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

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

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

CELLE FOTOVOLTAICHE Le origini 1996 - Robert Curl, Harold W. Kroto, Richard E. Smalley (per la scoperta del fullerene) Alan J. Heeger Hideki Shirakawa 2000 - Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa (per la scoperta e lo sviluppo dei polimeri conduttivi) Sir Harold W. Kroto Alan G. MacDiarmid

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.

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.

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)

CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento

CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Prima fase Assorbimento di un fotone Promozione di un elettrone del donatore dall’HOMO al LUMO

CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Seconda fase Diffusione dell’eccitone all’interno del materiale donatore

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)

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

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-

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

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

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

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

EFFICIENZA Controllo della morfologia e annealing

EFFICIENZA Nuove architetture Celle tandem

EFFICIENZA Nuove architetture Optical spacer

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)

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

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

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

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

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

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) 100 - 200 nm

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

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

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

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

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

GRAZIE PER L’ATTENZIONE