L'ENEA e la ricerca di sistema elettrico: Il fotovoltaico innovativo Celle solari polimeriche Light e - Dr Pasquale MORVILLO, CR ENEA Portici
Il sogno
Potenzialità Moduli flessibili, leggeri e semitrasparenti Possibilità di produzione con processi di stampa in continuo Coating su larga area Facile integrazione in diversi dispositivi Significativa riduzione dei costi rispetto al PV tradizionale Vantaggi economici ed ecologici
Struttura modulo polimerico F. Krebs, Risø National Laboratory for Sustainable Energy, DTU
Moduli polimerici roll-to-roll F. Krebs, Risø National Laboratory for Sustainable Energy, DTU
PowerPlastic Konarka Applicazioni
Sperimentazione Materiali da testare in piccole quantità (mg) Possibilità di lavorare in atmosfera inerte (per valutare impatto ossigeno e umidità) Flessibilità nei passi di processo
Laboratorio celle organiche Glove box operanti in atmosfera inerte (< 1ppm O 2, H 2 O) con integrati: Spin coater Bilancia analitica Evaporatore termico Apparato misura IV
Cella polimerica ENEA 80 70 External Quantum Efficiency (%) 60 50 40 30 20 10 IV light AM1.5G 1000W/m 2 0 400 500 600 700 800 Wavelength (nm) Area= 0.34 cm 2 Eff= 4.1 % FF= 57 % J sc = 11.8 ma/cm 2 V oc = 614 mv R s = 11 Ohm*cm 2 R sh = 918 Ohm*cm 2
Layout di processo Cleaning substrato vetro/ito ( etching ) Pattern ITO ( frontale (contatto Preparazione o acquisto materiali organici (polimeri e ( fullereni Dissoluzione dei materiali organici in un solvente comune Spinning PEDOT Annealing PEDOT Spinning blend polimerico Controllo proprietà ottiche e spessore Evaporazione Ca/Al ( posteriore (contatto Annealing dispositivo
Stato dell arte Solar cell efficiency tables (version 37) - Progress in Photovoltaics Valori certificati, Area > 1cm 2
Funzionamento Il materiale organico è responsabile dell assorbimento della luce, della fotogenerazione delle cariche e anche del loro trasporto verso gli elettrodi L assorbimento di un fotone non produce direttamente cariche elettriche ma eccitoni. Per avere la dissociazione dell eccitone occorre un campo elettrico esterno che si ottiene utilizzando elettrodi con differente energia di ionizzazione.
Limiti e prospettive
Attività di ricerca Ottimizzazione catodo (Ca/Al o LiF/Al) Ottimizzazione blend, modeling e test di nuovi materiali Rimpiazzo del PEDOT:PSS con ossidi metallici Rimpiazzo dell ITO con HC-PEDOT:PSS Realizzazione celle su substrati flessibili (plastica) Setup di misura Incapsulamento Tecnologie di stampa (inkjet)
HC-PEDOT:PSS per celle ITOfree 100 90 0,01 Transmittance (%) 80 70 60 50 40 PEDOT:PSS undoped DMSO-doped PEDOT:PSS Conductivity: 700 S/cm Current (A) 1E-3 1E-4 1E-5 PEDOT:PSS undoped DMSO doped PEDOT:PSS 30 1E-6 20 1E-7 10 200 300 400 500 600 700 800 (nm) Transmittance of 50 nm PEDOT:PSS films with and without doping spin-coated on quartz IV light AM1.5G 1000W/m 2 Struttura cella: GLASS HC-PEDOT:PSS P3HT:PCBM Ca Al Area= 0.20 cm 2 Eff= 2.5 % FF= 44 % Jsc= 9.7 ma/cm 2 Voc= 575 mv Rs= 25 Ohm*cm 2 Rsh= 606 Ohm*cm 2 0,1 1 Voltage (V) I-V Characteristics of spin-coated PEDOT:PSS films, with and without doping
P. Morvillo, E. Bobeico, Solar Energy Materials and Solar Cells, 92, 1192-1198, 2008. P. Morvillo, E. Bobeico, Physica Status Solidi Rapid Research Letters, 2, 260-262, 2008. Modeling molecolare: fullereni
Sintesi di derivati del PCBM (UNITRI) Reaction s yield: 20-30% R: (1-3)-OMe or -H Purity: 99% Characterization: 1 H-NMR, 13 C-NMR, UV/Vis/nIR, Mass spectrometry Hummelen, J. C.; Knight, B. W.; LePeq, F.; Wudl, F.; Yao, J.; Wilkins, C. L. J. Org. Chem. 1995, 60, 532.
LUMO (DFT B3LYP/3-21+G*) LUMO: [60]PCBM vs [70]PCBM -3.71eV -3.74eV -3.73eV -3.73eV P. Morvillo, Solar Energy Materials and Solar Cells, 93, 1827, 2009. P. Morvillo, E. Bobeico, Proceedings of 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 617, 2009.
LUMO: [60]PCBM vs bis[60]pcbm LUMO = -3.55-3.67 ev V oc 750mV LUMO = -3.71eV V oc 630mV
Sintesi di derivati del PCBM (UNITRI) Pyridine, NaOMe 1,2-dichlorobenzene overnight, 70-80 C N O NH S O O O O O O S HN O N O O O Reaction s yield: very low yield (5-8%), mixture of bis-adducts. Purity: 99% Characterization: 1 H-NMR, 13 C-NMR, UV/Vis/nIR, Mass spectrometry Use of tethered adducts for reducing the number of isomers. More investigation is taking place. Bouwer, R. K. M.; Hummelen, J. C. Chem. Eur. J. 2010, 16, 11250.
Test di nuovi polimeri semiconduttori Sintesi di polimeri semiconduttori per celle fotovoltaiche organiche (UNIMORE)
Ottimizzazione dello spessore Ciascuno strato è stato depositato e caratterizzato su vetro Corning 1737. L indice di rifrazione (n) e il coefficiente di estinzione (k) sono stati determinati tramite procedura di inversione matematica applicata alle misure spettrofotometriche di riflettanza e trasmittanza. R=f1(n 0, n T, k T, n s, k s, d T, d s, 0 ) T=f2(n 0, n T, k T, n s, k s, d T, d s, 0 )
E. Bobeico, A. De Sio, S. Esposito, P. Morvillo, Proceedings of 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 602-605, 2009. P. Morvillo, E. Bobeico, S. Esposito, Advances in Science and Technology, 74, 164-169, 2010. Costanti ottiche P3HT:PCBM P3HT:[60]PCBM P3HT:[70]PCBM
J sc (max) vs Spessore P3HT:[60]PCBM P3HT:[70]PCBM Considerando le perdite elettriche, le curve si abbassano ma la posizione dei massimi e dei minimi restano pressoché uguali.
Conclusioni R. Diana A De Girolamo Del Mauro E. Bobeico