Giacomo Gorni - Federchimica

Nanomateriali per i pannelli
fotovoltaici - un esempio di
chemicals per le Fonti Rinnovabili
Ing. Giacomo Gorni
e-mail:giacomo.gorni@tozziholding.com
TRE Tozzi Renewable Energy S.p.A.
LABORATORIO R&D Daunia Solar Cell - Via Balzella 71/B - 47100 Forlì (FC)
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OUTLINE
• Company profile
• Introduzione al fotovoltaico
• La tecnologia delle Dye Sensitized Solar Cells
• I nanomateriali per Dye Sensitized Solar Cells
TRE
TRE -- Tozzi
Tozzi Renewable
Renewable Energy
Energy
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Chi siamo – Tozzi Holding
• TOZZI Holding nasce nel 2007, dopo oltre 50 anni di esperienza nei settori dell'impiantistica
elettro-strumentale, dei quadri elettrici e di strumentazione. Ad oggi si occupa di:
1. Progettazione, realizzazione e manutenzione di impianti elettro-strumentali - Tozzi Sud
SpA
1. Progettazione e realizzazione di quadri
Elettriche SpA
elettrostrumentali - Tozzi Apparecchiature
1. Ingegneria e contracting per oil & gas e power generation - Comart SpA
2. Energie rinnovabili (produzione di energia idroelettrica, eolica - on e off-shore –
fotovoltaica, biomasse e geotermia) - Tozzi Renewable Energy SpA.
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Chi siamo – Tozzi Renewable Energies
T.R.E.– Tozzi Renewable Energy opera nell’ambito della produzione di energia da fonti rinnovabili:
Realizza impianti di produzione
IDROELETTRICO
FOTOVOLTAICO
Produce energia elettrica
EOLICO
Vende energia elettrica
BIOMASSA
Svolge attività di ricerca e sviluppo
400
350
In fase di realizzazione
Potenza installata
300
250
200
150
100
50
0
Mini-idroelettrico
Fotovoltaico
Eolico
Biomassa
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Totale
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Chi siamo – Daunia Solar Cell
• DAUNIA SOLAR CELL è una start-up controllata da T.R.E.– Tozzi Renewable Energy, fondata
nel 2008.
L’obiettivo di Daunia Solar Cell è di sviluppare celle fotovoltaiche di 3° generazione basate sulla
tecnologia Dye Sensitized Solar Cells (DSSC)
L’approccio DSSC prevede l’integrazione di nanomateriali in dispositivi fotoelettrochimici per la
generazione di energia da fonte distribuita.
Daunia Solar Cell ha all’attivo 4 domande di brevetto e un organico di 7 dipendenti.
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IL FOTOVOLTAICO – Prima generazione
MATERIALI
Semiconduttore monocristallino o policristallino ( Si, GaAs, etc...)
Alta qualità, singolo sistema di giunzione
EFFICIENZA
Le celle solari al silicio hanno raggiunto in laboratorio efficienze
vicine al limite teorico (circa 33%, “Shockley-Queisser limit”).
Silicio monocristallino
COSTO
Elevata quantità di energia di produzione e di lavorazione
(embedded energy). Alti costi delle materie prime (bulk Si, bulk
GaAs): evoluzione verso wafers ultra-sottili vicina al limite di
processabilità meccanica. Ottime economie di scala.
SQUILIBRIO DOMANDA – OFFERTA
La produzione di Si mono o policristallino non sufficiente a
soddisfare la domanda.
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Silicio policristallino
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Film sottili
IL FOTOVOLTAICO – Seconda generazione
MATERIALE
Silicio amorfo, silicio micromorfo, CdTe, CIS, CIGS
EFFICIENZA
Molto inferiore alla prima generazione circa 8-16 %
COSTO
Nelle celle solari a film sottile, dette di seconda generazione, la
quantità di materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella
usata per i moduli cristallini ed è una parte trascurabile del costo
totale; il substrato è un vetro comune a basso costo.
Maggiori costi di impianti produttivi ma possibilità di realizzare
direttamente moduli solari, anziché semplici celle.
Film sottile
(tegola PV)
DOMANDA/OFFERTA
Quota del mercato globale pari al 10% e in continuo
accrescimento
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IL FOTOVOLTAICO – Celle di terza generazione
MATERIALE
Celle solari ad alta efficienza (e.g. GaAs multigiunzione) con sistemi
di concentrazione ad inseguimento mono o bi-assico
Celle organiche (fullereni)
Celle ibride organiche-inorganiche (dye sensitized solar cells, DSSC)
Celle con up/down conversion spettrale
Solare a concentrazione
Celle a quantum dots (QD).
Celle organiche
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IL FOTOVOLTAICO – Quadro generale efficienza
“Organic-Based Photovoltaics:Toward Low-Cost Power Generation” -MRS Bulletin 30, 2005
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IL FOTOVOLTAICO – Celle DSSC
DSSC (3° generazione)
MATERIALE
Combinazione di materiali organici ed inorganici.
Supporto vetroso, catodo (Pt), anodo (nanobiossido di titanio),
elettrolita, sigillante, colorante.
EFFICIENZA
5-12%
COSTO
Materie prime di costo inferiore rispetto ai precedenti.
Tecnologia di produzione ampiamente sviluppata in altri settori
industriali (serigrafia)
Costi di produzione 1/5 rispetto alla produzione di silicio amorfo
Celle DSSC
DOMANDA/OFFERTA
Daunia Solar Cell ha come obiettivo imminente la prototipazione
di celle DSSC e loro introduzione nel mercato fotovoltaico
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IL FOTOVOLTAICO – Perché utilizzare tecnologia DSSC
1. Produzione di pannelli solari a costo più basso, grazie al basso costo dei processi coinvolti
nell’ottenimento delle molecole organiche attive e dei nano ossidi impiegati rispetto al
silicio;
2. Utilizzo di materiali ecocompatibili: basso impatto ambientale dell’industria fotovoltaica;
3. Possibilità di realizzare dispositivi fotovoltaici di spessore ridotto in virtù dell’elevato
coefficiente di assorbimento delle molecole organiche;
4. Possibilità di costruire dispositivi ultraleggeri su substrati plastici flessibili;
5. Diminuzione del payback time (per i pannelli al silicio è pari a 2-3 anni), dovuto al basso
costo delle tecniche di produzione che prevedono l’impiego di tecnologie consolidate a
basso consumo energetico (almeno un ordine di grandezza inferiore rispetto alla
tecnologia basata sul silicio);
6. Integrazione architettonica delle DSSC: BiPV (Building Integrated Photovoltaics).
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IL FOTOVOLTAICO – DSSC - Inventore
Swiss Federal Institute of Tecnology Lusanne
Michael Graetzel
Il processo di funzionamento ricorda molto la fotosintesi clorofilliana: l’energia della luce solare è
“fissata” in legami chimici presenti in molecole organiche complesse, i carboidrati, che assunti e
bruciati da piante e animali, rilasciano nell’atmosfera biossido di carbonio completando un ciclo
reversibile e rinnovabile: H2O + CO2 + energia carboidrati + O2
La fotosintesi da piante sulla terra e batteri negli oceani produce otto volte il fabbisogno
energetico dell’umanità
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Film sottili
CELLE FOTOVOLTAICHE – DSSC Principi e funzionamento
Elettrodo di lavoro: Nano biossido di TiO2
Colorante: Molecola metallorganica (complessi al Rutenio) o totalmente organica
Sostanza di trasporto e-: Elettrolita liquido o gel a a base della coppia I-/I3Controelettrodo: Catalizzatore al Pt o carbonio
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Film sottili
CELLE FOTOVOLTAICHE – DSSC Principi e funzionamento
L’intero ciclo operativo è riassunto dalle seguenti reazioni chimiche:
• Anodo (elettrodo di lavoro):
S + hν → S* Assorbimento
Colorante + Luce Colorante eccitato
S* → S+ + e- (TiO2) Percolazione
Colorante eccitato + TiO2 e-(TiO2) + Colorante ossidato
2S+ + 3I- → 2S + I3- Rigenerazione Colorante ossidato + 3I- Colorante + I3Il colorante fotosensibile viene eccitato dalll’assorbimento
di un fotone, corrispondentemente sia ha che l’elettrone
compie un salto in energia, passando da un orbitale
molecolare di tipo Homo ad uno Lumo.
• Catodo (contro-elettrodo):
I3- + 2e- (Pt) → 3I-
L’elettrone eccitato in banda di conduzione del colorante
viene catturato dal vicino semiconduttore (TiO2) la cui
banda di conduzione è appena più bassa dell’orbitale
Lumo del colorante (0,2÷0,3V). Ciò permette una facile
cattura da parte del TiO2 dell’elettrone eccitato.
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IL FOTOVOLTAICO – Materiali per DSCC
Vetro conduttivo
Elevata trasparenza, TCO [ITO (In2O3: Sn) ; FTO(SnO2:F)]
Nano biossido di titanio – TiO2 (semiconduttore)
Facile sintesi, forma cristallina prevalente Anatase, alta area superficiale
Dye
Fotosensibile e deve legarsi alla titania senza essere degradato
può modificare in modo significativo l’efficienza di una cella
responsabile della colorazione finale, fattore determinante per integrazione nell’edilizia.
Elettrolita
Coppia redox per ridurre il dye ossidato, generalmente si utilizza la coppia ioduro/trioduro
Inerte con i componenti della cella in cui entra a contatto e poco volatile
Sigillante
Film polimerico resistente all’elettrolita e agli agenti esterni alla cella
Controelettrodo
Pt oppure Carbonio
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IL FOTOVOLTAICO – Nano biossido di titanio – TiO2
R1
condensazione
R
R
idrolisi
ΔT=110°C
nano particelle
Cooling system
thermoregulatory
Ad una veloce nucleazione segue un
lento accrescimento
Stirred
Suspension
Heating plate
•Crystalline powder (anatase phase 98%)
• Elongated particles with nanometer size
•Synthesis scaled up to 100 litres
Patent filed WO2009/101640 A1
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IL FOTOVOLTAICO – Nano biossido di titanio – TiO2
Caratterizzazione chimico fisica delle nano-particelle ottenute
1. TEM
CUBIC LIKE
ROD LIKE
50 nm
Densità apparente:
0,92 g/cm3
Area superficiale (BET) :
150-200 m2/g
(dopo calcinazione a 400°C)
Dimensione agglomerati
d10: 0,51 μm
d50: 3,04 μm
d90: 15,10 μm
TiO2 BAC04
1000
2. XRD
900
800
Lin (Counts)
700
600
500
400
300
200
Anatase >98% wt/wt
100
0
5
10
20
30
40
50
60
70
2-Theta - Scale
TiO2 BAC04 - File: TiO2_BAC04.raw - Type: Locked Coupled - Start: 5.000 ° - End: 75.000 ° - Step: 0.02 0 ° - Step time: 2. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 9 s - 2-Theta: 5.000 ° - Theta: 2.500 ° - Chi: 0.00 ° 00-021-1272 (*) - Anatase, syn - TiO2 - Y: 107.79 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.78520 - b 3.78520 - c 9.51390 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - 4 - 136.31
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IL FOTOVOLTAICO – Deposizione pasta Tio2
•Deposizione tramite spatola (Doctor Blade coating)
La deposizione tramite spatola (tecnica Doctor Blade) consiste nel versare poche gocce del
semiconduttore sotto forma di pastella semiliquida su un vetrino ottico stendendola
velocemente e possibilmente in una sola passata utilizzando il taglio di una spatola.
Ovviamente la tecnica risulta essere abbastanza grossolana il cui limite maggiore, la
disomogeneità dello strato depositato, è tutto dovuto alla manualità della tecnica.
•Deposizione tramite spray (Spray coating)
La deposizione tramite spray avviene utilizzando un aerografo di piccole dimensioni che
permette una dispersione ben controllata sul veto ottico del semiconduttore posto
nell’aerografo sotto forma di pastella abbondantemente diluita. Lo strato così ottenuto risulta
essere abbastanza uniforme.
•Deposizione tramite screen printing (Screen Printing coating)
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IL FOTOVOLTAICO – Nanoparticelle: polvere o sospensioni?
Preparation of liquid dispersions of nanoparticles
Spray-dry method
Precipitation and washing
240°C/N2/Air
Preparation of microsphere
filtration
milling
Powders 10-40 µµ size
rounded shape
Better conditions
of application
Particles 5-500 nm size
aggregates
Paste obtained from suspensionwithout a drying process:
we avoid diffusion of nano-particles in the surrounding environment
1. Industrial scale up with reduced environmental impact
2. Lack of irreversible aggregates
3. Cost reduction
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IL FOTOVOLTAICO – Layer di nanoparticelle: trasparenzaitanio – TiO2
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IL FOTOVOLTAICO – Nano biossido di titanio – TiO2
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IL FOTOVOLTAICO – Processo di lavorazione semi-industriale
STAMPAGGIO
ASSEMBLAGGIO
SINTERIZZAZIONE
PRESSATURA
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IMPREGNAZIONE
TEST DURATA
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IL FOTOVOLTAICO – Esempi di applicazioni di DSSC
Konarka
PAPI Toyota Dream
House – Aisin Seki
DyeSol Australia
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IL FOTOVOLTAICO
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
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