Stage Invernale Tor Vergata
Scienze dei Materiali
Celle Solari organiche
Di tipo Graetzel
Principi di Funzionamento
Effetto Fotoelettrico
L’effetto fotoelettrico è stato scoperto da Philipp Lenard nel 1902.
Illuminando un metallo con una radiazione al di sopra di una precisa frequenza esso emetterà
elettroni.
Aumentando l’intensità della radiazione aumenterà il numero di elettroni emessi ma non la
loro velocità che dipende invece dall’accrescersi della frequenza della luce incidente.
Al di sotto di una certa frequenza invece non ci sarà nessuna emissione.
Nel 1905 Einstein pubblica “Su un punto di vista euristico a proposito della
creazione e conversione della luce” (Ann. Physik 17, 132) dove, abbandonando
completamente la teoria classica della luce e conferendo significato fisico alle
ipotesi di Plank (En = nhν h=costante di Planck), descrive l’effetto fotoelettrico
ponendo le basi per la
Teoria Quantistica della Luce e teorizza che:
1. la luce sia composta da “quanti di luce”, meglio conosciuti come
fotoni, “pacchetti di energia discreti ciascuno del valore di hν
2. per lasciare il metallo, ciascun elettrone debba spendere
un certo lavoro F, caratteristico del metallo.
3. l’energia dei “quanti” venga assorbita in tutto o in parte
dagli elettroni, e trasformata in energia cinetica.
Allora: Kmax = hν - F
Kmax come energia cinetica massima acquisita dall’elettrone.
Per questo (e altro) riceverà il Nobel nel 1921.
Nel 1915 Millikan, nel tentativo (iniziato nel 1905) di dimostrare l’infondatezza
dell’ipotesi di Einstein, ne conferma con grande precisione le previsioni
trovando che le cariche osservate in natura sono multiple di una carica
fondamentale (quella dell’elettrone).
Riceve il Nobel nel 1923 per questa scoperta.
Grazie a questi esperimenti possiamo concludere che la luce ha una natura
duale: sia corpuscolare che ondulatoria.
CELLE SOLARI AL SILICIO.
Il principio di funzionamento delle celle solari è
l’EFFETTO FOTOVOLTAICO
che è il fenomeno fisico che si realizza quando gli elettroni di particolari
materiali all’interno della cella vengono eccitati e separati (potendo così passare
dalla banda di valenza alla banda di conduzione) a causa dell’assorbimento
dell’energia quantizzata associata alla radiazione solare incidente sul materiale.
Vediamo cosa si intende per Bande ed Energy Gap.
Bande ed Energy Gap
Nella materia condensata gli atomi si dispongono in bande di stati energetici.
Qui sotto la rappresentazione del Modello a Bande per due atomi dello stesso
elemento.
Al di sopra di una certa
distanza d gli elettroni
si predisporranno su un
certo livello energetico.
Avvicinando gli atomi
vi sarà uno sdoppiamento
di tale livello, ottenendo,
in questo caso, due soli
livelli energetici PERMESSI
agli elettroni.
Prendiamo ad esempio
il reticolo cristallino del
Silicio.
In queste condizioni,
applicando una piccola
differenza di potenziale,
non ci sarà movimento di
elettroni in quanto questi
sono saldamente vincolati
agli atomi.
La conversione fotovoltaica è possibile solo nei semiconduttori.
Nel caso degli isolanti, la radiazione incidente non è in grado di staccare un elettrone dall’orbita attorno al
nucleo.
Nei conduttori l’agitazione termica dovuta alla temperatura ambiente è sufficiente alla creazione e
distruzione di coppie elettrone-lacuna.
Solo i semiconduttori hanno una energy-gap piccola, sufficiente al funzionamento di una cella fotovoltaica.
CONDUTTORI
SEMICONDUTTORI
ISOLANTI
Drogaggio del Silicio
Abbiamo visto prima che il Silicio puro non è funzionale per le celle.
Al fine di fare una buona cella solare bisogna trovare materiali con Energy Gap
ottimali al fine di utilizzare la porzione maggiore dello spettro solare.
I materiali che soddisfano queste esigenze sono i semiconduttori intrinseci o
semiconduttori drogati.
Drogaggio n
(Fosforo [V Gr.])
Drogaggio p 
(Boro [III Gr.])
Giunzione p-n
I wafer di Silicio drogato si presentano
elettricamente neutri. Il semiconduttore di tipo
n hanno un eccesso di elettroni liberi i cui stati
energetici si trovano in prossimita’ del fondo
della banda di conduzione. Il tipo p presenta un
eccesso di lacune (vacanze di elettroni) la cui
energia si disporra’ in prossimita’ del massimo
della banda di valenza.
Quando i due diversi drogaggi sono posti a contatto
fra di loro (giunzione) si realizza un processo di
diffusione di cariche negative da n a p fino a
raggiungere un equilibrio di cariche. Nella regione
di giunzione si realizza un campo elettrico tale da
contrastare un ulteriore processo di diffusione.
In questo modo quando un fotone
colpisce la regione di carica
spaziale eccita una coppia
elettone-lacuna che viene separata
dal campo elettrico formatosi in
prossimita’ della giunzione
generando così un flusso di
elettroni in n e uno di lacune il p.
Le cariche vengono poi chiuse su un
carico posto all’esterno del dispositivo.
Possiamo dunque passare alle celle
solari organiche.
F-doped LiI
tin oxide electrolyte
Pt film
light
glass
titanium
dioxide
colloid
glass
Cella Graetzel
La sostanziale differenza tra
le celle al silicio e le celle
graetzel è che mentre nel
semiconduttore il campo
elettrico interno è la forza che
trascina le cariche in
load
direzione opposta,
nelle celle organiche è la
prossimità del TiO2 con la
molecola organica
electron flow
(antocianina) che realizza la
separazione delle cariche
elettriche.
All’interno della cella DSC…
La luce, irraggiando la cella, eccita gli elettroni dell’antocianina (un colorante estratto
dalle more con basso energy gap);
Gli elettroni eccitati del dye vengono attratti dal TiO2;
il dye (antocianina) ossidato si riduce acquistando gli elettroni dell’elettrolita (I-);
Il circuito è chiuso attraverso un carico;
In questa animazione gli elettroni vanno poi a ricombinarsi nelle lacune dell’elettrolita
ristabilendo le condizioni iniziali.
L’energia che arriva sulla terra
I  T 4
L’energia prodotta dal Sole raggiunge la nostra atmosfera e
subendo processi diversi (assorbimento, riflessione,
diffusione) arriva al suolo con una intensità di circa 1370 W
per m2 che si ottiene utilizzando la legge dell'irragiamento
sferico, ovvero moltiplicando 6,33 107 W/m2 per il
rapporto al quadrato tra il raggio solare medio che è di
circa 7x108 m e la distanza media Sole-Terra che è di circa
1,5x1011 m.a
Al giorno arrivano circa 170.000
TW, ovvero circa 10000 volte il
fabbisogno energetico giornaliero
con   5,67 108 Wm 2 K 4
dell’attuale sistema di vita.
I  6,33 107 Wm 2


avendo considerat o T  5780 K
Efficienza
Il parametro più importante di una cella fotovoltaica è l’efficienza
Potenza elettrica ottenuta dalla cella
EFFICIENZA = h =
Potenza della radiazione solare incidente
Esempio:
10 W/dm2
h = 10%
1W
h = 20%
2W
1dm
1dm
E’ dunque importante massimizzare l’efficienza. Come?

Trovando materiali con basso energy gap che sfruttino così la maggior parte di
spettro disponibile possibile

Facciamo inoltre notare un fenomeno (scattering) oggetto dell’odierna ricerca e
comune a tutti i tipi di celle. Quando un fotone con energia superiore all’energy
gap, ad esempio nelle celle Graetzel, l’antocianina, l’elettrone acquisisce
un’energia maggiore di quanta gliene serva per passare alla banda di conduzione.
Dovrà così passare a stati energetici inferiori (disperdendo l’energia in eccesso
sotto forma di calore) per essere acquisito dall’Ossido di Titanio ed innescare il
flusso elettronico. Il goal è quindi il modo di utilizzare e non disperdere l’energia
in eccesso.
È importante tenere a mente che è altrettanto importante dal punto di vista della
produzione commerciale trovare un prodotto con un buon rapporto tra
efficienza e costi di produzione.
L’efficienza delle celle organiche è inferiore
rispetto a quelle inorganiche…
Solar Cell Technologies
Si (crystalline)
Si (multicrystalline)
CIGS
CdTe
a-Si**
Dye Solar Cells (DSC)
Solid state DSC
Organic Photovoltaics
Cell efficiency (%)
24.7
20.3
19.5
16.5
12.1
11.1
4.2
4.8 (6.5)***
Module efficiency (%)
19.7
15.3
13.4*
10.7
10.4
6.3
-
hanno però bassi costi di produzione…
…
Celle solari organiche
Vantaggi
• Processo di realizzazione
semplice;
• Possibilità di realizzare
dispositivi flessibili e leggeri;
• Ampio range di
assorbimento;
• Materiali economici.
Svantaggi
• Tecnologia poco avanzata;
• Basse efficienze rispetto alle
celle solari inorganiche;
• Breve tempo di vita, facile
degradazione.
CELLA SOLARE ORGANICA
Ingredienti:
• due vetrini con un sottile strato (100 nm) trasparente di materiale
conduttivo (ossido di indio stagno [ITO]);
• soluzione di biossido di titanio (TiO2);
• soluzione di frutti di bosco e ibiscus in acqua o alcool;
• colla bicomponente (sigillante inerte);
• grafite;
• nastro adesivo e taglierino;
• elettrolita (Ioduro di potassio [KI]-I2 in alcool glicolico);
• forno.
Procedimento:
• Si individua lo strato conduttivo
del primo vetrino e si stende la
soluzione di biossido di titanio.
• Per la realizzazione di questa
operazione si utilizzano due sottili
nastri adesivi (posti ai bordi del
vetrino) ed una spatola per lo
squeeze printing.
• Per permettere una buona
conducibilità dello strato TiO2 si
lascia asciugare per qualche minuto
e si inserisce il vetrino nel forno a
450°C per 30 minuti.
• Si immerge il vetrino nella
soluzione organica, già filtrata,
per 24 ore affinchè il biossido di
titanio si ricopra di un polimero
fotosensibile (antocianina).
Questo è lo strato attivo dove si
formano coppie elettrone-lacuna.
•Il controelettrodo si realizza
depositando uno strato di grafite
utilizzando la punta di una matita
e si pone anch’esso nel forno a
200°C per 30-60 minuti;
• Nel costruire la cella si avrà cura di
impedire il contatto diretto fra i due
elettrodi realizzando una tasca dove
verrà inserito l’elettrolita.
• Per poter disporre di due terminali
per contatti elettrici si assembleranno
i due vetrini sfalsati, garantendo
comunque che il TiO2 (polo
negativo) si interfacci con la grafite
(polo positivo).
• Infine si sigillano i lati della cella
con colla bicomponente lasciando lo
spazio per inserire l’elettrolita
liquido.
•Il microscopico spessore che
rimane tra i due contatti viene
riempito dall’elettrolita che ha il
compito di rimuovere l’aria residua
all’interno della cella,
migliorandone la durata
temporale,garantendone la
continuità galvanica.
•sigillare le ultime estremità aperte
per evitare la fuoriuscita
dell’elettrolita;
•collegare infine in serie le celle per
ottenere un voltaggio adeguato per
pilotare un eventuale dispositivo
elettronico.
Macchia Roberta (ITIS E. Majorana Brindisi)
Massari Gabriella (ITIS E. Majorana Brindisi)
Grasso Michele (IIS Telesi@ Telese Terme Benevento)
Galluccio Francesco (Liceo Scientifico M. Guerrisi Cittanova)
Bagnato Mattia (Liceo Scientifico M. Guerrisi Cittanova)
Pennarola Federica (Liceo Scientifico Vito Volterra Roma)
Santaroni Leonardo (Liceo Scientifico Vito Volterra Roma)
Mancuso Domenico (ITIS Sarrocchi Siena)
Docenti:
Galluzzo Daniela (Liceo Scientifico M. Guerrisi Cittanova)
Guadalupi Rosalba (ITIS E. Majorana Brindisi)
Modulo a cura di:
Professore Davoli Ivan e Dottor Lucci Massimiliano