Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized.

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1 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? Approfondimento Corso di Nanoelettronica prof. Andrea Cester Autore: Antonio Passamani Anno Accademico 2010/2011 10 Marzo 2011

2 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 2/17 Indice Nuove applicazioni terrestri Finestre solari Conversione diretta Energia Solare – Idrogeno Applicazioni spaziali Condizioni dell'orbita LEO Vantaggi dell'impiego delle celle DSC nelle applicazioni spaziali Effetti dell'orbita LEO sulle celle DSC Conclusioni e ulteriori frontiere

3 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 3/17 Finestre solari I materiali semiconduttori tradizionali assorbono tutti fotoni con energia superiore al loro Energy Gap

4 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 4/17 Finestre solari L'utilizzo di coloranti per assorbire la luce solare permette di selezionare parti arbitrarie dello spettro da assorbire o meno

5 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 5/17 Realizzazione delle finestre solari Il TiO2 assorbe nell'UV Le naphthocyanine nel vicino infrarosso È possibile realizzare strutture trasparenti, ma in grado di produre energia elettrica, con efficienza fino al 7-8%

6 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 6/17 Conversione diretta di Energia Solare in Energia Chimica Uno dei problemi delle celle solari, è l'impossibilità di immagazzinare energia L'Holy Grail sta nella divisione dell'acqua in idrogeno e ossigeno L'approccio forza bruta è utilizzare un apparecchio per l'elettrolisi collegato elettricamente ad una cella fotovoltaica Problemi? Non l'efficienza del processo, ma gli alti costi! Con un sistema tandem è possibile realizzare sistemi di conversione diretta energia elettrica – energia chimica Il processo utilizza un primo dye che separa l'acqua in ossigeno e ioni H+, il secondo dye assorbe gli ioni H+ e restituisce idrogeno e elettroni, chiudendo la reazione

7 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 7/17 Conversione diretta in formule Un primo film di triossido di tungsteno assorbe la luce blu La banda di valenza delle lacune eccitate fa ossidare l'acqua Una struttura DSC sottostante assorbe la luce verde e rossa completando la reazione:

8 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 8/17 Conversione diretta di Energia Solare in Energia Chimica Perché studiare i processi di elettrolisi diretta dell'acqua mediante energia solare?

9 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 9/17 Applicazioni spaziali È possibile mandare una cella DSC funzionante nello spazio? Consideriamo applicazioni LEO (Low Earth Orbit)

10 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 10/17 Applicazioni spaziali Una navicella (e quindi anche le celle DSC in funzione nello spazio) in orbita LEO completa in 90 minuti un giro intorno alla Terra Nella faccia illuminata è esposto ad una temperatura di +85°C Nella faccia in ombra la temperatura precipita a -85°C La navicella è esposta a raggi UV (l'orbita LEO arriva fino a 2000km di altitudine, ben oltre lo strato dell'ozono) C'è esposizione a elettroni e protoni intrappolati tuttavia questi vengono schermati dal campo magnetico terrestre, perlomeno quando la navicella transita lontano dai poli (si hanno da 100-1000 rad/y a 1000/10000 rad/y) Infine la pressione esterna arriva a 10^-6 torr

11 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 11/17 Problemi dell'impiego di DSC in applicazioni spaziali Le celle DSC contengono al loro interno un elettrolita liquido incapsulato tra due pareti di un contenitore trasparente L'alta differenza di pressione tra interno ed esterno del contenitore potrebbe far sì che il liquido fuoriesca, rompendo il contenitore L'elevata escursione termica, sia in termini di rapidità che di ampiezza, e l'alta temperatura potrebbero danneggiareil contenitore e rendere instabile il colorante Si tenga conto che in un anno una navicella in orbita LEO compie fino a 16 cicli al giorno, e quindi 6000 cicli termici all'anno. Una missione dura da molti mesi a molti anni

12 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 12/17 Vantaggi delle DSC nelle applicazioni spaziali Nelle applicazioni terrestri, a fare la differenza è il CpW (costo per watt prodotto). In questo campo le DSC sono competitive perché, pur avendo una bassa efficienza (al contrario delle celle tradizionali), hanno anche un basso costo (al contrario delle celle tradizionali), garentendo quindi un CpW comunque competitivo Per applicazioni spaziali, invece, conta il WpW (peso per watt prodotto). Nelle missioni spaziali infatti il costo maggiore è determinato dal portare in orbita il materiale che verrò impiegato. Anche qui le DSC sono poco efficienti, ma comunque competitive grazie al loro peso ridotto

13 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 13/17 Effetti delle condizioni LEO su una cella DSC Il NASA Glenn Research Center ha sottoposto le celle a condizioni LEO simulate, e ha effettuato tre caratterizzazioni su due celle: prima dell'essiccazione, prima del ciclaggio termico, e dopo il ciclaggio

14 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 14/17 Effetti delle condizioni LEO su una cella DSC Una delle celle era difettosa e ha perso elettrolita attraverso il contenitore (Surlyn), l'altra è sopravvisuta al test perdendo il 4,7% di efficienza

15 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 15/17 È possibile l'impiego di celle solari DSC per applicazioni spaziali? Sebbene l'alternativa delle DSC sia credibile sia dal punto di vista economico che prestazionale, ad oggi rimangono alcune preoccupazioni circa l'affidabilità dei dispositivi in condizioni estreme che pongono un freno a queste applicazioni Ancora più interessanti sarebbe poi l'impiego di polimeri plastici che si potrebbero srotolare nello spazio Tuttavia i sistemi donore-accettore di tipo polimerico hanno ad oggi efficienze troppo basse, e non facilmente riproducibili in laboratorio, per poter essere utilizzati in questo ambito

16 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 16/17 Celle solari polimeriche flessibili per future applicazioni spaziali

17 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 10 Marzo 2011 Antonio Passamani Nuove applicazioni per le celle solari DSC, Dye Sensitized Solar Cell: dalla terra... allo spazio? 17/17 Grazie per l'attenzione E arrivederci Grazie per l'attenzione!