GIANNA REGINATO ICCOM- CNR POLO SCIENTIFICO - SESTO FIORENTINO

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1 GIANNA REGINATO ICCOM- CNR POLO SCIENTIFICO - SESTO FIORENTINO

2 % nell emissione di gas serra (1990) +20% di efficienza energetica 20% di energia da fonti rinnovabili IL SETTORE DEL FOTOVOLTAICO STA VIVENDO UN PERIODO DI FORTE EVOLUZIONE SIA DAL PUNTO DI VISTA DEI MATERIALI USATI SIA DAL PUNTO DI VISTA DELLE TECNOLOGIE DI REALIZZAZIONE European Renewable Energy Council (EREC) FOTOVOLTAICO: Elevata crescita nei prossimi 10 anni GREEN ECONOMY Investimenti Posti di lavoro

3 Svantaggi che limitano lo sfruttamento dell Energia Solare Per sua natura l energia solare non è costante (alternanza notte/dì, giornate nuvolose). Bassa densità di potenza (~170 W/m 2 ), che si riduce ulteriormente nella conversione ad elettricità (una casa richiede ~100 W/m 2, un acciaieria W/m 2 ). Richiede superfici estese. Problemi nella distribuzione. Costi (!): «la dimensione delle risorsa ed il potenziale per un ulteriore sviluppo tecnologico rendono difficile non considerare l energia solare la più promettente tecnologia ad emissioni zero.» Nature 2008, 454, 816. Fonte Frazione sul totale Costo al KWh Costo Impianti Petrolio 35% Medio Carbone 24% 0.04 Medio Gas Naturale 21% Medio Biomasse 11% 0.07 Medio Nucleare 6% Alto Idroelettrico 2% 0.02 Alto Eolico <1% Medio Fotovoltaico <1% Alto Geotermico <1% 0.02 Alto Dati tratti da: AIM Magazine 2007, 62, 29.

4 La EPIA ha definito una serie di strategie per raggiungere gli obbiettivi per il 2020 Fonte: EPIA Strategie EPIA (European Photovoltaic Industry Association) Incremento della efficienza dei pannelli classici al silicio Sviluppo di nuovi materiali ed idee: Celle solari di nuova generazione DSSC Fotovoltaico Organico Le DSSC rappresentano al momento la tecnologia più matura su cui puntare per un piano di ricerca e sviluppo che possa far partire linee di produzione in tempi brevi

5 Dal decreto ministeriale del 6 Agosto 2010 Dal decreto ministeriale del 6 Agosto 2010 Incentivazione della produzione di energia elettrica mediante conversione fotovoltaica della fonte solare [ ] l innovazione tecnologica nel settore e lo sviluppo di tecnologie innovative per la conversione fotovoltaica; [ ] [ ] impianto fotovoltaico integrato con caratteristiche innovative : è l'impianto fotovoltaico che utilizza moduli e componenti speciali, sviluppati specificatamente per sostituire elementi architettonici [ ] [ ] impianto fotovoltaico con innovazione tecnologica : è un impianto fotovoltaico che utilizza moduli e componenti caratterizzati da significative innovazioni tecnologiche. [ ] TARIFFE INCENTIVANTI PER - TECNOLOGIE INNOVATIVE - INTEGRAZIONE ARCHITETTONICA

6 1) Celle al Silicio a) Celle al silicio monocristallino b) Celle al silicio policristallino Tecnologia matura ma costi ed efficienza sono difficili da migliorare a causa di una inerente limitazione del Si. Monocristallino Efficienza: 20-24% (cella) ~ 15% (modulo) Policristallino Efficienza: 15-18% (cella) ~ 13% (modulo) 2) Celle Solari a Film Sottile (Thin Film Solar Cells) a) GaAs b) CdTe CdTe c) CI(G)S - CuIn(Ga)Se 2 d) Celle al silicio amorfo (a-sih) Minore quantità di Si, ma con le stesse limitazioni CIGS - CIS Efficienza: molto elevata (max. 23.3%) Costo: elevato (Ga: $650/Kg) Riservato ad applicazioni di nicchia (es.: satelliti) Vantaggi: deposizione su substrati flessibili vasta scelta di materiali elevata efficienza Svantaggi: disponibilità dei materiali possibile tossicità processo di produzione complesso

7 Problemi principali del FV tradizionale: 3) Celle Solari Organiche ed Ibride a) Bulk Heterojunction Solar Cells Costo dei materiali e del processo di fabbricazione Disponibilità di alcuni degli elementi necessari Difficoltà di Integrazione Architettonica celle contenenti semiconduttori organici (polimeri coniugati) basate sulla giunzione tra due materiali organici diversi un donatore ed un accettore di elettroni. Efficienza max raggiunta = 6.1% Vantaggi: Deposizione su substrati flessibili anche larghe aree a costi molto ridotti (come veri e propri inchiostri o paste, o attraverso semplici processi di evaporazione) Possibilità di applicare design molecolare («taylor made polymers»). Basso costo e facile processabilità. Svantaggi: Efficienze troppo basse, stabilità insufficiente, no assorbimento nel vicino IR.

8 Inventate da Michael Grätzel all EPF di Losanna nel 1991 Prima pubblicazione: B. O Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737. Attualmente in stato di sviluppo avanzato. Premio città di Firenze SULLE SCIENZE MOLECOLARI edizione 2010 La commercializzazione è appena cominciata (elettronica di consumo, applicazioni indoor). Efficienza e stabilità superiori rispetto alle celle organiche. Efficienza max raggiunta = 11.5% Processo di produzione semplice e a basso costo. Trasparenti, colorate, facilmente integrabili in edifici.

9 Le DSSC si basano su di un meccanismo di funzionamento diverso da quello delle altre classi di celle fotovoltaiche, che prende spunto dalla fotosintesi clorofilliana che avviene nelle piante verdi - La clorofilla presente nel fotosistema II è in grado di assorbire un fotone di luce, dando inizio ad un processo di trasferimento elettronico. - Essa viene ridotta per mezzo di una molecola d acqua, dando luogo allo sviluppo di ossigeno. - Dopo l assorbimento di un ulteriore fotone da parte del fotosistema I, si formano NADPH, ATP e protoni, che verranno utilizzati nella riduzione di CO 2 (ciclo di Calvin).

10 Componenti ELETTRODO TRASPARENTE A) SUBSTRATO VETROSO B)(OSSIDO CONDUTTORE ITO(InSnO 2 ), SNO 2 ) 1. SEMICONDUTTORE NANOCRISTALLINO (TIO 2 ) 2. COLORANTE (ADSORBITO SUL SEMICONDUTTORE) 3. SOLUZIONE ELETTROLITICA CONTROELETTRODO A) SUBSTRATO VETROSO B) CATALIZZATORE (PLATINO, GRAFITE) MECCANISMO

11 stabile, non tossico, poco costoso Scale up da piccole celle a grandi moduli Semiconduttore TiO 2 Colorante DA MODULI A PANNELLI difficoltà Elettrolita Tecniche di stampa Elevati margini di miglioramento in tempi brevi. Acquisizione di proprietà intellettuale Assemblaggio Controelettrodo

12 COLORANTI (FOTOSENSIBILIZZATORI) Rappresentano il «cuore» del dispositivo e sono largamente responsabili delle sue prestazioni. Caratteristiche ideali: 1. Lo spettro di assorbimento dovrebbe coprire l intera regione visibile e parte del vicino infrarosso (NIR). Questo consente di sfruttare al massimo la radiazione 2. Dovrebbe possedere gruppi funzionali atti ad assicurare un buon ancoraggio all ossido metallico (-COOH, -SO 3 H, -PO 3 H 2 ). 3. Il LUMO del colorante deve trovarsi ad energia più elevata della banda di conduzione del semiconduttore. 4. Il livello dello stato ossidato del colorante deve essere più positivo del potenziale redox dell elettrolita. 5. L aggregazione sulla superficie del semiconduttore dovrebbe essere minimizzata. 6. Il colorante dev essere stabile dal punto di vista chimico, termico e fotochimico. 7. Il colorante deve essere poco costoso 1. Complessi di metalli di transizione (soprattutto Ru, poi Pt, Os, Fe) N719 (11.1%) 2. Coloranti di origine naturale. Basse rese 3. Coloranti organici (bassi costi, variabilità strutturale, stabilità) (max 8%), settore molto recente ed in rapida espansione.

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14 Test outdoor sulla produzione di energia annuale ottenibile da un sistema di 10kW di pannelli in Silicio policristallino e di DSSC hanno dimostrato A parità di potenza nominale, le DSSC offrono una maggiore produzione media (circa 1.6 volte maggiore sul lato nord) INDIPENDENZA DALLA ESPOSIZIONE CARATTERISTICA OTTIMALE PER L INTEGRAZIONE TOTALE IN ARCHITETTURA

15 DURATA Non esistono dati reali I primi test accelerati sono stati resi noti dalla DYESOL (Australia) e hanno mostrato ottimi risultati su celle di test e moduli. Lifetime > 20anni C)

16 Le DSSC hanno raggiunto una maturità sufficiente per poter condividere il dominio del mercato le celle al silicio (o invadere settori di mercato alternativi). c-si DSSC Efficienza max. 24% 11.5% Costo di Produzione $/W p 1.0 $/W p (efficienza 10%) Energy Payback Time 3-4 anni 1 anno. Durata > 20 anni ore in test accelerati (stima: 20 anni in condizioni normali)

17 Previsioni di mercato per celle solari di nuova generazione DSSC Previsione produzione Fino ad ora il mercato ammonta <1MW (2010) gli esperti prevedono una crescita a 6.2 MW (2011) 25.3 MW (2012) 261 MW (2015) Fonte: Displaybank (2009)

18 Tecnologia DSSC: previsioni 2013 ( 41 Imprese 23 USA 6 giapponesi 5 europee 2 svizzere Nessuna italiana!

19 Fondi pubblici e privati (CHOSE da Center for Hybrid and Organic Solar Energy) nasce nel dicembre 2006 dalla volontà della Regione Lazio e del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'università di Roma Tor Vergata Centro di eccellenza, presso il campus universitario di Tor Vergata, per lo sviluppo della ricerca e dell'industrializzazione delle tecnologie organiche e ibride organiche-inorganiche applicate alle celle fotovoltaiche. DYERS spin-off universitario Nasce nel 2009 sviluppo, la progettazione, la realizzazione, la commercializzazione, certificazione e la consulenza

20 Lo sviluppo di questa tecnologia e l applicazione, soprattutto a livello di piccoli dispositivi, si abbina bene al sistema italiano di piccole e medie imprese FILIERA PRODUTTIVA INNOVAZIONE NEL CAMPO DEL DESIGN Opportunità di coniugare il made in Italy con la tecnologia PROMUOVERE UNA CULTURA DEL FOTOVOLTAICO Produzione di Energia Cultura del risparmio

21 BIPV: INTEGRAZIONE NEGLI EDIFICI Componenti per l edilizia Dyesol Australia Casa del Futuro Sydney, villaggio olimpico Shangai Expo 2010 Padiglione svizzero

22 ELEMENTI DI ARREDO RECUPERO DELLA LUCE DIFFUSA Mobili Pannelli decorativi Caricabatterie Vetrate Lampade: SONY design Hyundai: Seoul Motor Show2010. Borse: G4 Innovation Design

23 Light Sanctuary: United Arab Emirates - Dubai Studio Decker Yeadon LLC, New York City

24 per la partecipazione di giovani ricercatori ad attività di ricerca congiunta a valere sul P.O.R. Toscana Competitività regionale e occupazione Progettazione e sintesi di nuovi sensibilizzatori organici per la produzione di celle fotovoltaiche non convenzionali ICCOM (Istituto di Chimica dei Composti Organometallici) CNR Area della Ricerca - Sesto Fiorentino (FI) Università degli Studi di Siena Dipartimento di Chimica e Farmaco Chimico Tecnologico EXERGY s.r.l. Arezzo Dott. Laura Parisi Università di Siena Dott. Lorenzo Zani ICCOM-CNR