre Edmund Becquerel osservò che l’intensità della corrente tra due elettrodi immersi in una soluzione conduttrice (cella elettrolitica), aumentava se si esponeva la pila così composta alla luce del Sole. Nel 1954 negli USA studi presso i laboratori Bell portarono alla realizzazione delle prime celle fotovoltaiche commerciali in silicio monocristallino. In questo periodo la tecnologia fotovoltaica trovò applicazione in campo aerospaziale. Solo a partire dal 1970 con il manifestarsi delle crisi energetiche di portata mondiale, si iniziò a trasferire la tecnologia fotovoltaica anche nel settore delle costruzioni civili. Nel 1991 Graetzel presenta la cella fotovoltaica organica, basata sul processo che si ispira alla fotosintesi delle piante (cella di Grätzel o Dye Sensitized Solar Cell).

Cos’è una cella fotovoltaica? Una cella fotovoltaica è un dispositivo in grado di trasformare la radiazione solare in energia elettrica. Questo grazie all’effetto fotovoltaico,presente nei semiconduttori come il Silicio. Per rendere possibile il passaggio di corrente, il Silicio viene sottoposto a drogaggio con Boro e Fosforo (drogaggio p-n).

Tipi di celle Le celle ad oggi presenti e più usate nel mercato sono le celle a silicio amorfo, a silicio policristallino e a silicio monocristallino. Quelle più redditizie e anche più costose sono quelle monocristalline, seguite dalle policristalline ed infine quelle a silicio amorfo

Costi del Silicio Il Silicio è il semiconduttore più abbondante in natura, ma a causa dell’elevato grado di purezza necessario per la realizzazione delle celle il costo di produzione è molto alto. Infatti per una cella è di circa 400 €/m2.

Cella fotovoltaica monocristallina Cella fotovoltaica policristallina Cella fotovoltaica a silicio amorfo

Alternative al silicio Grazie all’elevato costo si stanno sperimentando nuove tecnologie, basate soprattutto su composti organici. Alcune di esse si basano sull’uso di composti organici semiconduttori come i fullereni, altri sfruttano le proprietà di coloranti organici di liberare elettroni come nella fotosintesi clorofilliana (cella di Graetzel).

CELLA DI GRAETZEL Una cella di Graetzel o DSSC è un dispositivo che sfrutta le proprietà di alcuni coloranti organici di generare una corrente di elettroni quando vengono colpiti dalla radiazione solare, ovvero l’analogo della Fotosintesi Clorofilliana.

Il colorante organico (clorofilla, antiocianine) fissato a uno strato di biossido di titanio, viene eccitato dalla radiazione solare e trasmette l’ elettrone a una soluzione elettrolitica che riporta il colorante allo stato neutro e cede al contro-elettrodo gli elettroni. 1. colorante + luce → colorante eccitato 2. colorante eccitato + TiO2 → e-(TiO2) + colorante ossidato 3. colorante ossidato + 3/2 I- → colorante + ½ I3- 4. ½ I3- + e- (contro-elettrodo) → 3/2 I- Struttura Clorofilla

Realizzazione di una cella di Graetzel FASE 1: Estrazione del colorante. Per estrarre la clorofilla abbiamo effettuato una cromatografia su colonna dell’estratto di spinaci. Invece per le antiocianine abbiamo spremuto i mirtilli filtrandone il succo.

FASE 2: PREPARAZIONE BIOSSIDO DI TITANIO La sospensione di TiO2 viene preparata in un mortaio macinando il biossido e aggiungendo lentamente una soluzione di acido nitrico a pH 3.

Deposizione del biossido si titanio La sospensione viene spalmata, con una bacchetta di vetro sulla superficie del vetrino. In questo modo lo strato di TiO2 dovrebbe avere lo stesso spessore dello scotch.

Cottura in muffola Viene utilizzata una muffola dove il vetrino subisce il trattamento termico a 450 °C per circa 30 minuti, poi viene lasciato raffreddare gradualmente a temperatura ambiente

FASE 3: preparazione contro-elettrodo e elettrolita. Per ricoprire il contro-elettrodo di carbonio si usa una candela con cui affumicarlo. La soluzione elettrolitica si prepara con lo iodio, con lo ioduro di potassio e con l’etilenglicole. I2+KI+EG ricambio elettronico

FASE 4: Assemblaggio della cella. Per assemblare la cela si pongono i due vetrini sfalsati e si fa assorbire la soluzione elettrolitica. Si fissano i vetrini con le clips.

Caratterizzazione della Cella Per misurare la corrente generata, la cella è stata posta sotto illuminazione costante ed è stata misurata la tensione (V) e l’intensità di corrente (I).

Caratteristica corrente-tensione (I-V) della cella al mirtillo (quadrati rossi). Per confronto la figura riproduce l’andamento I-V di una cella tradizionale al Silicio (quadrati neri).

CONSIDERAZIONI Nonostante si siano verificati diversi problemi di costruzione la cella ha dato risposte positive a tutte le misure effettuate. Infatti nelle condizioni di misura (illuminazione 500 W/m2, Temperatura 22°C) i dati rilevati sono stati: -corrente di corto circuito ISC = 5.1 A - tensione di circuito aperto VOC = 2.25 mV - area attiva della cella: 4.5 cm2 - efficienza di conversione fotovoltaica 5.3×10-6%.

CONCLUSIONI I bassi valori ottenuti sono da imputare alle numerose difficoltà di fabbricazione e alla scarsa riproducibilità della cella. Tutto sommato la cella ha mostrato tutte le caratteristiche di qualsiasi altra cella al silicio, solo con valori più bassi. Infine questo studio ha portato a importanti conclusioni, soprattutto volte a migliorare esperimenti futuri.

Ringraziamenti Si ringraziano: Dipartimento di fisica dell’università di Camerino ( Prof. Pinto e Prof. Ficcadenti) per il materiale fornito, per la caratterizzazione e per i consigli dati. L’istituto tecnico per la disponibilità a finanziare questo progetto. Tutti i Professori di Chimica dell’ I.T.I.S (in particolar modo Prof.ssa Amabili e Prof. Tifi).