CARATTERIZZAZIONE E MODELLIZZAZIONE ELETTRICA DI CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHE Laurea Triennale in Ingegneria dell’Informazione – curriculum elettronica Laureando: MARCO DELISE Relatore: ANTONIO BOSCOLO Anno Accademico 2010-2011

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

FOTOVOLTAICO ORGANICO Costi di produzione bassissimi: 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 E MIGLIORARE PRESTAZIONI

FUNZIONAMENTO FISICO/CHIMICO GIUNZIONE TRA 2 MATERIALI NELLA CELLA: ACCETTORE DONATORE ASSORBIMENTO FOTONE GENERAZIONE ECCITONE (coppia elettrone-lacuna) DIFFUSIONE ECCITONE E SEPARAZIONE CARICHE ALL’INTERFACCIA 2 MATERIALI RACCOGLIMENTO CARICHE AGLI ELETTRODI

CELLE SOLARI AD ETEROGIUNZIONE DISPERSA Per aumentare superficie interfaccia donatore-accettore: MISCELA DI 2 MATERIALI ORGANICI (D-A) => superficie frattale estesa STRUTTURA TIPICA: ANODO(ITO) PEDOT:PS MATERIALE ATTIVO (BLEND POLIMERICA) CATODO (Al)

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%

CIRCUITO EQUIVALENTE CIRCUITO EQUIVALENTE DIAGRAMMA NYQUIST

PROGRAMMA DELLA TESI COSTRUZIONE CELLE ORGANICHE P3HT-PCBM (le più studiate) con DIVERSI SPESSORI 150÷250nm CARATTERIZZAZIONE/MODELLIZZAZIONE: - CURVE I/V - DIAGRAMMI DI NYQUIST => CIRCUITO EQUIVALENTE CONFRONTO VALORI RICERCA RELAZIONI PRESTAZIONI/SPESSORE

COSTRUZIONE DELLE CELLE

DEPOSITAZIONE BLEND Preparazione supporto vetro-ITO: etching, ritaglio, numerazione e pulitura Preparazione della blend: P3HT:PCBM (1:1) 40mg/ml in ODCB Depositazione blend: SPIN-COATING ( -> retta di taratura per diversi spessori)

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

CELLE RISULTANTI 37 CELLE CREATE

CARATTERIZZAZIONE E MODELLIZZAZIONE

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

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

ANALISI IMPEDENZA Impedance Analyzer 4192A (+ LabView): INTERVALLO: [7-100K]Hz scala logaritmica (5 pti/dec) BIAS: 0V BUIO: scatola oscuratrice LUCE: lampadina 60W, rete, distanza 5±0.5cm MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE LUCE MEDIA DI 3 MISURE RILEVATE BUIO .. ogni elettrodo

MODELLIZZAZIONE IMPEDANCE ANALYZER: CIRCUITO-SERIE

MODELLIZZAZIONE: Rp

MODELLIZZAZIONE: Cp

ALTRE MISURE Misura Area Attiva : ogni elettrodo Scanner -> conto pixels (“Gimp 2”) (in base a parametro noto) Misura Spessore : ogni cella taglio -> Profilometro Alfa Tencor MEDIA DI3 MISURE RILEVATE

VALORE DERIVATO DA Cp: εr

VALORE DERIVATO DA Rp: σ

CONFRONTO VALORI

IPOTESI NECCESSARIE Misura spessore valida per tutta la cella Condizioni ambientali/Procedure mantenute costanti => 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 CONFRONTO TRA LE CELLE RISPETTO SPESSORE

CONFRONTO LUCE/BUIO: DIAGRAMMA DI NYQUIST BLU: buio ROSSO: luce

CONFRONTO LUCE/BUIO: Rp e Cp BLU: buio ROSSO: luce Rp ✓ Luce: molta + corrente ✓ Luce: + cariche che si accumulano all’interno Cp

CONFRONTO TRA CELLE: necessità di normalizzare Dipendenza Rp e Cp dalla sezione dello strato attivo (variabile da elettrodo ad elettrodo) NORMALIZZAZIONE RISPETTO ALL’AREA PER ATTUARE IL CONFRONTO RISPETTO AL SOLO SPESSORE Rp*A Cp/A

CONFRONTO TRA CELLE: diagrammi di Nyquist normalizzati

CONFRONTO TRA CELLE: Rp*A

CONFRONTO TRA CELLE: Cp/A

BLEND NON OMOGENEE NELLE CELLE OSSERVAZIONI Rp*A: PIU’ GRANDI PER SPESSORI GRANDI (in teoria) … NON AVVIENE! => ρ non costante! Cp/A: PIU’ PICCOLA PER SPESSORI GRANDI (in teoria) … NON AVVIENE! => ε non costante! BLEND NON OMOGENEE NELLE CELLE

CONFRONTO CELLE: conduttività σ

CONFRONTO CELLE: costante dielettrica relativa εr

RICERCA DI RELAZIONI

TABELLE RIASSUNTIVE: caratt. geometriche e d’impedenza

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)

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

FIGURE DI MERITO vs SPESSORE FF indifferente a variazioni di spessore Efficienza disposta in modo abbastanza casuale

ALTRE RELAZIONI Voc cresce al crescere di Rp*A Efficienza cresce al crescere di Rp*A

OSSERVAZIONI E CONCLUSIONI Ipotesi forti per effettuare confronto (e => ricerca relazioni) Pochi dati disponibili (5 celle finali considerate) Grande dispersione dei valori rilevati => necessità: - standardizzazione procedura di creazione celle - numero elevato di campioni