Esperimenti

Strutture avanzate di semiconduttori funzionali per applicazioni fotovoltaiche ed energetiche

L’attività di ricerca su materiali avanzati per applicazioni energetiche si occupa di due tematiche principali: 1) l’ingegnerizzazione di nanostrutture di ossidi metallici da applicarsi come elettrodi in celle solari di terza generazione e 2) concentratori solari e solar splitting (svolta a Ferrara).
Nello specifico, l’attività di ricerca su strutture innovative di ossidi metallici si occupa della ingegnerizzazione di fotoanodi per celle solari mediante la fabbricazione di network ibridi costrituiti da nanoparticelle di TiO2 e nanotubi di carbonio (o grafene) e sullo studio di ossidi alternativi (ZnO e SnO2) da applicare come elementi trasportatori di elettroni fotogenerati.
Ingegnerizzazione di nanostrutture di ossidi metallici
L’attività di ricerca è finalizzata allo studio e fabbricazione di strutture di ossidi metallici da applicare a fotoanodi in celle solari di terza generazione ad alta efficienza, dette Dye e Quantum Dot Sensitized Solar Cell (celle solari sensitizzate con colorante o quantum dots DSC e QDSC).
Modulando adeguatamente il trasporto elettronico, la conversione dell’energia solare di questi dispositivi può essere aumentata notevolmente, aumentando la vita elettronica delle cariche fotogenerate e riducendo la ricombinazione di tali cariche con l’elettrolita.
In particolare i principali obiettivi della ricerca sono [1]:
-Aumento dell’efficienza di conversione fotovoltaica;
-Studio di materiali alternativi non tossici e a basso costo;
-Studio di nanostrutture quasi unidimensionali (1D) [2,3]
Nel laboratorio SENSOR Lab sono studiate le seguenti tipologie di sistemi fotoelettrochimici:
-Celle DSC basate su fotoanodi con TiO2 policristallino
-Fotoanodi con nanofili di material semiconduttore integrati nell’ossido
-Integrazione di materiali carboniosi 1D e 2D (nanotubi di carbonio e fogli di grafene) in celle DSC (collaborazione attiva con INRS-EMT (Canada) e CNR-IMM (Bologna))
-Studio di materiali alternativi a TiO2 da utilizzare nella struttura del fotoanodo (ZnO e SnO)
-Celle solari sensitizzate con quantum dots
-Nuovi coloranti metal free (collaborazione attiva con CNR-ISMAC (Milano) e CNR-ISTM (Milano))
Il laboratorio SENSOR è equipaggiato con tutta la strumentazione necessaria alla fabbricazione e il test delle celle (simulatore solare, spettroscopia di impedenza e misura dell’efficienza di cella in funzione della lunghezza d’onda (IPCE)).

Integrazione di materiali carboniosi 1D e 2D (nanotubi di carbonio e grafene) in celle DSC.
Un interessante alternativa alle strutture unidimensionali classiche è l’inserimento di nanotubi di carbonio (CNT) e fogli di grafene nelle strutture classiche di fotoanodi composte da TiO2. [4,5]
Nanotubi di carbonio, come altri materiali carboniosi (grafene, ossido di grafene e fullereni) vengono proposti come elementi chiave nel trasporto di carica all’interno di dispositive fotovoltaici poichè favoriscono l’iniezione di carica in questi dispositivi.
Fotoanodi basati su nanotubi di carbonio e TiO2 sono stati sviluppati e testati nei laboratori di SENSOR Lab.

Celle solari a Quantum Dot
Questo tipo di celle solari si basano su l’uso di nanocristalli per catturare la luce e trasferire la carica al fotoanodo [7]. L’uso di questi nanocristalli può essere di notevole impatto nell’ambito della fotoconversione e nella generazione di carica elettrica [8]. Recenti studi teorici indicano questi materiali come i candidati migliori per raggiungere un’efficienza di fotoconversione superiore al 45% [9] grazie a due processi di fotogenerazione: (a) generazione eccitonica multipla (MEG) dovuta all’assorbimento di fotoni con una energia sufficiente; (b) presenza di bande inter-gap che permettono l’assorbimento di fotoni con energia inferior al band gap e la creazione quindi di coppie elettroni-lacuna.
Nel laboratorio SENSOR Lab i nanocristalli vengono cresciuti direttamente nell’ossido che compone il fotoanodo utilizzando una tecnica chimica chiamata SILAR (Successive Ionic Layer Absorption and Reaction).
Una soluzione per aumentare lo spettro di luce assorbita da parte del nanocristallo è l’impiego di nanocristalli che assorbono nella regione vicina all’infrarosso (NIR). La composizione di nanocristalli PbS-CdS è una delle soluzioni migliori per raggiungere tale scopo

Per approfondimento sulle celle di terza generazione vedere i seguenti riferimenti:
[2] 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego , CA , May 11-16, 2008 .
[3] 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Valencia , Spain , September 1-5, 200
[4] Kongkanand, A.; Martínez Domínguez, R.; Kamat, P. V. Nano Lett. 2007, 7, 676−680.
[5] Chan, Y.-F.; Wang, C.-C.; Chen, B.-H.; Chen, C.-Y. Prog. Photovoltaics 2013, 21, 47−57.
[6] Sawatsuk, T.; Chindaduang, A.; Sae-Kung, C.; Pratontep, S.; Tumcharern, G. Diamond Relat. Mater. 2009, 18, 524−527.
[7] J.B. Baxter and E.S. Aydil Appl. Phys. Lett. 2005 , 86 , 053114.
[8] M. Law et al. Nature Materials 2005 , 4 , 455.
[9] A.J. Nozik, Physica E 14, 115 (2002).

Solare a concentrazione e spectral splitting (Ferrara)

I principali temi di ricerca affrontanti dal gruppo di Ferrara sono lo sviluppo di sistemi a concentrazione e sistemi di splittamento spettrale della luce.
Parallelamente allo sviluppo di substrati virtuali in celle InGaP è importante studiare diversi approcci per ottenere convertitori fotovoltaici in grado di operare ad alta efficienza in particolari range spettrali e in condizioni di concentrazione. L’approccio basato su calcogenuri o strutture caratterizzate da confinamento quantico verranno prese in considerazione.
Allo stesso tempo vengono considerati dei convertitori spettrali in grado di operare alle lunghezza d’onda brevi in modo da sfruttare il dispositivo al silicio in lunghezze d’onda più basse. Saranno presi in considerazione come convertitori “spectral down” sistemi a confinamento quantico (per esempio quantum dot) per la loro alta efficienza spettrale con generazione eccitonica multipla (MEG).
Al contrario dei down converter gli up converter, in grado di produrre alta energia da fotoni di energia bassa energia , sarà esplorata considerando che questi processi possono beneficiare alta radiazioni fondenti raggiungibile in concentrazione solare .
Saranno inoltre investigati gli up-converter che a differenza dei down converter producono fotoni ad alta energia da due fotoni di energia più bassa. Questo processo è molto interessante se applicato nel contest dei sistemi a concentrazione, caratterizzati da un elevato flusso radiativo.
L’ingegnerizzazione del concentratore primario e il ricevitore continuerà ad essere sviluppato per massimizzare le prestazioni termiche del pannello e le caratteristiche di trasferimento di energia e del fascio del concentratore .

(sinistra, centro) Schema di due fotoanodi basati su strutture policristalline tradizionali e su strutture innovative basate su nanoparticelle incorporate su array di nanofili. (destra) Spettroscopia di impedenza di due sistemi integrati in DSC.