E.Sovernigo - Fondazione Internazionale Trieste

4° convegno tematico "Energia solare"
23 settembre 2011 – Camera di Commercio - Trieste
Nanotecnologie per il fotovoltaico organico
Enrico Sovernigo, Simone Dal Zilio, Alessandro Pozzato,
Massimo Tormen
Sommario:
•  Tre generazioni di celle solari.
•  Attuali problematiche in celle solari organiche.
•  Celle solari nanostrutturate: Nanomoduli e celle
interdigitate.
•  Microlenti per trappole di luce.
•  LILit – Lab. Interdisciplinare di Litografia.
Tre generazioni di celle solari
1st gen.
Silicon wafers
125 µm
Prof. Martin A. Green
New South Wales University, Australia
Third Generation Photovoltaics
2003 Springer
2nd gen.
Thin films
2 µm
3rd gen.
Multijunction
Dye-sensitized
Organic Bulk
Heterojunctions
Prima generazione: wafers di Silicio
1st gen.
Silicon wafers
125 µm
2nd gen.
•  mono-Si
Thin films
2 µm
•  poly-Si
3rd gen.
Multijunction
Record eff. 25.0%
(UNSW PERL)
Dye-sensitized
Organic Bulk
Heterojunctions
Seconda generazione: Film Sottili
1st gen.
Silicon wafers
125 µm
•  a-Si
•  CIGS
•  CdTe
2nd gen.
Thin films
2 µm
3rd gen.
Multijunction
Record eff. 20.3%
(CIGS, ZSW)
Dye-sensitized
Organic Bulk
Heterojunctions
Terza generazione
1st gen.
Silicon wafers
125 µm
3a generazione:
• Architetture innovative
2nd gen.
• Nuove classi di materiali
Thin films
2 µm
3rd gen.
Multijunction
Dye-sensitized
Organic Bulk
Heterojunctions
Terza generazione: Multigiunzioni
1st gen.
Silicon wafers
125 µm
2nd gen.
Thin films
2 µm
3rd gen.
Multijunction
Record eff. 42.3%
(406x Spire)
Dye-sensitized
Organic Bulk
Heterojunctions
Terza generazione: Ibride
1st gen.
Silicon wafers
125 µm
2nd gen.
Thin films
2 µm
3rd gen.
Multijunction
Dye-sensitized
Organic Bulk
Heterojunctions
Record eff. 11.2%
(Sharp)
Terza generazione: Organiche
1st gen.
Silicon wafers
125 µm
2nd gen.
Thin films
2 µm
3rd gen.
Multijunction
Dye-sensitized
Organic Bulk
Heterojunctions
Record eff. 8.3%
(Konarka)
Tre generazioni di celle solari
1st gen.
Silicon wafers
125 µm
Più sottili, più complesse e
(potenzialmente) economiche…
2nd gen.
Thin films
2 µm
3rd gen.
Multijunction
Dye-sensitized
Organic Bulk
Heterojunctions
...4a generazione?
…ma ancora semplici e
costose rispetto la natura!
Cyanobacteria photosystem II,
Monomer, PDB 2AXT.
...4a generazione?
…ma ancora semplici e
costose rispetto la natura!
Cyanobacteria (Blue Algae)
modificato geneticamente per
secernere etanolo, diesel o
combustibile per jet da luce
solare e CO2
Berry et al. US Patent nr. 7981647, 2009.
Semiconduttori per il fotovoltaico
Organici
•  Piccole molecole
(CuPC, C60, …)
•  Polimeri (P3HT,
PVP, …)
Inorganici
•  Si
•  CdTe
•  CuInSe2
•  Cu2ZnSnS4
Celle organiche a giunzione diffusa
eff. >5%
D
A
Problematiche attuali
1.  Ricombinazione all’interfaccia D/A [Cowan, Phys. Rev. B 82 (2010) 245207]
2.  Larghezza spettro di assorbimento
Compromesso sullo spessore:
•  Ricombinazione di trasporto
•  Assorbimento della luce
Problematiche attuali
1.  Ricombinazione all’interfaccia D/A [Cowan, Phys. Rev. B 82 (2010) 245207]
2.  Larghezza spettro di assorbimento
Compromesso sullo spessore:
•  Ricombinazione di trasporto
•  Assorbimento della luce
Problematiche attuali
1.  Free carrier recombination at D/A interfaces [Cowan, Phys. Rev. B 82 (2010) 245207]
2.  Larghezza spettro di assorbimento
eff. 8.3%
[Peet, Nature Materials 6 (2007) 497]
Nanomoduli - concetto
•  Parallel light to current
•  active layer thickness
tradeoff
•  transparent electrode
•  V and mA per cm2
•  Orthogonal light to current
•  no transparent electrodes
•  kV and µA per cm2
•  WLOSS = Rs I2
•  Tandem stack
Sovernigo, Dal Zilio, Tormen et al.,
Proc. 25th EU PVSEC (2010) 743 - 746.
•  sub-wavelength effects
Nanomoduli - concetto
Nanomoduli - fabbricazione
Nanomoduli - nanoimprinting
•  Filling of structures
•  Electrical isolation
•  Encapsulation
P3HT-PCBM (Tg 40°C)
PVA (Tg 80°C)
Nanomoduli - misure
Voc = 968 V !!
…should be 10 kV
Interdigitate
•  High interface area density.
•  No isolated domains.
Silicon master realized at TASC by
anisotropic dry etching of self
assembled block co-polymer templates
Pillar-like structures transferred in a
polymeric electron donor (P3HT) by
thermal imprinting (80°C)
In collaboration with
Dott. Mazzeo (CNR-NNL)
Microlenti per trappole di luce
LILit – Lab. Interdisciplinare di Litografia
Strutture e sistemi per micro e
nano fabbricazione
•  4 camere pulite
•  Beamline litografia raggi-X
•  Litografia UV, elettronica,
ionica, interferenziale...
•  Nano-imprinting, Thunder-NIL
•  Deposizioni e crescite
Fotovoltaico
Dott. Massimo Tormen
Scientist and Group Leader
Tel. 040 375 8416
[email protected]
•  Simulatore solare
•  Efficienza quantica
•  Glove-box e spin-coater
•  Evaporatore organici e metalli
Efficiency trends
Grazie!
Enrico Sovernigo, PhD
CNR-IOM
LILit - NIL group
SS14 km 163.5 Basovizza
34149 Trieste
[email protected]
Nanomoduli - misure
Problems:
•  Uncomplete filling
•  Shunt
•  Duty cycle
Solutions:
•  PET instead of PVA
•  20% duty cycle structure
•  300 nm pitch
Interdigitated D/A interface
•  Uncomplete filling
The core-hole clock