Fotovoltaico di Nuova Generazione

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1 Fotovoltaico di Nuova Generazione CNR Istituto di Chimica dei Composti Organometallici Area di Ricerca di Firenze 1 Forum Internazionale, Sviluppo Ambiente Salute. Arezzo Novembre 2012

2 Sommario 1. Introduzione: Energie Rinnovabili ed Energia Solare 2. Principali Classi di Celle Solari 3. Celle Solari a Colorante (DSSC): Materiali e Caratteristiche 4. Attività dell ICCOM: il Progetto FOTOSENSORG

3 Il problema energetico Nel corso della sua storia, l umanità ha costantemente aumentato i suoi consumi energetici. Consumo energetico globale nel 2010:12 Btoe = TWh (+5.6% rispetto al 2009). Gran parte di questa energia è prodotta bruciando combustibili fossili. Conseguenze: esaurimento delle risorse, inquinamento atmosferico ed ambientale. Fonte: 2030 Energy Outlook (BP) Europe 2020 Initiative 1) -20% nell emissione di gas 2) +20% di efficienza energetica 3) 20% di energia da fonti rinnovabili

4 Energia Solare: Potenziale Fonte: Hessen-Nanotech (2008)

5 Celle fotovoltaiche Cella Fotovoltaica: dispositivo capace di convertire la luce in energia elettrica 1) Celle Solari al Silicio a) Celle al silicio monocristallino b) Celle al silicio policristallino Quota di mercato: ~ 80%* 2) Celle Solari a Film Sottile a) GaAs b) CdTe c) CI(G)S CuIn(Ga)Se 2 d) Silicio amorfo (a-sih) Quota di mercato: ~ 20%* Principali Classi di Celle Fotovoltaiche 3) Fotovoltaico Organico ed Ibrido a) Celle Solari a Giunzione Diffusa (OPV) b) Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC) *Fonte: EPIA (2010)

6 Tecnologie Fotovoltaiche: Evoluzione Storica Record DSSC

7 Celle Solari a Colorante (DSSC) Le DSSC sono state inventate nel 1991 dal chimico tedesco Michael Grätzel all EPFL di Losanna (Svizzera). Michael Grätzel Caratteristiche Principali Buone efficienze (η max > 12%, lab scale). Prestazioni relativamente indipendenti dalle condizioni di irraggiamento. Materie prime facilmente reperibili, processo di produzione semplice ed a basso costo. Fabbricazione possibile su substrati differenti (vetro, materiali polimerici). Possibilità di avere celle opache oppure trasparenti, e di diversi colori. Attuali Limitazioni Efficienza dei moduli ancora troppo bassa (tipicamente dal 6% al 9%). Stabilità e durata in costante miglioramento ma non ancora soddisfacenti (corrosione, perdite, degradazione dei materiali). Necessità di rimpiazzare alcuni dei materiali usati nella loro realizzazione. Applicazioni pratiche ancora limitate (prototipi, piccola elettronica). Situazione brevettuale complessa. Fonte: Hessen-Nanotech (2008)

8 DSSC: Materiali e Struttura Glass Transparent Conductive Oxide Electrolyte Solution (I - /I 3- ) Platinum TiO 2 Dye Glass Componenti 1. Substrato vetroso 2. Strato di TCO (ossido conduttore trasparente) 3. Semiconduttore nanocristallino (TiO 2 ) 4. Colorante (adsorbito sul semiconduttore) 5. Soluzione elettrolitica 6. Controelettrodo (solitamente di Pt) 7. Substrato vetroso

9 DSSC: Meccanismo di Funzionamento Meccanismo 1. Assorbimento della luce 2. Fotoeccitazione 3. Iniezione 4. Raccolta della carica 5. Riduzione dell elettrolita 6. Rigenerazione Nelle DSSC il processo di assorbimento della luce e quello di separazione/trasporto dei portatori di carica sono svolti da due componenti distinti.

10 DSSC: Parametri Economici ed Ecologici Costo di produzione modulo DSSC: 1.21 $/W p (Solaronix, 2009) c-si: $/W p (GTM Research, 2010) Thin Films (CdTe): < 1 $/W p (First Solar, 2011) Costo di produzione : Utilizzo materie prime : Energy Previsione Payback di crescita Time (EPBT) R. Garcìa-Valverde et al., Prog. Photovolt. Res. Appl. 2010, 18, 535.

11 DSSC: Condizioni di Irraggiamento L azienda giapponese Fujikura ha condotto ricerche molto approfondite sulla dipendenza delle prestazioni dei moduli DSSC dalle condizioni di irraggiamento. Intensità della luce Angolo di incidenza Influenza della temperatura

12 DSSC: Test di durata indoor Test accelerati con simulatore solare h = 2 y 103 d In queste condizioni la durata del test è considerata corrispondente ad un utilizzo reale di 20 anni Si tratta però sempre di una simulazione!

13 DSSC: Applicazioni BIPV: Building Integrated PhotoVoltaics Toyota «Dream House», Aichi, Japan CSIRO Energy Centre, Newcastle, Australia Prime Applicazioni Commerciali Previsione di produzione annuale di DSSC per settore di applicazione ( ) Alla fine del 2010 sono stati messi in commercio i primi zaini dotati di pannelli DSSC flessibili in grado di ricaricare piccoli dispositivi elettronici. G24i Recentemente, Logitech ha annunciato il lancio sul mercato di una nuova custodia per ipad dotata di una tastiera alimentata con celle DSSC. G24i per Logitech

14 FOTOSENSORG: Progetto regionale Progettazione e Sintesi di Nuovi Sensibilizzatori Organici per la Produzione di Celle Solari non Convenzionali Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Chimica dei Composti Organometallici (CNR-ICCOM) Firenze Responsible: Dr.ssa Gianna Reginato Activity: organic synthesis, cell fabrication and testing Università degli Studi di Siena Dipartimento Farmaco Chimico Tecnologico Responsible: Prof, Maurizio Taddei Activity: organic synthesis Dipartimento di Chimica Responsible: Prof. Riccardo Basosi Activity: computational chemistry, spectroscopy, LCA analysis Exergy s.r.l. Arezzo Responsible: Dr. Emiliano Cecchini Activity: prototype production

15 FOTOSENSORG: Nuovi Sensibilizzatori Glass Transparent Conductive Oxide Electrolyte Solution (I - /I 3- ) Platinum TiO 2 Glass Dye Colorante: 1. Migliorare le proprietà di assorbimento luminoso e di trasferimento elettronico. 2. Semplificare e rendere più efficienti le procedure sintetiche. 3. Introdurre strutture innovative non coperte da brevetti. TiO 2 : Studi sulla morfologia e sulla dimensione delle nanoparticelle; modificazioni superficiali. Soluzione Elettrolitica: Sintesi ed applicazione di composti (metall)organici come alternative alla coppia redox ioduro/triioduro; utilizzo di solventi non volatili e studi sull impiego di elettroliti in fase solida.

16 FOTOSENSORG: Nuovi Sensibilizzatori Analisi computazionale FEEDBACK Design di nuovi sensibilizzatori organici Assemblaggio celle da laboratorio e misure Sintesi in laboratorio Caratterizzazione

17 DSSC: Filiera Lo sviluppo di questa tecnologia si configura bene per la creazione di una filiera costituita da piccole e medie aziende coinvolte nei settori sotto indicati PRODUZIONE DI CELLE Vetro Altri supporti (plastica, metallo) Elettrodeposizione Semicondttori Screen printing APPLICAZIONI Componenti per abitazione Mobili Accessori Lampade Porte, finestre. INNOVAZIONE E DESIGN Grande opportunità per accoppiare made in Italy e tecnologia

18 DSSC: Progetti in corso Progetto CRAFT (Comunità Europea) Innocells: Innovative Materials and Architectures for the constructions of DSSCs Progettazione e preparazione di nuove celle fotovoltaiche di terza generazione Progetto ITN (Comunità Europea) H2OM: Water soluble and processable photo/electroactive materials Nuovi metodi per la preparazione di celle fotovoltaiche di terza generazione attraverso metodi eco-compatibili Progetto Bandiera CNR (Nazionale) La fabbrica del futuro Progettazione, preparazione e caratterizzazione di nuovi materiali per celle DSSC

19 DSSC: Progetti in corso Progetto Smart Cities and Communities (MIUR) Smartgate: Giustizia Amministrativa Riqualificazione energetica di edifici di pregio sedi di tribunali amministrativi Palazzo spada, Roma Sede dell Consiglio di Stato Progetto Nazionale in corso di valutazione

20 Ringraziamenti CNR-ICCOM Dr. Gianna Reginato Dr. Alessandro Mordini Dr. Gabriella Barozzino Consiglio Dr. Massimo Calamante Alessio Dessì Bianca Cecconi Cosimo Fornaciari Daniele Franchi Fabio Pedna Dr. Maurizio Peruzzini Università degli Studi di Firenze Prof. Mara Bruzzi Dr. Alessandro Cavallaro Dr. Riccardo Mori Michele Spatola Tommaso Galli Torrini Università degli Studi di Siena Prof. Maurizio Taddei Dr. Elena Cini Irene Murgia Dr. Fabrizia Fabrizi de Biani Prof. Riccardo Basosi Dr. Adalgisa Sinicropi Dr. Laura Parisi CNR-ISTM Dr. Filippo De Angelis Paolo Salvatori Gabriele Marotta Supporto finanziario:

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22 DSSC: CNR-ICCOM CNR Progetto di Ricerca: PM.P Design, sintesi e test di molecole e materiali per celle solari fotosensibilizzate Responsabile: Dr. Filippo de Angelis (ISTM, Perugia) Modulo: PM.P Sintesi di nuovi sensibilizzatori con sistemi di ancoraggio ottimizzabili Responsabile: Dr.ssa Gianna Reginato (ICCOM, Firenze) Durata complessiva del progetto: 3 anni Progetto FOTOSENSORG «Progettazione e Sintesi di Nuovi Sensibilizzatori Organici per la Produzione di Celle Solari non Convenzionali» Inizio: 1 Maggio 2010 Termine: 30 Aprile 2013 Finanziamento di due borse di studio per ricercatori laureati.

23 Lo Spettro Solare La radiazione solare dovrebbe essere raccolta nella regione del visibile e del vicino infrarosso. Alessandro Mordini EUSEW, Bruxelles, /17

24 DSSC: Produzione di Energia Per effetto di quanto visto nella precedente diapositiva, a parità di potenza nominale, le DSSC offrono una maggiore produzione di energia rispetto al p-si (circa 1.6 volte maggiore sul lato nord). Lorenzo Zani Giornata DTE-CNR, Sesto Fiorentino, 15/6/2012

25 DSSC: Test di Durata Outdoor Test in condizioni reali di utilizzo J sc V oc Dopo circa 2.5 anni l efficienza dei moduli è risultata superiore all 80% del valore iniziale Fattore di deterioramento: 0.02% / giorno FF η Lorenzo Zani Giornata DTE-CNR, Sesto Fiorentino, 15/6/2012 N. Kato et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2009, 93, 893.