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OLED: Struttura
I elettrodo: catodo
metallico1 (Mg-Al o Li-Al o
C 200 nm))
Ca,
Anodo (polimero o molecola organica, 100 nm)
II elettrodo ITO2 (Indium Tin Oxide 200 nm)
Substrato trasparente
1Metalli
con basso WF: alta iniezione di elettroni
2 ITO: materiale semitrasparente ma conduttivo
NB lla maggior
i parte del
d l
peso della struttura è
d
dovuta
t all substrato
bt t
Efficienza degli OLED
OLED tradizionali
25%
ma..
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
p
(79%) possono essere
integrati
g
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.
sull altro.
Vantaggi:
• il colore e la luminosità di
ogni pixel possono essere
modificati separatemente
p
variando la densità di
corrente
•Alta risoluzione
La luce per generare energia elettrica
Solare
termico
Solare
fotovoltaico
Energia solare
E
Energia
i termica
t
i
Energia solare
Energia elettrica
Perché il fotovoltaico ?
AMBIENTE: contributo importante alle fonti energetiche
rinnovabili, diminuzione CO2, produzione di “pulita” di H2
1 kg di petrolio produce al più g p
p
p 4 kwh elettrici
1kwh (1 giorno di un frigorifero, 1 ora di condizionatore, stufa
elettrica,, ferro da stiro o forno elettrico)) p
produce circa 1kg
g di CO2
Potremmo
utilizzare il FV per produrre H2:
1 kg di H2 produce circa 12 kwh elettrici senza
emissioni inquinanti di alcun genere
ACCESSIBILITA’ elettrificazione
ACCESSIBILITA’:
l
ifi i
rurale, Paesi
l P i in via di
i i di sviluppo
il
(3
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
3
di p
posti di lavoro
http://www.sunways.de/en/press/pictures/products/prosp_zelle2a.php
Quanta energia d l l ?
dal sole?
ASTM G173-03 Reference Spectra
2.00
Sp
pectral Irradiance W m-2 nm -1
AM0
1.50
1.00
AM1
0.50
0.00
0
500
1000
1500
Wavelength nm
2000
Irradianza solare: Quantità di energia radiante
ricevuta
dall ssole
i
ut d
l /unità di area / unità di ttempo
mp
Lo spettro solare nello spazio può essere
pp
dallo spettro
p
di un corpo
p nero a
rappresentato
5760K.
2500
3000
Sulla superficie del sole la densità
di potenza è di 62 MW/m2 fuori
dall atmosfera terrestre è di 1353
dall’atmosfera
W/m2
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
fotone
Separazione nel campo esterno
Generazione
Genera
ione di
Produzione
coppie e-h della fotocorrente
EC
FL
Eg
EV
n-type
p-type
Struttura: giunzione p-n,
illuminata
•Fotoni con energia E<Eg non
possono generare coppie e-h
e h
•Fotoni con E>=Eg possono
generare coppie e
e-h,
h, l’energia
l energia
in eccesso viene dispersa
•Un fotone con energia >>Eg
ha lo stesso effetto di un
fotone con energia = Eg
E’ il flusso
fl
e non
l’energia dei fotoni che
determina la
fotogenerazione
Efficienza di Shockley Queisser
Al diminuire di Eg
+ fotoni assorbiti
+ fotocorrente
f
Al crescere di Eg
Luce
concentrata
- perdite di E in Q
- corrente di buio
1 sun
+ tensione in uscita
W Shockley, Queisser, J.Appl. Phys. 1961
P c-Si
Per
Si η circa
i 30%
mentre l’ efficienza reale… per c-Si η
circa 15-20%
15 20%
Tutti i p
processi di perdita…
p
Solar input
103W/m2×10-2 m2=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?
P h pochissime…
Poche,
hi 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)
l
)?
Si
43%
Si multi cristallino
(efficienze 10-18%)
46%
Si monocristallino
(efficienze 15-20%)
7%
Si film
sottile
l
(
(efficienze
4-7%)
altro
Con quale materiale in futuro?
Q li i problemi,
Quali
i bl i gli sviluppi, li il
i la ricerca? Riduzione dei costi (ma
diminuisce l’efficienza):
ff
)
1. Sviluppo industriale
2 Usare
2.
Us
meno
m
silicio:
sili i : celle
ll a
film sottile, a:Si.
3. Nuovi m
materiali e tecnologie
g
meno costose (plastiche
[Berkley], Dye Sensitised
s l cell
solar
ll DSC [Grätzel]).
[G ät l])
Aumento dell’efficienza (ma
aumentano i costi):
1.
Miglioramento delle
caratteristiche del materiale
attuale (Si) (stato difettivo,
processo industriale)
2 utilizzo di nuovi materiali che
2.
riescono a fruttare meglio
tutto lo spettro solare
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
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
s it di nanocristalli
ist lli di Si in
i matrice
t i amorfa
f di Si
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:
A
bi
t
•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
materiale di
partenza
indotti da
processo
Miglioramento e
ottimizzazione dei
processi industriali
Meccanismi di
ricombinazione
Controllo di qualità,
qualità
tecniche di
caratterizzazione inline
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
Spectral Irradiance W m-2 nm -1
2.00
λ>λc
1.50
1.00
0.50
0.00
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Wavelength nm
LBNL1, IOFFE2: il band gap di InN
è pari a 0.7 eV invece di 2.0eV
InGaN band gap da 0.7
0 7 a 3.4
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
V
Vantaggi:
efficienze
ff
teoriche
h fino
f
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
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.
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
C
ll GaInP:
G I P ~15%
15% efficienza
ffi i
Cella Si : ~20% efficienza
Efficienza: ~15 % oppure ~20 %
Splitting fascio
Celle singole, fascio separato
Cella GaInP: ~15% efficienza
Cella Si : ~16%
efficienza
Efficienza: ~15 % + ~16 %
= ~31 %
Specchio dicroico