Materiali per l energia solare: la ricerca eni

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1 Materiali per l energia solare: la ricerca eni Roberto Fusco Istituto eni Donegani 3 a Conferenza Nazionale su Chimica & Energia: Milano, 17/10/2012

2 Record di efficienza delle celle fotovoltaiche

3 R&D eni sull energia solare Energia solare Solare termodinamico a concentrazione Concentrazione Concentratori Solari Luminescenti Celle solari ibride Conversione Celle solari polimeriche Stoccaggio H 2 da H 2 O per scissione fotoelettrochimica

4 Concentratori Solari Luminescenti (LSC)

5 I concentratori solari luminescenti (LSC) RADIAZIONE SOLARE INCIDENTE LASTRA FOTOATTIVA Lastra trasparente contenente molecole fluorescenti originali eni che assorbono luce solare UV-VIS e la convertono in radiazione compresa in un intervallo spettrale dove le celle FV hanno i rendimenti più elevati UV VIS IR IR PROPAGAZIONE GUIDATA la radiazione convertita si propaga per effetto guida d onda nel piano della lastra fino a raggiungerne i bordi VIS IR IR CONCENTRAZIONE SU CELLE FV la radiazione assorbita dall ampia area superficiale viene così concentrata sui sottili bordi della lastra dove sono poste celle FV di piccole dimensioni RADIAZIONE TRASMESSA Sfruttando questi principi si possono ottenere lastre trasparenti fotoattive che possono essere utilizzate per realizzare finestre e pannelli colorati fotovoltaici.

6 LSC eni Vantaggi e applicazioni dei LSC 1. Concentrazione della luce solare = riduzione dei costi di investimento. 2. Concentrazione spettralmente selettiva = riduzione del surriscaldamento delle celle FV 3. Sfruttamento della radiazione diffusa = stazionamento fisso e buona efficienza anche in condizioni di cielo nuvoloso 4. Ottimizzazione dell accordo spettrale = miglior sfruttamento delle celle FV 5. Pannelli FV trasparenti 6. Pannelli FV caratterizzati da superfici curve. Potenziali applicazioni: - lastre fotovoltaiche trasparenti - pannelli fotovoltaici opachi. Questi dispositivi possono trovare ampia applicazione nel settore dell edilizia, (Building Integrated PhotoVoltaics, BIPV), per il quale si prevede un forte sviluppo nei prossimi anni.

7 Che caratteristiche devono avere i coloranti ideali per LSC? Elevato coefficiente di assorbimento Esteso intervallo spettrale di assorbimento Elevata resa di fluorescenza Lo spettro di emissione deve essere accordato con la risposta spettrale ottimale della cella fotovoltaica La sovrapposizione tra bande di assorbimento e di emissione deve essere trascurabile E A UV Vis IR λ

8 Tre tipi di dispositivi basati sui LSC Finestre fotovoltaiche trasparenti incolori (bassa potenza) A E λ Finestre fotovoltaiche trasparenti colorate (media potenza) A E λ Pannelli fotovoltaici opachi (alta potenza) A E UV Vis IR λ Ideali per l integrazione in edifici! A = assorbimento E = emissione

9 I risultati della ricerca eni sulle lastre fotoattive Identificati nuovi coloranti fluorescenti a basso autoassorbimento Messi a punto sintesi e processi originali Depositate 13 domande di brevetto Realizzati prototipi di vari colori e dimensioni fino a 110 x 70 cm 2 Realizzazione di un impianto dimostrativo (pensilina fotovoltaica) presso la sede R&M di Roma entro novembre 2012

10 Impianto dimostrativo Realizzazione di una pensilina dotata di lastre fotoattive (concentratori solari + celle fotovoltaiche) a Roma nella sede eni R&M di via Laurentina entro il 2012 Dimensioni: 5 m x 12 m Potenza effettiva della superficie attiva 500 W

11 Possibili esempi applicativi Palazzo dei Congressi Saia Barbarese Topouzanov architectes Montréal, Québec 2003

12 Celle solari polimeriche

13 Polimeri semiconduttori I polimeri semiconduttori sono caratterizzati dalla presenza di doppi legami coniugati nella catena principale. Questo provoca un delocalizzione elettronica e una diminuzione dell energia del gap. E (ev) GAP LUMO HOMO Numero di doppi nlegami coniugati

14 Celle solari polimeriche Scopo Sviluppo di celle solari basate su composti organici e polimerici nanostrutturati Attività hν Progettazione e sintesi di materiali polimerici nanostrutturati Progettazione e assemblaggio di celle solari HOMO e - LUMO LUMO SOMO Valutazione della stabilità e della scalabilità R N N N Donatore X Anodo + - Catodo Accettore

15 Celle solari polimeriche: il meccanismo E e - e - Elettrodo Elettrodo trasparente Donatore Accettore Nelle celle solari polimeriche i materiali fotoattivi donatore e accettore si interpenetrano e le coppie buca-elettrone che si generano all interfaccia sono raccolte dagli elettrodi

16 Celle solari polimeriche: attività e risultati Avviata una collaborazione con il centro di eccellenza finlandese VTT (Technical Research Centre of Finland) per lo sviluppo di processi di stampa continui tipo roll-to-roll, per la realizzazione di celle fotovoltaiche polimeriche utilizzando materiali proprietari eni Realizzate le prime celle solari organiche (convenzionali e inverse) stampate su substrato flessibile e incapsulate ( sheet process ) Effettuati test preliminari di stampa con tecniche diverse (e.g. rotocalco), per configurazioni innovative delle celle solari. Realizzate le prime prove di stampa in continuo di polimeri fotoattivi. 18 brevetti 19 pubblicazioni

17 Celle solari ibride: Dye Sensitized Solar Cells (DSSC)

18 Celle solari ibride - DSSC Supporto Elettrodo Elettrolita Colorante Scopo TiO 2 Elettrodo trasparente Vetro Sviluppo di celle solari basate su nuovi coloranti e materiali nanostrutturati Attività Rappresentano un modo per sviluppare celle FV senza silicio Ottenibili con diversi assorbimenti e colori, semplici da realizzare, a basso costo Progettazione e preparazione di nuovi coloranti, materiali, elettroliti ed elettrodi nanostrutturati Progettazione e assemblaggio di celle Valutazione della stabilità e della scalabilità

19 Dye Sensitized Solar Cells: il meccanismo Colorante E Elettrodo trasparente e - e - Elettrodo 3/2 I - + h + ½ I - 3 Donatore TiO 2 Accettore Nelle celle solari ibride il colorante assorbe la luce e inietta l elettrone eccitato nella banda di conduzione dell ossido di titanio. La buca creata sul colorante provoca l ossidazione reversibile dello ioduro a iodato.

20 Dye Sensitized Solar Cells - DSSCs Attività Variazione della morfologia e dll area superficiale della TiO2 Coloranti Sintesi e sviluppo di coloranti TiO 2 Elettrolita Nuove fornulazioni di elettroliti liquidi Tecniche di stampa Elettrodi Sviluppo di nuovi elettrodi 4 brevetti

21 Scissione fotoelettrochimica dell acqua

22 Scissione fotoelettrochimica dell acqua (Photosplitting) Scopo Stoccaggio dell energia solare sotto forma di idrogeno Attività Sviluppo di materiali per celle fotoelettrochimiche Progettazione di sistemi combinati e/o integrati e e O 2 e e H 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O H 2 O Photoelectrochemical cell Cella fotoelettrochimica Hydrogen storage Fuel cell Stoccaggio dell idrogeno Cella a combustibile

23 Il meccanismo Una tipica cella fotoelettrochimica e - E Catodo elettrodo H + + e - ½ H 2 Fotoanodo H 2 O E =1.23 ev ½ H 2 O + h + H + + ¼ O 2 Reazione critica! Elettrodo trasparente Fotoanodo O 2 H 2 Catodo in platino La fotogenerazione di idrogeno da acqua rappresenta una promettente via per catturare e immagazzinare l energia solare

24 Fotoanodi nanostrutturati WO 3 solgel nm Area max. 100 cm 2 Fe 2 O 3 + Ti spray nm Area max. 100 cm 2 TiO 2 -anodico nm Area max. 110 cm 2 WO 3 -anodico nm Area max. 50 cm 2

25 Test fotoelettrochimici ventilatore fuel cell Tubo H 2 Simulatore solare AM1.5 spot d=15 cm Evoluzione di O 2 al fotoanodo Evoluzione di H 2 al catodo Compartimento fotoanodo ph=14 Compartimento catodico ph=0 4 brevetti 8 pubblicazioni

26 Collaborazioni nazionali e internazionali Questo progetto viene svolto anche avvalendosi di numerose collaborazioni con enti accademici e di ricerca nazionali e internazionali Grazie per l attenzione!