Celle fotovoltaiche polimeriche stato dell arte e attività di

Celle fotovoltaiche polimeriche: stato dell’arte e attività di ricerca presso ENI. Andrea Bernardi, Riccardo Po www. eni. it

ORGANIZZAZIONE DELLA PRESENTAZIONE B 1 2 Introduzione alle celle fotovoltaiche Celle solari polimeriche 3 Attività di ricerca Eni 4 Prospettive future 2

CELLE FOTOVOLTAICHE Quattro generazioni Prima generazione - Basate su silicio cristallino (efficienze medie 20%) Seconda generazione - Silicio e altri semiconduttori a film sottile Terza generazione - Celle organiche e polimeriche - Celle basate su giunzioni multiple di film policristallini Quarta generazione - Basate su processi innovativi (fotobiologici? ) 3

CELLE FOTOVOLTAICHE Le origini • 1996 - Robert Curl, Harold W. Kroto, Richard E. Smalley (per la scoperta del fullerene) Alan J. Heeger Hideki Shirakawa 2000 - Alan J. Heeger, Alan G. Mac. Diarmid, Hideki Shirakawa (per la scoperta e lo sviluppo dei polimeri conduttivi) Sir Harold W. Kroto Alan G. Mac. Diarmid 4

CELLE FOTOVOLTAICHE Principali vantaggi dei polimeri coniugati § Elevato coefficiente di assorbimento (film sottili). § Proprietà chimico fisiche modulabili a livello nanomolecolare. § Elevata processabilità a temperatura ambiente. § Possibile realizzazione di dispositivi flessibili. § Bassi costi di produzione. 5

CELLE POLIMERICHE Schema generale Strato fotoattivo Catodo (Al) • Assorbimento della luce • Generazione delle cariche elettriche Strato fotoattivo Anodo (ITO) Vetro Elettrodi • Raccolta delle cariche generate. DONATORE es: P 3 HT ACCETTORE es: PCBM 6

CELLE POLIMERICHE Esempi di molecole fotoattive DONATORI ACCETTORE Poli(9, 9’-diottilfluorene-co-benzotiadiazolo) Poli(3 -esiltiofene) – P 3 HT 1 -(3 -metossicarbonil)propil-1 -fenil[6, 6]fullerene - PCBM Poli[2 -metossi-5(3, 7 -dimetilottilossi)]-1, 4 -fenilenevinilene) 7

CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento 8

CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Prima fase • Assorbimento di un fotone • Promozione di un elettrone del donatore dall’HOMO al LUMO 9

CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Seconda fase • Diffusione dell’eccitone all’interno del materiale donatore 10

CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Terza fase • All’interfaccia tra donatore e accettore. • Trasferimento dell’elettrone dal donatore all’accettore. • Generazione di due cariche libere (elettrone e buca) 11

CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Quarta fase • Migrazione delle buche all’interno del donatore e degli elettroni nell’accettore • raccolta delle cariche da parte degli elettrodi 12

CELLE ORGANICHE Principio di funzionamento Parametri critici • Assorbimento della luce • Dissociazione delle coppie buca – elettrone • Raccolta di carica da parte degli elettrodi Efficienza finale LUMO e- Donatore LUMO Accettore Anodo ITO HCL PEDOT Catodo Al HOMO 13

CELLE SOLARI ORGANICHE Caratterizzazione delle celle organiche I VOC V VMP ISC Schema dei livelli energetici dello strato attivo LUMO: lowest unoccupied molecular orbital DONATORE Gap energetico Anodo Catodo HOMO: highest occupied molecular orbital ACCETTORE 14

OTTIMIZZAZIONE Incremento dell’efficienza della cella Livelli energetici molecolari e assorbimento Struttura molecolare Auto organizzazione Morfologia Proprietà e realizzazione del dispositivo Separazione delle cariche e caratteristiche di trasporto 15

EFFICIENZA Materiali più efficienti trans-poliacetilene poliparafenilenevinilene 1 -(3 -metossicarbonil)propil-1 fenil[6, 6]fullerene - PCBM poli-3 -esiltiofene (P 3 HT) 16

EFFICIENZA Morfologia dello strato fotoattivo anodo catodo Monostrato anodo catodo Eterogiunzione bistrato anodo catodo + Eterogiunzione bistrato diffusa - Eterogiunzione dispersa 17

EFFICIENZA Controllo della morfologia e annealing 18

EFFICIENZA Nuove architetture Celle tandem 19

EFFICIENZA Nuove architetture Optical spacer 20

PROGETTI DI RICERCA Eni Iniziative Eni nel settore del fotovoltaico organico Progetto di ricerca sullo studio e la realizzazione di celle solari basate su materiali organici e nanotecnologie, con potenzialità di breakthrough nel lungo termine Attività § Studio e preparazione di materiali (polimeri, nanomateriali, etc. ) § Studio e fabbricazione di dispositivi § Modelling § Caratterizzazione § Valutazione della stabilità delle celle (incapsulazione) 21

PROGETTI DI RICERCA Eni Modelling molecolare Modellazione di molecole materiali e interfacce HOMO LUMO Struttura fine dello spettro Stati eccitati Trasferimento di carica 22

PROGETTI DI RICERCA Eni Sintesi di componenti polimerici Sintesi • Monomeri • Polimeri • Blend 23

PROGETTI DI RICERCA Eni Caratterizzazione di materiali • UV-vis • Fluorescenza • PIA • ESR/LESR • Voltammetria ciclica • Spettrometria di massa • TOF • NMR • GPC 24

PROGETTI DI RICERCA Eni Modelling del dispositivo Interferenza ottica Parametri molecolari (livelli energetici, mobilità) Costanti cinetiche (trasferimenti elettronici, decadimenti…) Morfologia di bulk Isc, Voc, FF, curva I-V Metodo Monte Carlo Cinetico Validazione sperimentale Morfologia interfacciale 25

PROGETTI DI RICERCA Eni Fasi di preparazione di una cella Deposizione o etching dell’ITO Deposizione del PEDOT: PSS 26

PROGETTI DI RICERCA Eni Fasi di preparazione di una cella Deposizione dello strato fotoattivo Evaporazione del catodo (Al) Caratterizzazione elettrica Spessori tipici ITO 100 nm PEDOT: PSS 40 nm BLEND (P 3 HT: PCBM) 100 nm Catodo (Al) 100 - 200 nm 27

Progetti di ricerca Eni Caratterizzazione del dispositivo • Misura curve I-V. • Calcolo di VOC, ISC, FF, h. • Misura dell’efficienza quantica. • Caratterizzazione morfologica (AFM, KPM, profilometro). • Caratterizzazione ottica (ellissometro). AFM surface morfology 28

PROSPETTIVE FUTURE Celle Organiche: verso la scalabilità Stabilizzazione § Incapsulamento § Additivi stabilizzanti Deposizione su scala industriale § Screen printing § Ink-jet printing § Roll-to-roll deposition 29

CELLE ORGANICHE Attrattive e obiettivi DURATA >5 anni EFFICIENZA ~10% VANTAGGI • enorme potenzialità di riduzione dei costi • possibilità di produrre pannelli leggeri e flessibili • integrazione con una vasta gamma di prodotti (edilizia, elettronica portatile, tempo libero…) • facilità di fabbricazione (basse temperature, scarsa sensibilità alle polveri) • proprietà modulabili attraverso il design chimico e l’ingegneria (nano)molecolare COSTI <0. 2 €/k. Wh DIFETTI • è necessario lavorare al miglioramento delle efficienze • è necessario aumentare la stabilità per allungare la vita applicativa 30

CONCLUSIONI § Quella delle celle fotovoltaiche organiche è una tecnologia ancora giovane, ma estremamente promettente § Il principale vantaggio risiede nella possibilità di abbattere drasticamente i costi di produzione dei dispositivi § Esistono ampi spazi di ricerca, per migliorare l’efficienza e la vita dei dispositivi § La ricerca nel settore coinvolge numerose competenze e richiede un approccio interdisciplinare, dalla chimica macromolecolare e sopramolecolare, alla chimica fisica, dalla scienza dei materiali alle nanotecnologie, dall’optoelettronica all’elettronica molecolare, dalla chimica dei sistemi colloidali alla fotofisica e fotochimica, dalle tecnologie di deposizione di film sottili alla fisica e ingegneria dei dispositivi 31

COLLABORAZIONI § Alleanza strategica Eni-MIT § Collaborazioni con università di Losanna § Collaborazioni con università di Delf § Collaborazioni con università di Varsavia § Collaborazioni con università di Porto § Collaborazioni con Technion Israel Institute § Accordo quadro con politecnico di Milano § Accordo quadro con politecnico di Torino § Collaborazione con CNR (Milano, Bologna) § Collaborazione con università di Milano § Collaborazione con Venezia Tecnologie § Collaborazione con università di Ferrara § Collaborazione con università di Catania 32

GRAZIE PER L’ATTENZIONE 33