VITA ALESSIO
V CH
2007/2008
SCENARIO ENERGETICO
MONDIALE
• La recente crescita industriale di paesi
come Cina e India sta proiettando il
mondo verso una nuova crisi energetica.
Come si può notare dal grafico circa il
90 % dell’energia mondiale deriva da
combustibili fossili (gas, carbone e
petrolio).
INQUINAMENTO ATMOSFERICO
• Con la crescita della domanda di energia
si registra anche un aumento della
produzione di gas serra (CO2)
ENERGIE RINNOVABILI
Le energie rinnovabili
sono quelle fonti
energetiche infinite e
“pulite”,ovvero con
scarso inquinamento
e sempre presenti
nella terra. Esse
sono metodi naturali
alternativi al petrolio.
La fonte rinnovabile più sfruttata è
l’energia idroelettrica, seguita dalle
biomasse e dall’energia eolica.
Energia eolica
Per energia eolica
si intende la
capacità del vento
di mettere in
movimento una
pala, trasformando
così l’energia
cinetica in energia
elettrica.
Energia da biomasse
Le fonti di energia da
biomassa sono
costituite dalle
sostanze di origine
animale e vegetale,
non fossili, che
possono essere
usate, direttamente o
dopo opportune
trasformazioni, come
combustibili
Energia geotermica
La centrale
geotermica sfrutta
il calore della
terra per portare
l’acqua allo stato
di vapore e
mettendo così in
moto una turbina.
Energia solare termica
L’energia solare
termica utilizza il
calore del sole per la
produzione di acqua
calda grazie ad
appositi materiali i
quali in depressione
raggiungono elevate
temperature..
Energia idroelettrica
L'acqua viene
convogliata in una o
che ruota grazie alla
spinta di essa. Ad ogni
turbina è accoppiato un
alternatore che
trasforma il movimento
di rotazione in energia
elettrica. Essa è la più
usata e ha poche
possibilità di
miglioramento.
Energia fotovoltaica
L’energia fotovoltaica
sfrutta le speciali
proprietà di alcuni
semiconduttori come
il silicio,
opportunamente
lavorati, per
convertire la
radiazione solare in
corrente elettrica.
PROSPETTIVE PER IL FUTURO
L’energia solare è quella che ha più
prospettive per il futuro, in quanto le
odierne celle hanno un rendimento
massimo di circa 20 %, mentre le
altre fonti di energia sono arrivate
quasi al massimo della loro capacità.
UN PO’ DI STORIA DEL
FOTOVOLTAICO
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Nel 1839 il fisico francese Alexandre Edmund Becquerel osservò che
l’intensità della corrente tra due elettrodi immersi in una soluzione
conduttrice (cella elettrolitica), aumentava se si esponeva la pila così
composta alla luce del Sole.
Nel 1954 negli USA studi presso i laboratori Bell portarono alla
realizzazione delle prime celle fotovoltaiche commerciali in silicio
monocristallino. In questo periodo la tecnologia fotovoltaica trovò
applicazione in campo aerospaziale.
Solo a partire dal 1970 con il manifestarsi delle crisi energetiche di portata
mondiale, si iniziò a trasferire la tecnologia fotovoltaica anche nel settore
delle costruzioni civili.
Nel 1991 Graetzel presenta la cella fotovoltaica organica, basata sul
processo che si ispira alla fotosintesi delle piante (cella di Grätzel o Dye
Sensitized Solar Cell).
Cos’è una cella fotovoltaica?
Una cella fotovoltaica è un dispositivo in
grado di trasformare la radiazione solare
in energia elettrica. Questo grazie
all’effetto fotovoltaico,presente nei
semiconduttori come il Silicio. Per rendere
possibile il passaggio di corrente, il Silicio
viene sottoposto a drogaggio con Boro e
Fosforo (drogaggio p-n).
Tipi di celle
Le celle ad oggi presenti e più usate nel
mercato sono le celle a silicio amorfo, a
silicio policristallino e a silicio
monocristallino. Quelle più redditizie e
anche più costose sono quelle
monocristalline, seguite dalle policristalline
ed infine quelle a silicio amorfo
Costi del Silicio
Il Silicio è il semiconduttore più
abbondante in natura, ma a causa
dell’elevato grado di purezza necessario
per la realizzazione delle celle il costo di
produzione è molto alto. Infatti per una
cella è di circa 400 €/m2.
Cella fotovoltaica
a silicio amorfo
Cella fotovoltaica
monocristallina
Cella fotovoltaica
policristallina
Alternative al silicio
Grazie all’elevato costo si stanno
sperimentando nuove tecnologie, basate
soprattutto su composti organici. Alcune di
esse si basano sull’uso di composti
organici semiconduttori come i fullereni,
altri sfruttano le proprietà di coloranti
organici di liberare elettroni come nella
fotosintesi clorofilliana (cella di Graetzel).
CELLA DI GRAETZEL
Una cella di Graetzel o
DSSC è un dispositivo
che sfrutta le proprietà di
alcuni coloranti organici
di generare una corrente
di elettroni quando
vengono colpiti dalla
radiazione solare,
ovvero l’analogo della
Fotosintesi Clorofilliana.
Il colorante organico
(clorofilla, antiocianine)
fissato a uno strato di
biossido di titanio, viene
eccitato dalla radiazione
solare e trasmette l’
elettrone a una soluzione
elettrolitica che riporta il
colorante allo stato neutro e
cede al contro-elettrodo gli
elettroni.
Struttura
Clorofilla
1. colorante + luce →
colorante eccitato
2. colorante eccitato + TiO2 →
e-(TiO2) + colorante ossidato
3. colorante ossidato + 3/2 I- →
colorante + ½ I34. ½ I3- + e- (contro-elettrodo)
→ 3/2 I-
Realizzazione di una cella di
Graetzel
FASE 1:
Estrazione del
colorante.
Per estrarre la clorofilla
abbiamo effettuato una
cromatografia su colonna
dell’estratto di spinaci.
Invece per le
antiocianine abbiamo
spremuto i mirtilli
filtrandone il succo.
FASE 2: PREPARAZIONE BIOSSIDO DI TITANIO
La sospensione di
TiO2 viene
preparata in un
mortaio macinando
il biossido e
aggiungendo
lentamente una
soluzione di acido
nitrico a pH 3.
Deposizione del biossido si titanio
La sospensione viene
spalmata, con una
bacchetta di vetro sulla
superficie del vetrino. In
questo modo lo strato di
TiO2 dovrebbe avere lo
stesso spessore dello
scotch.
Cottura in muffola
Viene utilizzata una
muffola dove il vetrino
subisce il trattamento
termico a 450 °C per
circa 30 minuti, poi
viene lasciato
raffreddare
gradualmente a
temperatura ambiente
FASE 3: preparazione contro-elettrodo e elettrolita.
Per ricoprire il controelettrodo di carbonio
si usa una candela
con cui affumicarlo.
La soluzione
elettrolitica si prepara
con lo iodio, con lo
ioduro di potassio e con
l’etilenglicole.
I2+KI+EG
ricambio
elettronico
FASE 4: Assemblaggio della cella.
Per assemblare la
cela si pongono i
due vetrini sfalsati e
si fa assorbire la
soluzione
elettrolitica. Si
fissano i vetrini con
le clips.
Caratterizzazione della Cella
Per misurare la
corrente generata,
la cella è stata
posta sotto
illuminazione
costante ed è
stata misurata la
tensione (V) e
l’intensità di
corrente (I).
Caratteristica corrente-tensione (I-V) della cella al mirtillo
(quadrati rossi). Per confronto la figura riproduce l’andamento
I-V di una cella tradizionale al Silicio (quadrati neri).
CONSIDERAZIONI
Nonostante si siano verificati diversi problemi di
costruzione la cella ha dato risposte positive a
tutte le misure effettuate. Infatti nelle condizioni di
misura (illuminazione 500 W/m2, Temperatura
22°C) i dati rilevati sono stati:
-corrente di corto circuito ISC = 5.1 A
- tensione di circuito aperto VOC = 2.25 mV
- area attiva della cella: 4.5 cm2
- efficienza di conversione fotovoltaica 5.3×10-6%.
CONCLUSIONI
I bassi valori ottenuti sono da imputare alle
numerose difficoltà di fabbricazione e alla
scarsa riproducibilità della cella.
Tutto sommato la cella ha mostrato tutte le
caratteristiche di qualsiasi altra cella al
silicio, solo con valori più bassi.
Infine questo studio ha portato a importanti
conclusioni, soprattutto volte a migliorare
esperimenti futuri.
Ringraziamenti
Si ringraziano:
• Dipartimento di fisica dell’università di Camerino
( Prof. Pinto e Prof. Ficcadenti) per il materiale
fornito, per la caratterizzazione e per i consigli
dati.
• L’istituto tecnico per la disponibilità a finanziare
questo progetto.
• Tutti i Professori di Chimica dell’ I.T.I.S
(in particolar modo Prof.ssa Amabili e Prof. Tifi).