Il mercato energetico globale M. Grätzel, 6 e Symposium Photovoltaϊque National SIG, Genève (2005). Si stima che entro il 2040 i giacimenti di petrolio.

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1 Il mercato energetico globale M. Grätzel, 6 e Symposium Photovoltaϊque National SIG, Genève (2005). Si stima che entro il 2040 i giacimenti di petrolio e carbone saranno esauriti Ricerca e sviluppo di fonti di energia alternative e rinnovabili

2 L’energia solare Ogni giorno il sole irradia la Terra con una quantità di energia circa 1000 volte superiore a quella attualmente utilizzata. È una fonte di energia inesauribile Fornisce energia “pulita” Tipologie di dispositivi per convertire l’energia solare: Celle a giunzione solida a base di Silicio DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) o celle di Grätzel Celle polimeriche

3 Efficienza delle Celle Solari Tipo di cellaEfficienza cella singola (%) Efficienza in modulo (%) Silicio cristallo singolo 2410-15 Silicio policristallino 189-12 Silicio amorfo 137 Celle sensibilizzate a colorante 10-117 M. Grätzel, Nature (London) 414 338 (2001).

4 DSSC: Il funzionamento J. DeSilvestro, M. Grätzel, L. Kavan et al. J. Chem. Soc. 107 2988 (1985). Catodo Anodo Elettrodo di vetro conduttore Film di Platino Soluzione elettrolitica con mediatore redox (I - /I 3- ) TiO 2 con colorante adsorbito Elettrodo di vetro conduttore

5 DSSC: Il dispositivo M. Grätzel, Nature (London) 414 338 (2001). ).

6 I vantaggi delle DSSC Maggiore disponibilità di materie prime Processi produttivi maggiormente economici e meno complessi Minori costi Prestazioni indipendenti dalla temperatura Maggiore assorbimento della luce diffusa Aspetto ( trasparenza) B. O’Regan, M. Grätzel, Nature 353 737 (1991); M. Grätzel, Nature (London) 414 338 (2001). M. Grätzel, J. Photochem. Photobiol. A. 164 3 (2004).

7 Le performance Efficienza di conversione fino all’ 11% M. Grätzel C. R. Chimie 578-583 9 (2006). Test di invecchiamento condotti a 60-80°C per 1000 h sotto intensità di luce pari a 1.5 l’intensità della luce solare Durata circa 20 anni

8 I sensibilizzatori Requisiti: Essere saldamente ancorato alla superficie del semiconduttore. Iniettare elettroni nella banda di conduzione con una resa quantica pari ad 1. Avere idonee proprietà redox dello stato eccitato. Essere in grado di assorbire tutti i fotoni della luce solare al di sotto della lunghezza d’onda soglia pari a circa 920nm. Avere una stabilità a lungo termine, termica ed ottica, per sostenere almeno un turnover redox di 10 8 cicli sotto illuminazione corrispondente a circa venti anni di esposizione alla luce solare naturale. M. X. Tan, P. E. Laibinis, S. T. Nguyen et al. Prog. Inorg. Chem. 44 21 (1994); S. Nakade, W. Kubo, Y. Saito, T. Kanzaki, T. Kitamura, Y. Wada, S. Yanagida J. Phys. Chem. B 107 (2003).

9 CELLE SOLARI A COLORANTE Assemblaggio con materiali a basso costo e coloranti naturali

10 Realizzazione di una cella Materiale occorrente: Componenti per ciascuna cella: 2 vetrini conduttori 25 x 25 mm 3 – 4 gocce di TiO 2 in sospensione acquosa colorante 2 gocce di soluzione elettrolitica 1 matita Strumenti per l’assemblaggio della cella: pinzette nastro adesivo 2 clips

11 Realizzazione di una cella I stadio: Preparazione della sospensione acquosa di TiO 2 Ricetta tipo: 6 g di TiO 2 (P25 Degussa) in un mortaio aggiungere 9 ml di una soluzione acquosa di acido nitrico (pH=3-4): 1 ml alla volta macinando fino ad ottenere una pasta abbastanza densa e senza grumi trasferire la sospensione in apposito contenitore e lasciare riposare per almeno 30 minuti (attenzione a non far formare bolle)

12 Realizzazione di una cella

13 II stadio: Prendere due lastrine di vetro conduttivo (FTO, resistenza 15-20 Ω) e lavarle con etanolo poi asciugarle con un panno morbido come per le lenti degli occhiali) Attenzione: d’ora in poi toccare le lastrine solo con le pinzette o per i bordi Individuare con un multimetro il lato conduttivo delle lastrine di vetro Posizionare le due lastrine affiancate una con il lato conduttivo rivolto verso l’alto (anodo) e l’altra verso il basso (catodo).

14 Realizzazione di una cella III stadio: stesura della pasta di TiO 2 sull’anodo Utilizzare dello scotch trasparente rimovibile per fissare le due lastrine al banco di lavoro coprendo anche le lastrine stesse (in alto e sui bordi) per uno spazio pari a qualche millimetro (4-5 in alto, 2-3 sui lati) Depositare 2-3 gocce della sospensione di TiO 2 sulla lastrina con la faccia conduttrice rivolta verso l’alto e stenderle sul vetrino con la bacchetta di vetro in modo da coprirlo in maniera uniforme (partire dalle gocce depositate, senza far rotolare la bacchetta, e andare fino all’estremità con il nastro adesivo e quindi tornare indietro eventualmente portando il TiO 2 in eccesso sulla seconda lastrina). Se lo strato non fosse omogeneo, è possibile ripetere la procedura dopo aver rimosso delicatamente l’ossido già depositato. Una volta terminato, rimuovere lo scotch e lasciare asciugare all’aria per circa 1 minuto Pulire la seconda lastrina dall’eventuale ossido in eccesso (come nel secondo stadio)

15 Realizzazione di una cella

16 IV stadio: sinterizzazione della pasta di TiO 2 Il vetrino con lo strato di ossido è pronto per essere sinterizzato a 450°C, per 30 minuti. Lasciare raffreddare lentamente il vetrino (un raffreddamento rapido potrebbe far spaccare il vetro o lo strato di ossido).

17 Realizzazione di una cella V stadio: preparazione del colorante naturale Scegliere 3 - 4 more o lamponi e schiacciarli in un mortaio o su un vetro d’orologio usando una spatola (se necessario, aggiungere qualche goccia d’acqua) Filtrare il succo ottenuto Se si usa del vino rosso la soluzione è il vino stesso

18 Realizzazione di una cella

19 VI stadio: immersione dell’anodo nella soluzione di sensibilizzatore Immergere il vetrino nel succo, tenendo la faccia coperta di ossido rivolta verso il basso: al termine, dovrebbe sparire completamente il colore bianco del TiO 2, anche guardandolo dal sotto, altrimenti immergerlo nuovamente. In ogni caso, è opportuno lasciarlo immerso nel colorante fino a quando non si è pronti ad assemblare la cella.

20 Realizzazione di una cella

21 VII stadio: preparazione del contro-elettrodo (catodo) Se necessario, determinare nuovamente il lato conduttore della seconda lastrina e coprirlo con uno strato di carbonio, usando una matita morbida o affumicando il vetro sulla fiamma della candela Lo strato di carbonio così depositato agisce da catalizzatore per la reazione di rigenerazione dello iodio e deve perciò coprire interamente il vetrino, tranne per una striscia di 4-5 mm che servirà come contatto

22 Realizzazione di una cella

23 IX stadio: assemblaggio della cella Rimuovere il vetrino con l’ossido di titanio dal colorante e lavarlo con acqua e quindi con etanolo; affinché la cella funzioni correttamente, è importante che non ci siano tracce d’acqua sullo strato di TiO 2 /colorante prima di aggiungere la soluzione elettrolitica Asciugarlo delicatamente con un tessuto. Appoggiare il primo vetrino su una superficie piana con il lato con lo strato di ossido/colorante rivolto verso l’alto e adagiare delicatamente sopra di esso il contro-elettrodo con lo strato di carbonio rivolto verso il basso, lievemente sfalsato in modo da lasciare esposto il bordo scoperto della prima lastrina: le due estremità libere, di 4-5 mm serviranno come contatti elettrici. Sollevare i due vetrini mantenendoli nella loro posizione e bloccarli con due clips Depositare 1 o 2 gocce di soluzione elettrolitica sul bordo del dispositivo: per azione capillare, il liquido bagnerà completamente lo strato di ossido di titanio tra i due vetrini (per favorire questo processo è utile togliere e rimettere alternativamente le due clips) Rimuovere l’eccesso di elettrolita dalle aree esposte dei due vetrini. La cella di Grätzel così assemblata è pronta per la caratterizzazione elettrica.

24 Realizzazione di una cella

25 X stadio: misura delle caratteristiche elettriche Dopo aver misurato con un righello le dimensioni dell’area attiva della cella, collegarla con i coccodrilli al multimetro: l’elettrodo negativo è il vetrino coperto di TiO2 (cavo nero), mentre quello positivo è il contro-elettrodo (cavo rosso). È così possibile misurare la differenza di tensione ai capi della cella e la corrente massima prodotta.

26 Fine