CARATTERIZZAZIONE E
MODELLIZZAZIONE ELETTRICA DI CELLE
FOTOVOLTAICHE ORGANICHE
Laurea Triennale in Ingegneria dell’Informazione – curriculum elettronica
MARCO DELISE
BOSCOLO
Laureando:
Relatore: ANTONIO
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
1. ASSORBIMENTO FOTONE
2. GENERAZIONE ECCITONE
(coppia elettrone-lacuna)
3. DIFFUSIONE ECCITONE E
SEPARAZIONE CARICHE
ALL’INTERFACCIA 2 MATERIALI
4. 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):
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
FF
Isc (=> Jsc)
η
ANALISI IMPEDENZA
Impedance Analyzer 4192A (+ LabView):
INTERVALLO: [7-100K]Hz scala logaritmica (5 pti/dec)
BUIO: scatola oscuratrice
BIAS: 0V
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
Cp
✓
Luce: + cariche che si
accumulano all’interno
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
OSSERVAZIONI
Rp*A:
PIU’ GRANDI PER SPESSORI GRANDI (in teoria)
… NON AVVIENE!
Cp/A:
=> ρ non costante!
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