OLED: Struttura I elettrodo: catodo metallico 1 (Mg-Al o Li-Al o Ca, 200 nm) Anodo (polimero o molecola organica, 100 nm) II elettrodo ITO 2 (Indium Tin Oxide 200 nm) Substrato trasparente 1 Metalli con basso WF: alta iniezione di elettroni 2 ITO: materiale semitrasparente ma conduttivo NB la maggior parte del peso della struttura è dovuta al substrato t
Efficienza degli OLED OLED tradizionali 25% ma.. Mescolando molecole fluorescenti e fosforescenti 100% (1998 Università di Princeton) molecole fluorescenti: il meccanismo di rilassamento non riguarda tutta l energia in eccesso, molecole fosforescenti tutta l energia viene rilasciata, anche se con qualche secondo di ritardo.
OLED: Applicazioni 2002foled035.wmv FOLED: flexible OLED TOLED: OLED trasparenti (79%) possono essere integrati nei finestrini delle auto, in finestre, negli occhiali da sole... SOLED: in ogni pixel di un video SOLED diversi TOLED vengono impilati verticalmente uno sull altro. Vantaggi: il colore e la luminosità di ogni pixel possono essere modificati separatemente variando la densità di corrente Alta risoluzione
La luce per generare energia elettrica Solare termico Solare fotovoltaico Energia solare Energia termica Energia solare Energia elettrica
Perché il fotovoltaico? AMBIENTE: contributo importante alle fonti energetiche rinnovabili, diminuzione CO 2, produzione di pulita di H 2 1kg di petrolio produce al più 4 kwh elettrici 1kwh (1 giorno di un frigorifero, 1 ora di condizionatore, stufa elettrica, ferro da stiro o forno elettrico) produce circa 1kg di CO 2 Potremmo utilizzare il FV per produrre H2: 1 kg di H2 produce circa 12 kwh elettrici senza emissioni inquinanti di alcun genere ACCESSIBILITA : elettrificazione i rurale, Paesii in via di sviluppo CRESCITA ECONOMICA: Il mercato del PV in crescita (30% annuo), l industria del PV genera complessivamente un miliardo di euro l'anno ossia circa 2,3 milioni di posti di lavoro http://www.sunways.de/en/press/pictures/products/prosp_zelle2a.php
Quanta energia dl dal sole? l? ASTM G173-03 Reference Spectra 2.00 AM0 e W m -2 nm -1 Sp pectral Irradianc 1.50 1.00 0.50 AM1 0.00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Wavelength nm Irradianza solare: Quantità di energia radiante ricevuta dal sole /unità di area / unità di tempo Lo spettro solare nello spazio può essere rappresentato dallo spettro di un corpo nero a 5760K. Sulla superficie del sole la densità di potenza è di 62 MW/m 2 fuori dall atmosfera atmosfera terrestre è di 1353 W/m 2
From: http://www.ntnu.no/gemini/2001-06e/36_2.htm
Una cella solare è una giunzione p-n illuminata
Come funzionano? Principio fisico: generazione, separazione e trasporto di carica E C FL fotone E g E Separazione nel campo esterno Generazione di Produzione coppie e-h della fotocorrente Struttura: giunzione p-n, illuminata Fotoni con energia E<E g non possono generare coppie e-h E V n-type p-type Fotoni con E>=E g possono generare coppie e-h, l energia in eccesso viene dispersa Un fotone con energia >>Eg ha lo stesso effetto di un fotone con energia = Eg E il flusso e non l energia dei fotoni che determina la fotogenerazione
Efficienza di Shockley Queisser Al diminuire di Eg + fotoni assorbiti + fotocorrente Al crescere di Eg - perdite di E in Q Luce concentrata - corrente di buio 1 sun + tensione in uscita W Shockley, Queisser, J.Appl. Phys. 1961 Per c-si η circa 30%
mentre l efficienza reale per c-si η circa 15-20% Tutti i processi di perdita Solar input 10 3 W/m 2 10-2 m 2 =10W (1) Fotoni con hν<eg non vengono assorbiti (2) Interazione elettronereticolo (3) e (4) perdite ai contatti (5) ricombinazione
Quanta energia da fotovoltaico attualmente? Poche, pochissime i
Quanta energia da PV istallata?
Dove vengono installate? Fonte:EPIA
Da chi? Fonte: epia http://www.epia.org/
A quale costo in futuro? Trend costo kwh prodotto
Futuro: Trasformare la miscela globale di energia
Con quale materiale (attualmente)? Si 43% Si multi cristallino (efficienze 10-18%) 46% Si monocristallino (efficienze 15-20%) 7% Si film sottile (efficienze 4-7%) altro
Con quale materiale in futuro? Quali i problemi, gli sviluppi, i la ricerca? Aumento dell efficienza (ma Riduzione dei costi (ma aumentano i costi): diminuisce l efficienza): 1. Miglioramento delle 1. Sviluppo industriale caratteristiche del materiale 2. Usare meno silicio: i celle a attuale (Si) (stato difettivo, film sottile, a:si. processo industriale) 3. Nuovi materiali e tecnologie 2. utilizzo di nuovi materiali che meno costose (plastiche riescono a fruttare meglio [Berkley], Dye Sensitised tutto lo spettro solare solar cell DSC [Grätzel]). 3. Celle quantiche. Concentrazione: Aumento del flusso di fotoni sulla cella
Diminuzione dei costi (1) Celle solari fotovoltaiche plastiche costituite da nanocristalli di CdSe disperse in matrici polimeriche (Università di Berkeley, California) Efficienza ancora scarsa Produzione Facile ed economica Plastiche, flessibili, spalmabili, si adattano a qualunque architettura e possono essere colorate a piacere TEM di CdSe nanocristalli: dim da 7 a 60 nm W. U. Huynh, J. J. Dittmer, A. P. Alivisatos, Science 2002. http://www.lbl.gov/science-articles/archive/msd-alivisatos-solarcells.html
Diminuzione dei costi (2) Usare meno Si crescita sit di nanocristalli di Si in matrice amorfa di Si, Progetto nanophoto Il Sole 24 Ore dell 8 Ottobre 2005 http://www.nanophoto.unimib.it/index.php
Diminuzione dei costi (3). Le celle fotoelettrochimiche a dye (colorante) DSC cella di Graetzel Meccanismo fisico (analogo alla fotosintesi) Assorbimento: Iniezione Interception: Le celle flessibili, colorate, adattabili a diverse strutture architettoniche. Efficienze 10% circa M., Grätzel, Nature, 414, 338-344, 2001.
Aumento dell efficienza (1): migliorare i materiali e i processi attuali, mc Si Analisi e controllo dei difetti reticolari Meccanismi di ricombinazione Controllo di qualità, tecniche di caratterizzazione inline materiale di indotti da partenza processo Miglioramento e ottimizzazione dei processi industriali FAST-IQ, progetto europeo, V PQ, UniBO (Semic.), UNIMI, RWE-Schott Solar, Photowatt, 2000-2004 (FAST Inline characterisation tools for crystalline silicon material and cell process Quality control in the PV-industry)
Aumento dell efficienza(2): usare tutto lo spettro solare (Progetto FP7) ASTM G173-03 Reference Spectra 2.00 nce W m -2 nm -1 Spectral Irradia 1.50 1.00 0.50 λ>λ c 0.00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Wavelength nm LBNL 1, IOFFE 2 : il band gap di InN è pari a 0.7 ev invece di 2.0eV InGaN band gap da 0.7 a 3.4 ev 1. J. Wu, W. Walukiewicz, et al, Appl. Phys Lett. (2002). 2. V.Yu. Davydov et al PSS(b) (2002) http://www.lbl.gov/science-articles/archive/msd-perfect-solar-cell.html
Aumento dell efficienza (3): celle tandem Tandem cell concepts: (a) spectrum splitting; (b) cell stacking Svantaggi: costi elevati, dislocazioni di misfit Vantaggi: efficienze teoriche fino a 66%
Celle tandem: efficienza reale http://www.nrel.gov/ncpv/higheff.html
AUMENTO DEL FLUSSO DI FOTONI SULLA CELLA: CONCENTRAZIONE http://ws.fe.infn.it/lab/ricerca_fotovoltaico.php
Si può utilizzare meglio l energia solare? Specchi dicroici che separano i diversi colori della luce permettono di inviare a diverse celle fotovoltaiche le lunghezze d onde a cui rispondono meglio. Le efficienze teoriche di conversione possono eccedere il 75% Celle PV al silicio Specchio dicroico Concentrato re primario Celle PV ad Arseniuro di Gallio/ Indio (InGaP)
SPLITTING DEL FASCIO DI LUCE Celle singole, tutto il fascio Cella GaInP: ~15% efficienza i Cella Si : ~20% efficienza Splitting fascio Celle singole, fascio separato Cella GaInP: ~15% efficienza Cella Si : ~16% efficienza Efficienza: ~15 % oppure ~20 % Efficienza: ~15 % + ~16 % = ~31 % Specchio dicroico