E.Sovernigo - Fondazione Internazionale Trieste
Transcript
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