DISPOSITIVI ELETTRONICI AVANZATI PLASTIC ELECTRONICS Celle Solari Organiche (I)

1. DISPOSITIVI ELETTRONICI AVANZATI PLASTIC ELECTRONICS Celle Solari Organiche (I) a cura di Ornella Sanna

2. I combustibili fossili e le fonti rinnovabili crescita delle emissioni di CO2 dall’era preindustriale dovuta alle attività umane di sfruttamento delle risorse del pianeta, in particolare all’utilizzo dei combustibili fossili. Le linee tratteggiate rappresentano possibili (ottimistici) scenari.

3. Conseguenze dirette dell’uso dei combustibili fossili • elevati costi di produzione e manutenzione degli impianti • degrado ambientale: • 20*1012 Kg di diossido di carbonio rilasciati nell’atmosfera ogni anno • aumento della temperatura superficiale terrestre ( tra 0.6-7°C nel 2100): • aumento della frequenza e dell’imponenza dei disastri naturali • aumento del livello delle acque

4. Conseguenze dell’uso delle fonti rinnovabili • non ha effetti significativi sull’ambiente • tali fonti non rischiano di esaurirsi • si basa sul supporto locale della loro fonte di energia • i sistemi di potenza forniscono, durante la loro vita, più energia di quella che si consuma durante la loro fabbricazione, installazione e manutenzione nonostante ciò il costo delle energie rinnovabili non è ancora abbastanza basso da qui la necessità di sviluppare tecnologie a basso costo per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili

5. LE FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE il vento l’acqua il sole si prevede che il sole avrà una vita stabile e che continuerà ad erogare energia sotto forma di radiazione in maniera costante per circa 10 miliardi di anni la radiazione solare può essere convertita in energia elettrica tramite le celle solari il sole emette radiazioni nella banda compresa tra l’ultravioletto e l’infrarosso (0.2-3 µm)

6. L’intensità della radiazione solare nello spazio libero alla distanza media della Terra dal Sole è definita come COSTANTE SOLARE ed è pari a 1353 W/m2 La misura in cui l’atmosfera influenza la luce solare ricevuta dalla superficie terrestre è definita come la massa d’aria (air mass, AM).

7. I DIVERSI SPETTRI • AM0 è lo spettro che si utilizza per applicazioni spaziali, in condizioni di massa d’aria nulla • AM1 è lo spettro sulla superficie terrestre • quando il sole è allo zenith • AM1,5 è lo spettro quando il sole • è a 48° rispetto allo zenith ed è quello • preferito per le misure di efficienza • nelle celle solari. • AM2 è lo spettro sulla quando il sole • è a 60° rispetto allo zenith

8. I due spettri standard comunemente usati sono l’AM1.5 diretto e AM1.5 globale. Quest’ultimo comprende quello diretto più la luce diffusa. La differenza sta soprattutto nella regione di lunghezza d’onda interessata. Acqua (H2O), ozono (O3) e diossido di carbonio (CO2) sono i principali agenti assorbenti della radiazione solare nell’atmosfera terrestre

9. Celle solari: passato, presente, futuro Il materiale più importante è stato finora, e continua ad essere, il silicio sia nella sua forma convenzionale che, soprattutto, nella versione di film sottile cristallino ma un grande numero di nuovi concetti e nuovi materiali è in fase di sviluppo nonostante il silicio sia il materiale più usato esso non è il materiale ideale per la conversione fotovoltaica per avere il 90% di assorbimento della luce sono necessari 1 µm di GaAs (semiconduttore a gap diretto) 100 µm di Si (semiconduttore a gap indiretto) PERO’: tecnologia del silicio già fortemente sviluppata prima dell’avvento dei dispositivi fotovoltaici

10. Le specifiche per la cella solare ideale sono: 1) un bandgap compreso tra 1.1 e 1.7 ev 2) una struttura a band bandgap diretto 3) tecniche di deposizione semplici e riproducibili 4) buona efficienza di conversione fotovoltaica 5) stabilità a lungo termine 6) la disponibilità di materiali non tossici

11. I materiali • silicio mono e multicristallino • oggigiorno il mercato del fotovoltaico è caratterizzato da tre fattori: • 1. il miglioramento dell’efficienza di conversione • migliore risultato raggiunto in laboratorio: 24,7 % tramite una tecnologia fortemente elaborata • 2. la riduzione dei costi • il 50 % dei costi di un modulo è dovuto ai costi di processamento dei wafer di silicio • l’efficienza inoltre, è direttamente correlata con l’area del sistema che incide • fortemente sui suoi costi • 3. il difficile rifornimento del materiale policristallino grezzo

12. silicio cristallino (c-Si), film sottile • questi tipo di tecnologia necessita di un supporto meccanico a causa del ridotto spessore del materiale attivo (5 - 50) µm • problemi di compatibilità tra substrato e materiale attivo • non esistono ancora materiali con le proprietà tecniche ideali che siano anche a basso costo • silicio amorfo (a-Si) • efficace alternativa alle celle in silicio cristallino e policristallino • nella regione spettrale compresa tra 400 e 800 nm, il valore del suo coefficiente di assorbimento é almeno un ordine di grandezza maggiore di quello del silicio cristallino • le caratteristiche del a-Si:H impongono strutture del dispositivo diverse da quelle usate nelle celle cristalline

13. esempio di cella solare in a-Si:H nuovi sviluppi riguardano la combinazione di a-Si e c-Si in eterostrutture tramite tecniche combinate delle tecnologie relative ad entrambi i materiali il migliore risultato è stato ottenuto finora dalla Sanyo con una efficienza di conversione del 20,7 %

14. CIS ( seleniuro di indio-rame) e materiali per sistemi concentrati • il CIS sfrutta la tecnologia del film sottile • i sistemi concentrati sono costituiti da celle a multigiunzione per esempio GaInP/GaAs/Ge • pigmenti sintetizzati: la cella di Gratzel • processo fotoelettrochimico • l’elemento responsabile dell’assorbimento di luce è un pigmento • materiali organici • celle solari molecolari • celle solari polimeriche • coefficienti di assorbimento ottico elevati, dispositivi sottili, substrato flessi bile

15. Principio di funzionamento delle celle solari l’effetto fotovoltaico: radiazione solare incidente assorbimento di fotoni conduzionegenerazione di coppie elettrone-lacuna I meccanismi di trasporto dipendono dal materiale e dalla struttura della cella. Per poter osservare l'effetto fotovoltaico, gli elettroni e le lacune fotogenerati devono essere separati da un campo elettrico esterno interno (disomogeneità del sistema)

16. possibili disomogeneità del sistema: • contatto metallo-semiconduttore ( Barriere Schottky) • contatti Metallo-Isolante-Semiconduttore (MIS) • giunzione p-n (omo-giunzione o etero-giunzione) • le celle solari classiche sono basate in generale su strutture di tipo p-n (diodo) • Come sappiamo i fenomeni di trasporto all’interno del diodo p-n dipendono dalle condizioni di polarizzazione cui esso è sottoposto: • polarizzazione inversa tensione esterna applicata positiva alla zona n del diodo • polarizzazione diretta tensione esterna applicata negativa alla zona n del diodo

17. diagramma schematico di una giunzione p-n: (a) non polarizzata: (b) polarizzata direttamente (V >0);(c) polarizzata inversamente (V<0).

18. 2 modi di funzionamento • assenza di illuminazione • caratteristica I-V al buio: quella tipica della giunzione p-n • la densità di corrente che scorre nel diodo è detta JD • sotto illuminazione • la densità di corrente fotogenerata JL si aggiunge a quella al buio JD • la cella si comporta come un generatore di corrente in parallelo al diodo

19. JL è una densità di corrente dovuta esclusivamente al passaggio dei portatori minoritari ad ha verso opposto rispetto a JD che è dovuta ai maggioritari La densità di corrente totale J che circola in una cella fotovoltaica è quindi: J = JD- JL con JD= J0 [expeV/nkT -1] equazione del diodo J0= corrente di saturazione inversa n = fattore di idealità, varia tra 1 e 2 e = carica elementare dell’e- se n = 1, la caratteristica coincide con quella del diodo ideale se n = 2, la conduzione è dominata dalla ricombinazione-generazione nella regione di carica spaziale

20. La fotocorrente può essere calcolata dalla risoluzione dell’equazione di continuità in condizioni di bassa iniezione e quindi valide per intensità luminose fino a circa 100 mW/cm2 ed è proporzionale al numero di fotoni assorbiti JL = Jn+ J p + Jdr Jne Jp: contributo dei portatori minoritari generati rispettivamente nelle regioni n e p Jdr: contributo delle cariche generate nello strato di svuotamento

21. meccanismi di perdita • perdite ohmiche ai contatti (resistenze di strato e di contatto) • resistenza serie Rs • perdite superficiali o dai corto circuiti microscopici dovuti ai difetti reticolari • resistenza parallelo (shunt) Rsh

22. considerando tale circuito la relazione J-V della cella solare p-n si può scrivere: J = J0 exp[e(V + JRs)/nkT -1] +[(V+JRs)/Rsh]- JL effetto di Rs

23. effetto di Rsh

24. Parametri caratteristici • efficienza di conversione η η=Pmax/Pinc Pmax= Jm Vm è la massima potenza erogata dal dispositivo Pinc è la potenza della radiazione incidente = (densità di potenza della radiazione incidente)*(area della cella) La densità di potenza incidente dipende dal fattore AM utilizzato: solitamente si utilizza il valore AM1.5, che prevede un valore di 100 mW/cm2.

25. 2. Fill Factor FF =JmVm/JscVoc dove Voc è la tensione di circuito aperto e Jscè la corrente di corto circuito così l’efficienza di conversione diventa: η= JscVocFF/Pinc quanto maggiore è il FF tanto maggiore sarà la potenza elettrica che potrà essere estratta dalla cella

26. 3. caratteristica I-V la combinazione corrente-tensione che da il rettangolo di potenza più grande è detta punto di massima potenza

27. 4. External Quantum Efficiency (EQE) efficienza con cui i fotoni incidenti sul dispositivo vengono trasformati in corrente