INDICE: PREFAZIONE UN PO DI STORIA CHE COSA SONO LE CELLE DI GRAETZEL EFFICIENZA DI UNA CELLA DSSC COME L ABBIAMO COSTRUITA COME FUNZIONA ARTICOLO DI GIORNALE SULLE CELLE AL MIRTILLO CONCLUSIONE 1
CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHE PREFAZIONE Nel giugno del 2011 ho avuto la possibilità di partecipare, insieme ad altri ragazzi provenienti da scuole di tutta Italia, allo stage estivo all università di Tor Vergata a Roma. Nello stage che ho frequentato si è lavorato su materiali per la conversione fotovoltaica ed era prevista la realizzazione di una cella solare organica. Durante le ore di laboratorio gli insegnanti di Tor Vergata ci hanno guidato nella costruzione di alcune celle fotovoltaiche organiche al mirtillo. Nel corso di quest anno scolastico, ho deciso di approfondire nell area di progetto proprio questo particolare tipo di cella; in un museo delle Scienze Ambientali ho pensato di presentare la cella organica costruita da me con un pannello esplicativo del suo funzionamento. UN PO DI STORIA Nel 1839 il fisico francese Alexandre Edmund Becquerel osservò che l intensità della corrente tra due elettrodi immersi in una soluzione conduttrice (cella elettrolitica), aumentava se si esponeva la pila così composta alla luce del Sole. Nel 1954 negli USA studi presso i laboratori Bell portarono alla realizzazione delle prime celle fotovoltaiche commerciali in silicio monocristallino. In questo periodo la tecnologia fotovoltaica trovò applicazione in campo aerospaziale. Solo a partire dal 1970 con il manifestarsi delle crisi energetiche di portata mondiale, si iniziò a trasferire la tecnologia fotovoltaica anche nel settore delle costruzioni civili. Michael Graetzel, originario del cantone Svizzero di lingua tedesca, ha studiato chimica all Università di Berlino. Nel 1991 ha inventato una cella fotovoltaica organica, basata sul processo che imita la fotosintesi delle piante: essa è nota come cella di Graetzel o Dye Sentized Solar Cell (DSSC). Nel 2010 ha vinto un prestigioso premio internazionale per la tecnologia (equivalente ad un premio Nobel). 2
CHE COSA SONO LE CELLE DI GRAETZEL I pannelli solari organici sono pannelli formati da celle fotovoltaiche, in grado di produrre energia elettrica sfruttando un principio simile a quello della fotosintesi clorofilliana. Il campo delle celle solari organiche comprende tutti quei dispositivi la cui parte fotoattiva è basata sui composti organici. La struttura base di una cella organica è semplice: essa è detta "a sandwich" ed è composta da un substrato, generalmente vetro ma anche plastica flessibile, e da una o più sottilissime pellicole, che contengono i materiali fotoattivi, frapposte tra due elettrodi conduttivi. Le celle organiche più efficienti, ispirandosi al processo di fotosintesi clorofilliana, utilizzano una miscela di materiali in cui un pigmento assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità. La gamma di pigmenti che possono essere impiegati include quelli a base vegetale, come le antocianine derivate dai frutti di bosco, i polimeri e le molecole sintetizzate in modo da massimizzare l'assorbimento dello spettro solare. Figura 1. Esempio di cella fotovoltaica organica (a sinistra) e modulo (a destra) Queste celle organiche vengono anche chiamate celle di Graetzel, o celle fotoelettrochimiche, celle DSSC (dye-sensitized solar cell). ITO, indium thin oxide, steso sul primo vetrino, a formare la parte conduttiva TiO 2, biossido di Titanio (fotoanodo) colorante (The rosso, succo di mirtillo ) elettrolita a base di tintura di Iodio Grafite su ITO (controelettrodo=catodo) vetrino di contenimento Una clip metallica chiude il sandwich e lo tiene in posizione. I due vetrini sono leggermente spostati per permettere all'operatore di contattare anodo e catodo (qui e altrove viene utilizzata 3
per anodo e catodo la convenzione elettronica degli utilizzatori), rispettivamente, con il polo positivo e negativo dello strumento di misura. La gamma di celle solari organiche è ampia e si trova in diversi stadi di ricerca e di maturazione tecnologica e comprende, in sintesi, le celle dye sensitized (la cui parte fotoelettricamente attiva è costituita da un pigmento, da ossido di titanio e da un elettrolita), organiche (la cui parte attiva è totalmente organica o polimerica), ibride organico/inorganico e ibride biologico. Questo tipo di cella è particolarmente interessante per la bio-compatibilità del materiale fotoattivo (la gamma utilizzabile va dalle antocianine fino a veri e propri complessi proteici fotosintetici estratti, per esempio, dalle foglie di spinaci) e per applicazioni dove questo aspetto è vantaggioso e desiderabile. Infatti un'altra componente importante che viene utilizzata frequentemente nella cella solare, per estrarre la carica generata nel pigmento dopo l'assorbimento della luce, è una pasta di ossido di titanio: un ingrediente comune e certamente eco-compatibile che si trova in innumerevoli prodotti, come dentifrici, vernici idrosolubili per interni e creme solari. L'ambizione della ricerca in questo tipo di cella è difatti proprio quella di sviluppare una cella solare all'insegna della bio-eco-compatibilità. EFFICIENZA DI UNA CELLA DSSC Le celle DSC hanno un efficienza bassa, quelle che costruiamo noi difficilmente supereranno complessivamente l 1%. In particolare, utilizzando un simulatore solare e un tester controllato, si misura, per la cella in questione, un massimo di trasferimento di potenza da singola cella di 0,0825 mw. In laboratorio sono state misurate efficienze massime del 10%-12% e tempi di vita di vari mesi per questo tipo di cella. Il grosso vantaggio dei materiali fotovoltaici organici o ibridi in generale risiede nel fatto che questi possono essere depositati, su larghe aree e a costi molto ridotti, in soluzione liquida come veri e propri inchiostri o paste. È possibile quindi usare metodi tipici dell industria della stampa e applicarli nel campo del solare organico, eliminando così gli alti costi di materiale e di processo tipici dell industria a semiconduttore in cui la purezza e le alte temperature richieste per la liquefazione, cristallizzazione e drogaggio del silicio provocano dispendio energetico ed economico e causano inoltre scarichi nocivi per l ambiente. I materiali organici o ibridi, invece, una volta depositati assumono la forma di vere e proprie pellicole, che sono da qualche decina di volte fino ad oltre mille volte più sottili dei wafer in silicio. I materiali sono anche compatibili con film o rotoli di plastica e depositabili su substrati trasparenti flessibili con sensibili vantaggi nei costi, trasporto, risparmio di materiale e facilità d'installazione. Il programma tecnico d'innovazione nella costruzione del pannello è quello quindi di utilizzare, alcune tecniche a scansione a basso costo, quale per esempio l ink jet printing (i.e. stampa a getto 4
di inchiostro ) e lo screen printing (tecnica simile alla serigrafia). Nella costruzione delle celle verranno anche utilizzati nuovi contatti multistrato per aumentare la tensione e l efficienza della cella. COME L ABBIAMO COSTRUITA Anche la cella di Greatzel che abbiamo costruito A Tor Vergata aveva una struttura a sandwich: due vetrini con una faccia conduttrice, che fungevano da elettrodi, erano separati da uno strato di TiO 2, dal materiale attivo e dalla soluzione elettrolitica. Il materiale attivo era un materiale costituito da un colorante (il Dye composto da succo di mirtillo, alcol etilico e fiori di ibisco), mentre il TiO 2 era un nanomateriale utilizzato come base su cui si agganciava un grande numero di molecole di colorante. Nel preparare la nostra cella DSC abbiamo preso due vetrini: nel primo abbiamo spalmato il TiO 2, mentre il secondo è stato colorato con la grafite e costituiva il controelettrodo. Entrambi i vetrini inoltre sono stati riscaldati in un fornetto ad un alta temperatura (normalmente a 450 C) in modo che il TiO2 si calcinasse ed il rendimento della cella completa fosse migliore. Uscito dal forno, il vetrino composto dal TiO 2 è stato poi messo nel liquido composto dal Dye e lasciato per una notte intera. Dopo aver aspettato che il vetrino si fosse asciugato, gli sono state applicate delle strisce di scotch ai lati. Il vetrino è stato poi attaccato al secondo vetrino (quello con la grafite) mediante l uso di una colla bicomponente applicata sui bordi. Infine l elettrolita, posto nello spazio apposito (circa 50 µm), è sceso piano piano nello spazio delimitato dallo scotch. Durante questa esperienza abbiamo costruito 11 celle dalle quali abbiamo ricavato i rispettivi valori di tensione. Ecco la tabella con i dati ricavati: COME FUNZIONA 5
TCO: transparent conductor n-sc: n-semiconductor (tipo n conduce elettroni) hv: quanto di energia elettromagnetica S + /S: livello di stato fondamentale della molecola organica S + /S * : primo livello eccitato della molecola organica A/A * : livello dell elettrolita Load: carico/resistenza Il fotone arriva e viene assorbito dal Dye che eccita l elettrone, il quale passa dal livello di stato fondamentale al primo livello eccitato. A questo punto l elettrone passa dal livello eccitato alla banda di conduzione del TiO2 e da lì può essere usato per alimentare un carico (load). La molecola recupera poi l elettrone dall elettrolita attraverso una reazione redox * che coinvolge il controelettrodo di grafite. La differenza di potenziale ΔV è data dalla differenza dei materiali (antocianina e TiO 2 ) ed è fissa, mentre la corrente (i) è data dalla superficie del TiO 2 in contatto con l antocianina. Il TiO 2 funge da accettore di elettroni, il colorante organico è la pompa elettrochimica mentre la soluzione elettrolitica agisce come donatore di elettroni. * Le Reazioni Redox (dette anche ossido-riduzioni) sono quelle in cui almeno due elementi, appartenenti a due differenti composti (reagenti), modificano il proprio N.O. nel passaggio da reagenti a prodotti: uno dei due elementi si riduce, cioè vede diminuire il proprio N.O., mentre l altro elemento si ossida, cioè vede aumentare il proprio N.O.. La riduzione può essere equiparata all acquisto di elettroni (cioè cariche negative), mentre la ossidazione equivale alla perdita di elettroni. Il composto che si ossida ha il ruolo di riducente, mentre quello che si riduce ha il ruolo di ossidante. 6
La fotosintesi 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 ossidati da piante e animali, rilasciano nell atmosfera biossido di carbonio completando un ciclo reversibile e rinnovabile. La fotosintesi delle piante sulla terra e dei batteri sugli oceani produce otto volte il fabbisogno energetico dell umanità: se si riducesse a convertire l energia solare, con efficienza del 10%, su una superficie appena dell 1% delle terre emerse, si produrrebbe il doppio dell attuale richiesta di energia elettrica. CONCLUSIONE Dal momento che ogni studente ha costruito, nel modo sopra descritto, la sua cella fotovoltaica al mirtillo, si sono potute collegare tutte le celle in un circuito riuscendo così a far funzionare un carillon utilizzando solo la luce del sole estivo. 7
ARTICOLO DI GIORNALE da La Stampa del 23/06/2008 SULLE CELLE AL MIRTILLO: ECOFEST, CELLE FOTOVOLTAICHE AL MIRTILLO Flessibili e senza silicio, si ispirano alla fotosintesi clorofilliana ROMA Si ispirano al processo di fotosintesi clorofilliana e sono realizzati con una gamma di pigmenti che arrivano anche dal mirtillo. Sono le celle fotovoltaiche organiche che possono infatti utilizzare come elemento attivo pigmenti presi dai frutti di bosco e a differenza dei normali pannelli solari oggi in commercio non hanno silicio al loro interno ed i costi sono abbattuti a meno della metà. Sono dei fogli flessibili o delle lastre di vetro trasparenti su cui si può anche dipingere qualcosa, costano meno di produzione ed è più facile installarli. Grazie alla loro flessibilità, inoltre, queste celle fotovoltaiche organiche potranno essere stese sugli edifici e sui palazzi e funzionare come copertura per le tende della protezione civile in zone disastrate. Ma anche essere parte delle finestre di una casa o dei cristalli di una vettura. Le celle fotovoltaiche organiche prodotte dai frutti di bosco sono uno dei fiori all occhiello delle tecnologie innovative ed ecocompatibili presentate a Ecofest, la Festa dell Ambiente della Regione Lazio e di Sviluppo Lazio. A parlarne, nel corso del workshop «L impresa può essere ecologica. Il mondo delle aziende davanti alle sfide ambientali e all innovazione» sono stati l assessore all Ambiente della regione Lazio, Filiberto Zaratti, ed il Co-direttore del Polo Solare Organico dell Università di Roma Tor Vergata, Aldo Di Carlo. «Queste celle utilizzano una miscela di materiali in cui un pigmento assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità» ha spiegato Di Carlo a capo del progetto Chose del Polo Solare Organico istituito e finanziato dalla Regione Lazio. «La gamma dei pigmenti che possono essere impiegati -ha continuato- include quelli a base vegetale, come le antocianine derivate dai frutti di bosco, i polimeri e le molecole sintetizzate in modo da massimizzare l assorbimento dello spettro solare». Il progetto è stato fortemente sostenuto dalla Regione Lazio che, come ha sottolineato l assessore all Ambiente, Fliberto Zaratti, ha investito 25milioni di euro in tre anni per la ricerca. 8
SITOGRAFIA E BIBLIOGRAFIA UN PO DI STORIA e FOTOSINTESI: Piano nazionale lauree scientifiche 2010/2011 in Veneto Scienza dei Materiali a cura di Fabrizio Floris CHE COSA SONO LE CELLE DI GRAETZEL ed EFFICIENZA: http://www.chose.uniroma2.it/research/celle-organiche-ibride-dssc/celle-fotovoltaicheorganiche.html ARTICOLO:http://www.lastampa.it/_web/cmstp/tmplrubriche/ambiente/grubrica.asp?ID_bl og=51&id_articolo=735&id_sezione=76&sezione COME L ABBIAMO COSTRUITA e COME FUNZIONA: Appunti di laboratorio dello stage estivo all università di Roma Tor Vergata 9