Pannelli FOTOVOLTAICI solari ORGANICI
Le FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI: IL SOLARE FOTOVOLTAICO ORGANICO
La cella solare o fotovoltaica è l’elemento più elementare capace di operare la conversione diretta della luce solare in elettricità ed è in grado di generare sia una corrente che una tensione ai suoi capi, ossia una potenza elettrica. Questo processo richiede:
– (a) un materiale in grado di assorbire una parte della radiazione solare, eccitando elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione (generazione di coppie e-h);
– (b) i portatori di carica generati devono poter essere trasferiti in modo efficiente dalla cella solare nel carico. L’elettrone dopo aver dissipato la propria energia nel carico deve ritornare nella cella.
Come è noto, quando un materiale semiconduttore di tipo “p” viene trovarsi in contatto con un materiale di tipo “n”, si parla di giunzione p-n. A causa della diversa concentrazione di elettroni e lacune nelle due regioni, si origina una corrente di diffusione di elettroni verso la regione di tipo p e di lacune verso la regione di tipo n. Le lacune, che attraversano la giunzione dalla zona di tipo p, si ricombinano con alcuni elettroni nella zona n e, viceversa, alcuni elettroni attraversando la giunzione dalla zona di tipo n, si ricombinano con alcune lacune nella zona p. Queste ricombinazioni determinano la formazione, immediatamente a cavallo della giunzione, di due strati di cariche fisse e di segno opposto con un’assenza di cariche libere. Nelle immediate vicinanze della giunzione verrà a crearsi una zona vuota di portatori (depletion layer) con profondità complessiva Wd , che si estenderà nelle zone N e P in maniera inversamente proporzionale al drogaggio.
Molti materiali e processi potrebbero, in linea di principio, essere utilizzati nella conversione fotovoltaica. In pratica, sono usati solo i semiconduttori attraverso la realizzazione di giunzioni p-n. La generazione di corrente (nota come corrente foto-generata) in una cella solare, richiede due processi distinti:
– 1) generazione dei portatori di carica. Quando la cella è esposta alla luce del sole, solo i fotoni con energia E=hn³Eg saranno assorbiti dal materiale e produrranno coppie e-h. Quelli con energia superiore contribuiscono solo per la porzione di energia pari alla Eg in quanto l’energia del fotone in eccesso è dissipata come calore. I portatori generati (elettroni e buche, rispettivamente, nella regione p e nella regione n della giunzione) sono in condizioni metastabili ossia esisteranno per una durata temporale più o meno breve prima di ricombinarsi. È chiaro che il processo di ricombinazione riduce l’efficienza di conversione della cella e, quindi, la produzione di corrente.
– 2) Separazione e raccolta delle cariche. Il secondo processo è la separazione e la raccolta di queste coppie e-h foto-generate, da parte del campo presente alla giunzione. Se i portatori minoritari foto-generati riescono a diffondere fino alla regione di svuotamento, l’attraverseranno (saranno accelerati dal campo ivi presente) e raggiungeranno l’altra regione del semiconduttore. Se le due regioni della giunzione saranno cortocircuitate tra di loro si produrrà una corrente nel circuito esterno.
La raccolta dei portatori foto-generati non è condizione sufficiente per generare potenza elettrica. Infatti, è necessario che la cella sia in grado di produrre anche una tensione. Il processo di generazione della tensione in una cella solare è noto come “effetto fotovoltaico”.
Si è detto che illuminando una cella solare, si produce una corrente di elettroni verso il lato n della giunzione e di buche verso il lato p. Se la giunzione è cortocircuitata non si creerà alcun accumulo di cariche nel dispositivo poiché queste cariche contribuiranno alla corrente foto-generata (detta di corto circuito, ISC). Viceversa, se la cella non viene collegata ad un circuito esterno, si produrrà un accumulo di portatori nelle due regioni (elettroni nel lato n e buche nel lato p). Questa separazione ed accumulo di cariche nelle due regioni della giunzione genererà un campo elettrico con verso opposto a quello presente alla giunzione, che sarà quindi ridotto in intensità. Poiché, il campo elettrico nella regione di svuotamento costituisce un impedimento al passaggio di corrente di diffusione diretta, la riduzione di questo campo aumenterà la corrente di diffusione. In questo modo, si viene a creare una nuova condizione di equilibrio nella cella, con la generazione di un potenziale elettrico ai capi della giunzione p-n. La corrente generata dalla cella solare è la differenza tra quella foto-generata, e quella determinata dalla polarizzazione diretta. In condizioni di circuito aperto, la polarizzazione diretta della giunzione aumenta sino ad un valore per il quale la corrente foto-generata è perfettamente bilanciata dalla corrente di diffusione (dovuta alla polarizzazione diretta). Il valore di questa tensione in grado di bilanciare esattamente queste due correnti è detta tensione di circuito aperto, VOC.
Usualmente si è portati a pensare che i composti organici non possano condurre corrente elettrica, ed in genere si è abituati a considerarli degli isolanti. Entrambi elettroni e ioni possono essere visti come trasportatori di carica responsabili della conducibilità elettrica nei solidi. Quindi, perché un solido possa condurre corrente elettrica, occorre, che al suo interno siano disponibili degli elettroni mobili, liberi di muoversi. Un metallo è un ottimo conduttore elettrico perché si è in presenza di una parziale sovrapposizione della banda di conduzione con la banda di valenza, consentendo così agli elettroni di muoversi liberamente per tutto il solido. Un isolante è un pessimo conduttore elettrico perché presenta un elevato gap energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione e non potrà condurre corrente elettrica. Quando si è in presenza di un semiconduttore il gap energetico tra la banda di valenza e di conduzione non è eccessivo ed è superabile attraverso due vie :
– per semplice riscaldamento del solido così che all’aumentare della temperatura e quindi delle vibrazioni elettroniche è possibile avere degli elettroni anche nella banda di conduzione.
– attraverso il drogaggio chimico del semiconduttore con opportuni elementi che possano creare nel semiconduttore degli eccessi o delle lacune elettroniche (Il Si drogato con il Boro genera delle lacune elettroniche realizzando un drogaggio di tipo P mentre con l’Arsenico si generano degli eccessi di elettroni realizzando un drogaggio di tipo N).
Le celle solari organiche presentano un vantaggio singolare rispetto a quelle inorganiche: è molto meno costoso produrle. Le celle organiche non richiedono le alte temperature di deposito o l’elaborazione complessa della soluzione dei dispositivi inorganici e possono essere depositate sui grandi substrati flessibili. Le celle possono essere realizzate in diversi colori, in modo da diventare anche gradevoli elementi architettonici; possono anche essere rese trasparenti, così da essere applicabili alle finestre, come tende, che lasciano trasparire una parte della luce, e la rimanente parte può essere riutilizzata come energia elettrica.
Cella singolo strato
La struttura di questo tipo di cella consiste di un unico materiale semiconduttore, per esempio un polimero, tra due elettrodi di diverso materiale. I fotoni possono penetrare all’interno della cella attraverso il contatto trasparente(ITO) ed essere assorbiti dal film organico creando eccitoni. Siccome entrambe le cariche si muovono attraverso lo stesso materiale, le perdite per ricombinazione sono generalmente alte. I fattori principali che inibiscono le più alte efficienze di conversione in dispositivi fotovoltaici composti da un singolo strato costituito da puro polimero, sono la bassa efficienza di dissociazione dell’eccitone e la bassa mobilità dei portatori di carica nel polimero.
Cella a blend
Il punto forte di questo tipo di cella è la grande zona di interfaccia donore-accettore. Il punto debole è chiaramente la forte ricombinazione.
Cella doppio strato
Questo tipo di struttura beneficia del fatto che si hanno due materiali separati per il trasporto della carica, e perciò la ricombinazione si riduce. In contrapposizione si ha una piccola interfaccia donore-accetore in cui può avvenire la dissociazione dell’eccitone dovuta a un rapido ed efficiente trasferimento di carica.
Dispositivo laminato
Questo tipo di cella relativamente recente, rappresenta il tentativo di unificare i vantaggi delle due strutture di celle prima viste. La separazione della carica avviene nella zona centrale (blend) che è ottenuta dopo la laminazione dei due strati separati. Il trasporto della carica può avvenire attraverso lo strato di materiale adatto. Questa struttura presenta inoltre la opzione di trattare separatamente ogni strato (drogaggio, conversione fisico/chimica) prima di formare lo strato centrale (blend) e l’incapsulamento fra i due substrati.
Cella solare ibrida organica/inorganica a struttura nanoparticellare con dye-sensitized (cella Gratzel)
Questo tipo di cella, in contrasto alla cella solare a semiconduttore convenzionale tutto solido, è una cella solare fotoelettrochimica. Essa, infatti, usa un elettrolita liquido o di conduzione ionica di altra fase, come un mezzo di trasporto della carica. In atri termini mentre in una cella solare a giunzione p-n di semiconduttori lo assorbimento fotonico e il trasporto della carica avvengono nello stesso materiale, in questo tipo di cella solare le due funzioni sono separate: i fotoni vengono assorbiti da una molecola definita dye e il trasporto delle cariche avviene nel semiconduttore a struttura nanoparticellare (trasporto degli elettroni) e nell’elettrolita (trasporto delle buche). Questo significa che la ricombinazione può avvenire solo all’interfaccia semiconduttore-elettrolita. Mentre la separazione delle carica nelle celle solari a giunzione p-n di semiconduttori è indotta dal campo elettrico attraverso la giunzione, nessun campo elettrico esiste in questo tipo di cella. La separazione della carica avviene per altro genere di motivi, cinetici(velocità, di ordini di grandezza diversa, con la quale l’elettrone è iniettato nel semiconduttore e la buca neutralizzata dalla molecola della coppia redox) ed energetici all’interfaccia dye-semiconduttore-elettrolita. Questo tipo di cella è un modo originale per aumentare il volume senza favorire la ricombinazione. Gli svantaggi di questo dispositivo sono la corrosione del semiconduttore e l’invecchiamento del dye.
By Ing. Giuseppe Reda – già ricercatore presso Dipartimento di Chimica UNICAL, membro del Patto Vera Scienza
Ecco la presentazione in Power Point di questo articolo, con le relative immagini da scaricare:
Presentazione Reda Fotovoltaico organico
