Sviluppo di celle fotovoltaiche innovative a semiconduttore nanostrutturato

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1 Proposta di Tesi di Laurea Sviluppo di celle fotovoltaiche innovative a semiconduttore nanostrutturato PERIODO : 6 mesi 1 anno con inizio da febbraio 2008 Soggetti industriali coinvolti : CERICOL, Colorobbia, Empoli Docenti di Ingegneria coinvolti : Prof. Mara Bruzzi, Prof. Ennio Carnevale, Prof. Franco Bogani

2 Principio di funzionamento della cella fotovoltaica Proposte negli anni 90 da M. Grätzel (Politecnico di Losanna) utilizzano semiconduttore nanocristallino di basso costo (TiO 2 ) opportunamente sensibilizzato con particolari sistemi chimici (dye-sensitizer) + elettrolita (liquido, gel o solido organico). Si ha iniezione di elettroni per eccitazione luminosa del sensibilizzatore nella banda di conduzione del semiconduttore. L elettrone è quindi trasferito ad un elettrodo che, a sua volta, a contatto con un elettrolita, diviene sede di un processo riduttivo. La lacuna di carica resta sul sensibilizzatore che, a contatto con lo stesso elettrolita, dà origine a un processo ossidativo.

3 Il processo di funzionamento ricorda molto la fotosintesi clorofilliana: l energia della luce solare è fissata in legami chimici presenti in molecole organiche complesse, i carboidrati, che assunti e bruciati da piante e animali, rilasciano nell atmosfera biossido di carbonio completando un ciclo reversibile e rinnovabile: H 2 O + CO 2 + energia carboidrati + O 2 La fotosintesi da piante sulla terra e batteri negli oceani produce otto volte il fabbisogno energetico dell umanità: se riuscissimo a convertire con un efficienza del 10 % l energia solare su una superficie appena dell 1 % delle terre emerse, produrremmo il doppio dell attuale richiesta di energia elettrica!

4 Potenzialità del sistema (a) se realizzato con materiali di natura e dimensioni appropriati, può essere reso trasparente, e quindi utilizzato, per esempio, per i vetri delle abitazioni, aprendo la strada al possibile sviluppo di elementi strutturali per edilizia in grado di produrre energia; (b) si presenta in configurazione bi-facciale permettendo la cattura di luce su ampi angoli solidi; (c) può essere usato su substrati flessibili ed essere conformato in modo da ben inserirsi come elemento architettonico/strutturale, anche di grandi dimensioni, in un edificio. L efficienza massima raggiunta per il momento da questi dispositivi si attesta intorno al 10-11% ed i costi di produzione sono circa 1/5 di quelli delle celle a silicio amorfo. Produzione su scala industriale : - Solaronix, Losanna - Svizzera - DyeSol Australia - Konarka Technologies USA

5 FASI DELLA RICERCA Produzione/caratterizzazione Ottimizzazione dye-sensitizer ed elettrolita TiO 2 Nanostrutturato Colorobbia Assemblaggio controelettrodo Struttura chimica Ruthenium 535-bisTBA Caratterizzazione cella e confronto con primi prodotti commerciali Vetrino TiO 2 e colorante Cella assemblata

6 OBIETTIVO DELL ATTIVITA DI TESI 1. Produzione di uno o più prototipi di Cella di Grätzel a partire dai suoi elementi costitutivi in collaborazione con la ditta Colorobbia di Empoli 2. Caratterizzazione elettrica dei prototipi di cella fotovoltaica presso il laboratorio di Fisica del Dipartimento di Energetica dell Università di Firenze (DEF) 3. Analisi dell efficienza della cella ed ottimizzazione del prototipo

7 Fasi di assemblaggio da eseguirsi presso Colorobbia A - Preparazione degli elettrodi Controelettrodo ricoperto di grafite Elettrodo ricoperto con TiO 2 imbevuto di colorante B Assemblaggio C Inserimento dell elettrolita per capillarità Clips Elettrolita (soluzione I - /I 3- ) Prototipo di cella :

8 Test di caratterizzazione elettrica da eseguire presso il DEF Caratteristica I-V Corrente Elettrica (a.u.) A C Tensione (a.u.) 0.25 V R

9 Links di approfondimento ali/materiali_didattici_settimane/cella1.swf

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