Energia solare: la ricerca eni Roberto Fusco Istituto eni Donegani Pavia, 17/05/2012 Collegio Borromeo
Outline L energia solare I dispositivi per lo sfruttamento dell energia solare Le attività di ricerca dell eni sull energia solare Solare termodinamico a concentrazione Celle polimeriche Celle ibride Scissione fotoelettrochimica dell acqua Concentratori solari luminescenti
Fonti di energia rinnovabile: disponibilità Idroelettrica Geotermica Solare Vento Consumo globale
Problemi dello sfruttamento dell energia solare diffusa intermittente deve essere trasformata e accumulata per essere utilizzata: queste trasformazioni implicano notevoli perdite!
Distribuzione dell energia solare nel mondo Valori di picco: da 500 a 2200 kwh/m 2 Valori medi annui: da 40 a 400 kwh/m 2
Conversione dell energia energia solare Generalmente i dispositivi per lo sfruttamento dell energia solare utilizzano trasformazioni termodinamiche, fotoelettriche o fotoelettrochimiche. I dispositivi fotoelettrici si basano sulla conversione di fotoni in coppie buca/elettrone attraverso meccanismi di fotoeccitazione e trasferimento elettronico In questi tipi di dispositivi gli elettroni trasferiti possono generare una corrente elettrica, una reazione di ossidoriduzione o una combinazione dei due processi. La formazione di coppie buca/elettrone avviene all interfaccia tra due materiali (giunzione) caratterizzati da differenti proprietà elettroniche: un donatore di elettroni (D) e un accettore di elettroni (A). La giunzione è responsabile della trasformazione del flusso di fotoni in flusso di elettroni.
La materia è fatta di atomi Gli atomi sono costituiti da nuclei carichi positivamente circondati da particelle cariche negativamente: gli elettroni. Questi si distribuiscono intorno al nucleo occupando orbitali atomici diffusi caratterizzati da diverse forme ed energie E vuoti pieni Nucleo atomico Orbitali atomici Livelli energetici
Come si legano gli atomi: il legame chimico E elettrone orbitali molecolari A Linus Pauling 1920-1939 A D orbitali atomici A B C Quando due o più atomi si avvicinano tra loro possono interagire scambiandosi elettroni. In tal modo si formano i legami chimici che stabilizzano questi aggregati e permettono la formazione di molecole e materiali. D
Cosa succede quando si legano molti atomi? atomo molecola nanoparticella solido n = 1 2-1000 10000-100000 10 23 E orbitali bande Numero crescente di livelli elettronici
Proprietà elettriche dei solidi E Conduttore Semiconduttore Isolante Banda di conduzione vuota Banda proibita ΔE Banda di valenza piena di elettroni Esempi: Metalli Silicio Diamante ΔE = gap energetico
Interazione tra luce e semiconduttori: assorbimento di fotoni Fotone Nessun assorbimento Assorbimento e- e- ΔE + + E = hν > ΔE Vengono assorbiti solo i fotoni che hanno energia superiore al gap! L energia assorbita viene poi o emessa sotto forma di fotoni (fluorescenza, fosforescenza) o dissipata sotto forma di calore. I fotoni non assorbiti attraversano il materiale che risulta trasparente.
I semiconduttori intrinseci e drogati Si Si Si Si Si Si Si Si Si e- e- Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Es. B Es. P, As Banda di conduzione e- e- e- e- e- e- + + + Banda di valenza + + + Semiconduttore intrinseco Semiconduttore drogato p Semiconduttore drogato n
La giunzione p-n p n p e - n e- e- e - + + + Semiconduttore drogato p Semiconduttore drogato n - + Giunzione p-n Diodo: gli elettroni possono fluire solo dal semiconduttore p al semiconduttore n
Come funziona una cella fotovoltaica Griglia di contatto anteriore Semiconduttore n Semiconduttore p Conduttore elettrico posteriore Supporto e- e- e- e- Metallo e- e- V oc Metallo + + Semiconduttore p Donatore Semiconduttore n Accettore
Interazione dei fotoni con i semiconduttori Eccitazione Stato eccitato Rilassamento E primo livello energetico vuoto hν ΔE * LUMO Assorbimento Emissione hν ultimo livello energetico pieno HOMO + ΔE = Gap Donatore Interfaccia Accettore Giunzione Interfaccia Donatore Accettore Donatore Interfaccia Accettore Fotone ΔE materiale fotoattivo + + + ΔE = differenza di potenziale sfruttabile per produrre corrente elettrica o reazioni elettrochimiche
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
Solare termodinamico a concentrazione CSP
CSP (Concentrating Solar Power) Obiettivi: 1) concentrazione della radiazione solare 2) conversione in energia termica ad alta temperatura 3) conversione in energia meccanica e quindi elettrica Diverse tecnologie: Collettori parabolici lineari Collettori lineari Fresnel Sistemi a torre Dischi parabolici
CSP (Concentrating Solar Power) Attività in corso presso l Istituto eni Donegani: sviluppo di componenti originali: - coating selettivi per tubi ricevitori (collaborazione con VeTec e Università di Pavia - Dip. Elettronica) - fluidi termovettori - collettore parabolico (collaborazione con MIT) progettazione impianto pilota a collettori parabolici lineari come unità di testing Impianto SEGS (California)
Record di efficienza delle celle fotovoltaiche
Celle solari polimeriche
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) 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00-2.00-4.00-6.00-8.00-10.00 GAP LUMO HOMO 0 2 4 6 8 10 12 Numero di doppi nlegami coniugati
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
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
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.
Celle solari ibride: Dye Sensitized Solar Cells (DSSC)
Celle solari ibride - DSSC Supporto Elettrodo Elettrolita Colorante TiO 2 Elettrodo trasparente Vetro Rappresentano un modo per sviluppare celle FV senza silicio Ottenibili con diversi assorbimenti e colori, semplici da realizzare, a basso costo Scopo Sviluppo di celle solari basate su nuovi coloranti e materiali nanostrutturati Attività Progettazione e preparazione di nuovi coloranti, materiali, elettroliti ed elettrodi nanostrutturati Progettazione e assemblaggio di celle Valutazione della stabilità e della scalabilità
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.
Dye Sensitized Solar Cells - DSSCs Attività Variazione della morfologia e dll area superficiale della TiO 2 Coloranti Sintesi e sviluppo di coloranti TiO 2 Elettrolita Nuove fornulazioni di elettroliti liquidi Tecniche di stampa Elettrodi Sviluppo di nuovi elettrodi
Scissione fotoelettrochimica dell acqua
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 Stoccaggio Hydrogen dell idrogeno storage Cella Fuel a combustibile cell
Il meccanismo Una tipica cella fotoelettrochimica e - E Catodo elettrodo H + + e - ½ H 2 Fotoanodo H 2 O ΔE =1.23 ev ½H 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
Fotoanodi nanostrutturati WO 3 solgel 20-80 nm Area max. 100 cm 2 Fe 2 O 3 + Ti spray 20-60 nm Area max. 100 cm 2 TiO 2 -anodico 20-80 nm Area max. 110 cm 2 WO 3 -anodico 20-100 nm Area max. 50 cm 2
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
Materiali fotoattivi
Concentratori solari luminescenti (LSC) Scopo Conversione spettrale e concentrazione della radiazione solare Attività Sviluppo di convertitori di spettro Progettazione e realizzazione di LSC basati sui convertitori di spettro
Come è fatto un concentratore solare luminescente? RADIAZIONE SOLARE INCIDENTE Lastra trasparente Cella fotovoltaica UV VIS IR IR Sostanza fluorescente VIS IR IR RADIAZIONE TRASMESSA Concentratore solare luminescente (LSC)
Diffusione della luce e guida d onda fotoni incidenti η g = 1 n n a m 2 Lastra trasparente 12.5% 75% n = 1 Cella solare fotoni diffusi n = 1.5 12.5% Particelle disperse in una lastra trasparente sono in grado diffondere la luce. La luce diffusa può essere catturata all interno della lastra, sfruttando il fenomeno della riflessione totale interna, e concentrata ai bordi dove sono poste celle fotovoltaiche.
Il fenomeno della riflessione totale interna Un raggio laser riflesso dalle superfici di una lastra trasparente
Il problema della diffusione della luce fotoni incidenti Lastra trasparente 12.5% Cella solare 75% fotoni diffusi 12.5% Se la luce diffusa all interno della lastra incontra altre particelle, viene dispersa e non può essere concentrata ai bordi. Come risolvere il problema?
Molecole fluorescenti come convertitori di spettro fotoni incidenti hν 1 12.5% Cella solare 75% fotoni emessi hν 2 12.5% Molecole fluorescenti agiscono da convertitori di spettro: assorbono ed emettono fotoni a diversa frequenza. Quando i fotoni emessi da una molecola di colorante diffondono nella lastra, non vengono assorbiti se incontrano un altra molecola dello stesso colorante. In questo modo la luce emessa può essere concentrata ai bordi dove sono poste le celle fotovoltaiche.
Come funziona una molecola fluorescente? Fluorescenza: hν => hν + calore Energia Assorbimento ed emissione di un fuoroforo Fluoroforo hν hν Lunghezza d onda λ (nm) Posizioni dei nuclei
Dove assorbe il silicio? Lunghezza d onda λ (nm) Le celle solari a base di silicio assorbono la radiazione visibile e parte della radiazione infrarossa.
Come si realizza un LSC Realizzazione di un prototipo di LSC Le molecole fluorescenti vengono depositate sulla superficie o disperse all interno di una lastra di materiale trasparente. Ai bordi della lastra vengono posizionate le celle solari. La luce incidente sull ampia superficie della lastra viene parzialmente assorbita dalle molecole fluorescenti. La luce emessa viene concentrata sulle celle fotovoltaiche poste ai bordi. In tal modo si ottiene la concentrazione della luce.
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.
I risultati della ricerca eni sulle lastre fotoattive Identificati nuovi coloranti fluorescenti Messi a punto sintesi e processi originali Depositati 11 brevetti Realizzati prototipi di vari colori e dimensioni fino a 120 x 70 cm 2
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
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
Esempio di colorante per finestre trasparenti incolori 1.5x10 5 8 350 nm 460 nm 5 D 0 7 F 2 613 6 PL Intensity (a.u.) 1.0x10 5 5.0x10 4 λ ecc = 350 nm λ ecc = 460 nm λ em = 613 nm 4 PL Intensity (a.u.) 2 7 F 0 5 D 2 460 0.0 0 300 400 500 600 700 800 Wavelength (nm)
Esempio di coppia di coloranti per lastre trasparenti gialle Assorbimento colorante 1 Emissione colorante 1 Assorbimento colorante 2 Emissione colorante 2
Prestazioni prototipi Realizzate lastre fino a 110 x 70 cm 2 Energia assorbita 25% Trasparenza 50% Guadagno di potenza per unità di IR superficie di silicio: 2.5 Potenza (non ottimizzata) per unita di superficie della lastra 15 W/m 2
Impianto dimostrativo: alimentazione ferrovie tedesche
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
Possibili esempi applicativi Palazzo dei Congressi Saia Barbarese Topouzanov architectes Montréal, Québec 2003
Possibili esempi applicativi Federal Environmental Agency Sauerbruch Hutton Dessau, Germania 2005 Edificio per Uffici 18.000 mq
Possibili esempi applicativi Mineral Bath Extension and Renovation Behnisch & Partner Bad Elster, Germany 1999
Sviluppi futuri: nuovi coloranti fluorescenti Limiti teorici di rendimento di LSC basati su celle al Si monocristallo ρ W/m 2 100 80 Harvesting Acλw 75% ( λ) Harvesting Acλp 100% ( λ) 60 40 Rosso 30 W/m 2 20 Giallo 20 W/m 2 Eu (2) 0 200 300 400 500 600 700 800 Finestra incolore λ Finestra nm colorata Pannello opaco λ (nm)
Sviluppi futuri: sistemi multilastra Celle solari ottimizzate con differenti risposte spettrali
Sviluppi futuri: altri tipi di conversione spettrale Down-conversion 1.4 Up-conversion 1.2 1 0.8 Ωλ ( ) 10 9 0.6 0.4 0.2 UV IR Downconversion (DC): hν => hν 1 + hν 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 λ nm Upconversion (UC): hν 1 + hν 2 => hν hν 1 hν hν 1 hν 2 hν hν 2
Sviluppi futuri: sistemi antenna ispirati dalla fotosintesi
I ricercatori coinvolti nel progetto Luigi Abbondanza Modellazione molecolare Andrea Alessi Caratterizzazioni spettroscopiche Luciano Caccianotti Caratterizzazioni optoelettroniche Liliana Gila Preparazione materiali Emilio Lucchelli Brevetti Giacomo Ottimofiore Realizzazione lastre Claudio Piazzon Realizzazione dispositivi Antonio Proto Realizzazione lastre Mario Salvalaggio Caratterizzazioni spettroscopiche Samuele Santarelli Sintesi coloranti Petra Scudo Modellazione dispositivi Daniele testa Sviluppo prototipi
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!