Università degli Studi di Padova
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica
Approfondimento
Nuove applicazioni per le celle solari DSC, “Dye
Sensitized Solar Cell”: dalla terra... allo spazio?
Corso di Nanoelettronica
prof. Andrea Cester
10 Marzo 2011
Autore: Antonio Passamani
Anno Accademico 2010/2011
Università degli Studi di Padova
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Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica
Indice
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Nuove applicazioni terrestri
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Finestre solari
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Conversione diretta Energia Solare – Idrogeno
Applicazioni spaziali
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Condizioni dell'orbita LEO
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Vantaggi dell'impiego delle celle DSC nelle applicazioni spaziali
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Effetti dell'orbita LEO sulle celle DSC
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Conclusioni e ulteriori frontiere
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Cell”: dalla terra... allo spazio?
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Finestre solari
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I materiali semiconduttori tradizionali assorbono tutti fotoni con
energia superiore al loro Energy Gap
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Finestre solari
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L'utilizzo di coloranti per assorbire la luce solare permette di
selezionare parti arbitrarie dello spettro da assorbire o meno
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Realizzazione delle finestre solari
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Il TiO2 assorbe nell'UV
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Le naphthocyanine nel vicino infrarosso
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È possibile realizzare strutture trasparenti,
ma in grado di produre energia elettrica,
con efficienza fino al 7-8%
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Conversione diretta di Energia Solare in Energia Chimica
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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
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Conversione diretta in formule
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Un primo film di triossido di tungsteno assorbe la luce blu
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La banda di valenza delle lacune eccitate fa ossidare l'acqua
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Una struttura DSC sottostante assorbe la luce verde e rossa
completando la reazione:
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Conversione diretta di Energia Solare in Energia Chimica
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Perché studiare i processi di elettrolisi diretta dell'acqua mediante
energia solare?
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Applicazioni spaziali
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È possibile mandare una cella DSC funzionante nello spazio?
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Consideriamo applicazioni LEO (Low Earth Orbit)
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Applicazioni spaziali
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Una navicella (e quindi anche le celle DSC in funzione nello spazio)
in orbita LEO completa in 90 minuti un giro intorno alla Terra
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Nella faccia illuminata è esposto ad una temperatura di +85°C
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Nella faccia in ombra la temperatura precipita a -85°C
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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
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Problemi dell'impiego di DSC in applicazioni spaziali
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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
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Vantaggi delle DSC nelle applicazioni spaziali
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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
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Effetti delle condizioni LEO su una cella DSC
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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
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Effetti delle condizioni LEO su una cella DSC
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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
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È possibile l'impiego di celle solari DSC per applicazioni spaziali?
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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
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Celle solari polimeriche flessibili per future applicazioni spaziali
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Grazie per
Grazie
perl'attenzione
l'attenzione!
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E arrivederci
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