DISPOSITIVI ELETTRONICI AVANZATI
PLASTIC ELECTRONICS
Celle Solari Organiche (I)
a cura di Ornella Sanna
I combustibili fossili e le fonti rinnovabili
crescita delle emissioni di CO2 dall’era preindustriale dovuta alle attività umane di sfruttamento
delle risorse del pianeta, in particolare all’utilizzo dei combustibili fossili. Le linee tratteggiate
rappresentano possibili (ottimistici) scenari.
Conseguenze dirette dell’uso dei combustibili fossili
• elevati costi di produzione e manutenzione degli impianti
• degrado ambientale:
20*1012 Kg di diossido di carbonio rilasciati nell’atmosfera ogni anno
• aumento della temperatura superficiale terrestre ( tra 0.6-7°C nel 2100):
• aumento della frequenza e dell’imponenza dei disastri naturali
• aumento del livello delle acque
Conseguenze dell’uso delle fonti rinnovabili
• non ha effetti significativi sull’ambiente
• tali fonti non rischiano di esaurirsi
• si basa sul supporto locale della loro fonte di energia
• i sistemi di potenza forniscono, durante la loro vita, più energia di quella che si
consuma durante la loro fabbricazione, installazione e manutenzione
nonostante ciò
il costo delle energie rinnovabili non è ancora abbastanza basso
da qui la necessità di sviluppare tecnologie a basso costo per lo sfruttamento
delle fonti rinnovabili
LE FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE
il vento
l’acqua
il sole
si prevede che il sole avrà una vita stabile e che continuerà ad erogare energia
sotto forma di radiazione in maniera costante per circa 10 miliardi di anni
la radiazione solare può essere convertita in energia elettrica tramite le celle
solari
il sole emette radiazioni nella banda compresa tra l’ultravioletto e l’infrarosso
(0.2-3 µm)
L’intensità della radiazione solare nello spazio libero alla distanza media della
Terra dal Sole è definita come COSTANTE SOLARE ed è pari a 1353 W/m2
La misura in cui l’atmosfera influenza la luce solare ricevuta dalla superficie
terrestre è definita come la massa d’aria (air mass, AM).
I DIVERSI SPETTRI
• AM0 è lo spettro che si utilizza per applicazioni spaziali, in condizioni di massa
d’aria nulla
• AM1 è lo spettro sulla superficie terrestre
quando il sole è allo zenith
• AM1,5 è lo spettro quando il sole
è a 48° rispetto allo zenith ed è quello
preferito per le misure di efficienza
nelle celle solari.
• AM2 è lo spettro sulla quando il sole
è a 60° rispetto allo zenith
I due spettri standard comunemente usati sono l’AM1.5 diretto e AM1.5
globale. Quest’ultimo comprende quello diretto più la luce diffusa. La differenza
sta soprattutto nella regione di lunghezza d’onda interessata. Acqua (H2O),
ozono (O3) e diossido di carbonio (CO2) sono i principali agenti assorbenti della
radiazione solare nell’atmosfera terrestre
Celle solari: passato, presente, futuro
Il materiale più importante è stato finora, e continua ad essere, il silicio sia nella
sua forma convenzionale che, soprattutto, nella versione di film sottile cristallino
ma un grande numero di nuovi concetti e nuovi materiali è in fase di sviluppo
nonostante il silicio sia il materiale più usato
esso non è il materiale ideale per la conversione fotovoltaica
per avere il 90% di assorbimento della luce sono necessari
1 µm di GaAs (semiconduttore a gap diretto)
100 µm di Si (semiconduttore a gap indiretto)
PERO’:
tecnologia del silicio già fortemente sviluppata prima dell’avvento dei dispositivi
fotovoltaici
Le specifiche per la cella solare
ideale sono:
1) un bandgap compreso tra 1.1 e
1.7 ev
2) una struttura a band bandgap
diretto
3) tecniche di deposizione semplici
e riproducibili
4) buona efficienza di conversione
fotovoltaica
5) stabilità a lungo termine
6) la disponibilità di materiali non
tossici
I materiali
• silicio mono e multicristallino
oggigiorno il mercato del fotovoltaico è caratterizzato da tre fattori:
1. il miglioramento dell’efficienza di conversione
migliore risultato raggiunto in laboratorio: 24,7 % tramite una tecnologia
fortemente elaborata
2. la riduzione dei costi
il 50 % dei costi di un modulo è dovuto ai costi di processamento dei wafer di
silicio
l’efficienza inoltre, è direttamente correlata con l’area del sistema che incide
fortemente sui suoi costi
3. il difficile rifornimento del materiale policristallino grezzo
• silicio cristallino (c-Si), film sottile
questi tipo di tecnologia necessita di un supporto meccanico a causa del ridotto
spessore del materiale attivo (5 - 50) µm
problemi di compatibilità tra substrato e materiale attivo
non esistono ancora materiali con le proprietà tecniche ideali che siano anche a
basso costo
• silicio amorfo (a-Si)
efficace alternativa alle celle in silicio cristallino e policristallino
nella regione spettrale compresa tra 400 e 800 nm, il valore del suo coefficiente di
assorbimento é almeno un ordine di grandezza maggiore di quello del silicio
cristallino
le caratteristiche del a-Si:H impongono strutture del dispositivo diverse da quelle
usate nelle celle cristalline
esempio di cella solare in a-Si:H
nuovi sviluppi riguardano la combinazione di a-Si e c-Si in eterostrutture tramite
tecniche combinate delle tecnologie relative ad entrambi i materiali
il migliore risultato è stato ottenuto finora dalla Sanyo con una efficienza di
conversione del 20,7 %
•
CIS ( seleniuro di indio-rame) e materiali per sistemi concentrati
il CIS sfrutta la tecnologia del film sottile
i sistemi concentrati sono costituiti da celle a multigiunzione per esempio
GaInP/GaAs/Ge
• pigmenti sintetizzati: la cella di Gratzel
processo fotoelettrochimico
l’elemento responsabile dell’assorbimento di luce è un pigmento
• materiali organici
celle solari molecolari
celle solari polimeriche
coefficienti di assorbimento ottico elevati, dispositivi sottili, substrato flessi bile
Principio di funzionamento delle celle solari
l’effetto fotovoltaico:
radiazione solare incidente
conduzione
assorbimento di fotoni
generazione di coppie elettrone-lacuna
I meccanismi di trasporto dipendono dal materiale e dalla struttura della cella.
Per poter osservare l'effetto fotovoltaico, gli elettroni e le lacune fotogenerati
devono essere separati da un campo elettrico
esterno
interno (disomogeneità del sistema)
possibili disomogeneità del sistema:
• contatto metallo-semiconduttore ( Barriere Schottky)
• contatti Metallo-Isolante-Semiconduttore (MIS)
• giunzione p-n (omo-giunzione o etero-giunzione)
le celle solari classiche sono basate in generale su strutture di tipo p-n (diodo)
Come sappiamo i fenomeni di trasporto all’interno del diodo p-n dipendono dalle
condizioni di polarizzazione cui esso è sottoposto:
• polarizzazione inversa
tensione esterna applicata positiva alla zona n
del diodo
• polarizzazione diretta
del diodo
tensione esterna applicata negativa alla zona n
diagramma schematico di una giunzione p-n: (a) non polarizzata:
(b) polarizzata direttamente (V >0);(c) polarizzata inversamente (V<0).
2 modi di funzionamento
• assenza di illuminazione
caratteristica I-V al buio: quella tipica della giunzione p-n
la densità di corrente che scorre nel diodo è detta JD
• sotto illuminazione
la densità di corrente fotogenerata JL si aggiunge a quella al buio JD
la cella si comporta come un generatore di corrente in parallelo al diodo
JL è una densità di corrente dovuta esclusivamente al passaggio dei portatori
minoritari ad ha verso opposto rispetto a JD che è dovuta ai maggioritari
La densità di corrente totale J che circola in una cella fotovoltaica è quindi:
J = JD - JL
con
JD = J0 [expeV/nkT -1]
equazione del diodo
J0 = corrente di saturazione inversa
n = fattore di idealità, varia tra 1 e 2
e = carica elementare dell’e-
se n = 1, la caratteristica coincide con quella del diodo ideale
se n = 2, la conduzione è dominata dalla ricombinazione-generazione nella
regione di carica spaziale
La fotocorrente
può essere calcolata dalla risoluzione dell’equazione di continuità in condizioni
di bassa iniezione e quindi valide per intensità luminose fino a circa 100
mW/cm2 ed è proporzionale al numero di fotoni assorbiti
JL = Jn + J p + Jdr
Jne Jp: contributo dei portatori minoritari generati rispettivamente nelle regioni n e
p
Jdr: contributo delle cariche generate nello strato di svuotamento
meccanismi di perdita
• perdite ohmiche ai contatti (resistenze di strato e di contatto)
resistenza serie Rs
• perdite superficiali o dai corto circuiti microscopici dovuti ai difetti reticolari
resistenza parallelo (shunt) Rsh
considerando tale circuito la relazione J-V della cella solare p-n si può scrivere:
J = J0 exp[e(V + JRs)/nkT -1] +[(V+JRs)/Rsh]- JL
effetto di Rs
effetto di Rsh
Parametri caratteristici
1.
efficienza di conversione η
η=Pmax/Pinc
Pmax= Jm Vm è la massima potenza erogata dal dispositivo
Pinc è la potenza della radiazione incidente =
(densità di potenza della radiazione incidente)*(area della cella)
La densità di potenza incidente dipende dal fattore AM utilizzato: solitamente si
utilizza il valore AM1.5, che prevede un valore di 100 mW/cm2.
2. Fill Factor
FF =JmVm/JscVoc
dove Voc è la tensione di circuito aperto e Jsc è la corrente di corto circuito
così l’efficienza di conversione diventa:
η = JscVocFF/Pinc
quanto maggiore è il FF tanto maggiore sarà la potenza elettrica che potrà essere
estratta dalla cella
3. caratteristica I-V
la combinazione corrente-tensione che da il rettangolo di potenza più grande è
detta punto di massima potenza
4. External Quantum Efficiency (EQE)
efficienza con cui i fotoni incidenti sul dispositivo vengono trasformati in corrente