Nanomaterialiper i pannelli fotovoltaici -un esempio di chemicals per le Fonti Rinnovabili

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1 Nanomaterialiper i pannelli fotovoltaici -un esempio di chemicals per le Fonti Rinnovabili Ing. Giacomo Gorni giacomo.gorni@tozziholding.com TRE Tozzi Renewable Energy S.p.A. LABORATORIO R&DDaunia Solar Cell -Via Balzella 71/B Forlì (FC) 1

2 OUTLINE Company profile Introduzione al fotovoltaico La tecnologia delle Dye Sensitized Solar Cells I nanomateriali per Dye Sensitized Solar Cells 2

3 Chi siamo Tozzi Holding TOZZI Holding nasce nel 2007, dopo oltre 50 anni di esperienza nei settori dell'impiantistica elettro-strumentale, dei quadri elettrici e di strumentazione. Ad oggi si occupa di: 1. Progettazione, realizzazione e manutenzione di impianti elettro-strumentali - Tozzi Sud SpA 1. Progettazione e realizzazione di quadri elettrostrumentali - Tozzi Apparecchiature Elettriche SpA 1. Ingegneriaecontractingperoil&gasepowergeneration-ComartSpA 2. Energie rinnovabili (produzione di energia idroelettrica, eolica - on e off-shore fotovoltaica, biomasse e geotermia)- Tozzi Renewable Energy SpA. 3

4 Chi siamo Tozzi Renewable Energies T.R.E. Tozzi Renewable Energy opera nell ambito della produzione di energia da fonti rinnovabili: Realizza impianti di produzione Produce energia elettrica Vende energia elettrica Svolge attività di ricerca e sviluppo IDROELETTRICO FOTOVOLTAICO EOLICO BIOMASSA In fase di realizzazione Potenza installata Mini-idroelettrico Fotovoltaico Eolico Biomassa Totale 4

5 Chi siamo Daunia Solar Cell DAUNIA SOLAR CELL è una start-up controllata da T.R.E. Tozzi Renewable Energy, fondata nel L obiettivo di Daunia Solar Cell è di sviluppare celle fotovoltaiche di 3 generazione basate sulla tecnologia Dye Sensitized Solar Cells(DSSC) L approccio DSSC prevede l integrazione di nanomateriali in dispositivi fotoelettrochimici per la generazione di energia da fonte distribuita. DauniaSolarCellhaall attivo4domandedibrevetto eunorganicodi7dipendenti. 5

6 IL FOTOVOLTAICO Prima generazione MATERIALI Semiconduttore monocristallino o policristallino ( Si, GaAs, etc...) Alta qualità, singolo sistema di giunzione EFFICIENZA Le celle solari al silicio hanno raggiunto in laboratorio efficienze vicine al limite teorico (circa 33%, Shockley-Queisser limit ). COSTO Elevata quantità di energia di produzione e di lavorazione (embeddedenergy). Alti costi delle materie prime (bulk Si, bulk GaAs): evoluzione verso wafersultra-sottili vicina al limite di processabilità meccanica. Ottime economie di scala. SQUILIBRIO DOMANDA OFFERTA La produzione di Si mono o policristallino non sufficiente a soddisfare la domanda. Silicio monocristallino Silicio policristallino 6

7 Film sottili IL FOTOVOLTAICO Seconda generazione MATERIALE Silicio amorfo, silicio micromorfo, CdTe, CIS, CIGS EFFICIENZA Molto inferiore alla prima generazione circa 8-16% COSTO Nelle celle solari a film sottile, dette di seconda generazione, la quantità di materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella usata per i moduli cristallini ed è una parte trascurabile del costo totale;ilsubstratoèunvetrocomuneabassocosto. Maggiori costi di impianti produttivi ma possibilità di realizzare direttamente moduli solari, anziché semplici celle. Film sottile (tegola PV) DOMANDA/OFFERTA Quota del mercato globale pari al 10% e in continuo accrescimento 7

8 IL FOTOVOLTAICO Celle di terza generazione MATERIALE Celle solari ad alta efficienza(e.g. GaAs multigiunzione) con sistemi di concentrazione ad inseguimento mono o bi-assico Celle organiche(fullereni) Celle ibride organiche-inorganiche(dye sensitized solar cells, DSSC) Celle con up/down conversion spettrale Solare a concentrazione Celle a quantum dots(qd). Celle organiche 8

9 IL FOTOVOLTAICO Quadro generale efficienza Organic-Based Photovoltaics:Toward Low-Cost Power Generation -MRS Bulletin 30,

10 IL FOTOVOLTAICO Celle DSSC DSSC(3 generazione) MATERIALE Combinazione di materiali organici ed inorganici. Supporto vetroso, catodo (Pt), anodo (nanobiossido di titanio), elettrolita, sigillante, colorante. EFFICIENZA 5-12% COSTO Materie prime di costo inferiore rispetto ai precedenti. Tecnologia di produzione ampiamente sviluppata in altri settori industriali(serigrafia) Costi di produzione 1/5 rispetto alla produzione di silicio amorfo Celle DSSC DOMANDA/OFFERTA Daunia Solar Cell ha come obiettivo imminente la prototipazione di celle DSSC e loro introduzione nel mercato fotovoltaico 10

11 IL FOTOVOLTAICO Perché utilizzare tecnologia DSSC 1. Produzione di pannelli solari a costo più basso, grazie al basso costo dei processi coinvolti nell ottenimento delle molecole organiche attive e dei nano ossidi impiegati rispetto al silicio; 2. Utilizzo di materiali ecocompatibili: basso impatto ambientale dell industria fotovoltaica; 3. Possibilità di realizzare dispositivi fotovoltaici di spessore ridotto in virtù dell elevato coefficiente di assorbimento delle molecole organiche; 4. Possibilità di costruire dispositivi ultraleggeri su substrati plastici flessibili; 5. Diminuzione del payback time (per i pannelli al silicio è pari a 2-3 anni), dovuto al basso costo delle tecniche di produzione che prevedono l impiego di tecnologie consolidate a basso consumo energetico (almeno un ordine di grandezza inferiore rispetto alla tecnologia basata sul silicio); 6. Integrazione architettonica delle DSSC: BiPV(Building Integrated Photovoltaics). 11

12 IL FOTOVOLTAICO DSSC - Inventore Swiss Federal Institute of Tecnology Lusanne Michael Graetzel 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 reversibileerinnovabile: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 12

13 Film sottili CELLE FOTOVOLTAICHE DSSC Principi e funzionamento Elettrodo di lavoro: Nano biossido di TiO 2 Colorante: Molecola metallorganica (complessi al Rutenio) o totalmente organica Sostanza di trasporto e - : Elettrolita liquido o gel a a base della coppia I - /I - 3 Controelettrodo: Catalizzatore al Pt o carbonio 13

14 Film sottili CELLE FOTOVOLTAICHE DSSC Principi e funzionamento L intero ciclo operativo è riassunto dalle seguenti reazioni chimiche: Anodo(elettrodo di lavoro): S + hν S* Assorbimento S* S + + e-(tio 2 ) Percolazione 2S + + 3I - 2S + I 3- Rigenerazione Colorante + Luce Colorante eccitato Colorante eccitato + TiO 2 e-(tio 2 ) + Colorante ossidato Colorante ossidato + 3I - Colorante + I 3 - Il colorante fotosensibile viene eccitato dalll assorbimento di un fotone, corrispondentemente sia ha che l elettrone compie un salto in energia, passando da un orbitale molecolareditipohomoadunolumo. Catodo (contro-elettrodo): I e-(Pt) 3I - L elettrone eccitato in banda di conduzione del colorante viene catturato dal vicino semiconduttore (TiO 2 ) la cui banda di conduzione è appena più bassa dell orbitale Lumo del colorante (0,2 0,3V). Ciò permette una facile catturadapartedeltio 2 dell elettroneeccitato. 14

15 IL FOTOVOLTAICO Materiali per DSCC Vetro conduttivo Elevata trasparenza, TCO [ITO (In 2 O 3 : Sn) ; FTO(SnO 2 :F)] Nano biossido di titanio TiO 2 (semiconduttore) Facile sintesi, forma cristallina prevalente Anatase, alta area superficiale Dye Fotosensibile e deve legarsi alla titania senza essere degradato può modificare in modo significativo l efficienza di una cella responsabile della colorazione finale, fattore determinante per integrazione nell edilizia. Elettrolita Coppia redox per ridurre il dye ossidato, generalmente si utilizza la coppia ioduro/trioduro Inerte con i componenti della cella in cui entra a contatto e poco volatile Sigillante Film polimerico resistente all elettrolita e agli agenti esterni alla cella Controelettrodo Pt oppure Carbonio 15

16 IL FOTOVOLTAICO Nano biossido di titanio TiO 2 condensazione R R1 R ΔT=110 C idrolisi nano particelle Cooling system thermoregulatory Suspension Stirred Heating plate Ad unavelocenucleazionesegue un lento accrescimento Crystalline powder (anatase phase 98%) Elongated particles with nanometer size Synthesis scaled up to 100 litres PatentfiledWO2009/ A1 16

17 IL FOTOVOLTAICO Nano biossido di titanio TiO2 Caratterizzazione chimico fisica delle nano-particelle ottenute 1. TEM CUBIC LIKE ROD LIKE 50 nm Densità apparente: 0,92 g/cm3 Area superficiale (BET) : m2/g (dopo calcinazione a 400 C) Dimensione agglomerati d10: 0,51 μm d50: 3,04 μm d90: 15,10 μm TiO2 BAC XRD Lin (Counts) Anatase >98% wt/wt Theta - Scale TiO2 BAC04 - File: TiO2_BAC04.raw - Type: Locked Coupled - Start: End: Step: Step time: 2. s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 9 s - 2-Theta: Theta: Chi: (*) - Anatase, syn - TiO2 - Y: % - d x by: 1. - WL: Tetragonal - a b c alpha beta gamma Body-centered - I41/amd (141)

18 IL FOTOVOLTAICO Deposizione pasta Tio2 Deposizione tramite spatola(doctor Blade coating) La deposizione tramite spatola (tecnica Doctor Blade) consiste nel versare poche gocce del semiconduttore sotto forma di pastella semiliquida su un vetrino ottico stendendola velocemente e possibilmente in una sola passata utilizzando il taglio di una spatola. Ovviamente la tecnica risulta essere abbastanza grossolana il cui limite maggiore, la disomogeneità dello strato depositato, è tutto dovuto alla manualità della tecnica. Deposizione tramite spray (Spray coating) La deposizione tramite spray avviene utilizzando un aerografo di piccole dimensioni che permette una dispersione ben controllata sul veto ottico del semiconduttore posto nell aerografo sotto forma di pastella abbondantemente diluita. Lo strato così ottenuto risulta essere abbastanza uniforme. Deposizione tramite screen printing(screen Printing coating) 18

19 IL FOTOVOLTAICO Nanoparticelle: polvere o sospensioni? Preparation of liquid dispersions of nanoparticles Spray-dry method 240 C/N 2 /Air Preparation of microsphere Precipitation and washing filtration milling Better conditions of application Powders µµ size rounded shape Particles nm size aggregates Pasteobtainedfromsuspensionwithoutadryingprocess: we avoid diffusion of nano-particles in the surrounding environment 1. Industrial scale up with reduced environmental impact 2. Lack of irreversible aggregates 3. Cost reduction 19