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  • PLS - Scienza dei Materiali www.pls.scienzamateriali.unimib.it

    1

    Progetto Lauree Scientifiche Scienza dei Materiali - Attività Laboratori Regionali

    Fotovoltaico innovativo

    Unità coinvolte Cagliari, Torino, Milano,Roma

    Breve descrizione degli scopi degli esperimenti

    Il settore di attività sul fotovoltaico innovativo (celle a colorante o celle di Graetzel) affronta il

    tema dell'impiego dell'energia solare per la produzione di elettricità mediante l'utilizzo di celle

    fotovoltaiche a film sottile, in contrapposizione alla tecnologia del silicio cristallino, che, oggi,

    rappresenta la tecnologia predominante a livello commerciale. Dette celle utilizzano coloranti

    organici o ibridi organometallici, anche di origine naturale, legate a supporti inorganici (ossidi) di

    basso costo e facile reperibilità.

    In questo laboratorio si costruirà e si testerà un prototipo di cella di Graetzel utilizzando

    materiali facilmente reperibili ed a costi limitati.

    Fasi

    1) descrizione dei principi di funzionamento della cella solare

    2) preparazione del colorante organico e dell’elettrolita

    3) preparazione dello strato adsorbente (anodo della cella) e del contro elettrodo (catodo)

    4) assemblaggio della cella

    5) caratterizzazione elettrica: misura della tensione di circuito aperto e dell’intensità di corrente di

    cortocircuito in funzione di:

    - densità di potenza di illuminazione

    - sorgenti di luce utilizzate

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    2

    Celle Fotovoltaiche

    Introduzione e background

    Le celle solari convenzionali convertono la luce in elettricità sfruttando l’effetto

    fotovoltaico che ha luogo all’interfaccia (giunzione p-n) tra materiali semiconduttori

    e per questo motivo sono strettamente correlate alla tecnologia del silicio (diodi,

    transistors, circuiti integrati, ecc.). Differentemente, le cosiddette celle solari a

    colorante (dye-sensitized solar cells o DSSC), dette anche celle di Graetzel, dal nome

    del professore di Losanna che le ha inventate, funzionano con un principio diverso,

    in cui la funzione di assorbimento della luce e quella di separazione e trasporto delle

    cariche (elettroni e buche) agli elettrodi vengono assolti da componenti le

    quali,quindi, possono essere ottimizzate in maniera separata. L’assorbimento della

    luce avviene grazie ad uno strato di fotosensibilizzatore o colorante, una molecola

    (organica o organometallica) che viene chimicamente adsorbita sulla superficie di

    nanoparticelle (le dimensioni di queste particelle sono di poche decine di

    miliardesimi di metro, tipicamente 20 nanometri) di biossido di titanio (TiO2)

    interconnesse tra loro a formare un film mesoporoso di alcuni micron di spessore (5-

    15 µm; per confronto un normale nastro adesivo trasparente ha uno spessore di

    circa 100 micron). Il film di ossido conduttore è depositato, tramite tecniche a basso

    costo (serigrafia, deposizione a mano), su un vetro trasparente conduttore, ovvero

    su una lastra di vetro ricoperta da un sottile film di ossido conduttore trasparente

    (transparent conducting oxide, TCO). Il materiale conduttivo più utilizzato a tale

    scopo è l'ossido di stagno drogato con fluoro (FTO). A volte può essere aggiunto un

    secondo strato di TiO2 costituito da particelle più grandi (300-400 nm) che hanno lo

    scopo di diffondere la luce che colpisce il film (scattering) e quindi aumentare

    l’assorbimento della luce da parte del materiale attivo (il fotosensibilizzatore

    colorante). Colpito dalla luce, il colorante passa allo stato energetico superiore dal

    quale trasferisce, facilmente e velocemente, un elettrone al biossido di titanio il

    quale, essendo un buon conduttore, lo trasporta efficacemente fino all’elettrodo (il

    vetro conduttore). In seguito al trasferimento dell’elettrone il colorante rimane

    carico positivamente, ovvero costituisce una carica positiva (buca), che viene

    trasferita ad un composto mediatore che, ossidandosi (cedendo cioè un elettrone),

    trasporta la carica positiva fino all’altro capo della cella, il contro-elettrodo o catodo.

    Esaminando il principio di funzionamento di questa cella, i processi che vengono

    messi in atto ricordano da vicino la fotosintesi clorofilliana, in cui una molecola

    analoga a quelle di sintesi delle celle di Graetzel, la clorofilla, assorbe la luce solare

    innescando il processo fotochimico che trasforma la luce solare in energia chimica.

    Questo paragone fornisce un concreto esempio dell’importanza della relazione tra

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    principi chimici e fisici. Nella fotosintesi, la piante “fissano” l’energia della luce solare

    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 quel ciclo, reversibile e rinnovabile, che sta alla base della vita sulla

    terra:

    La fotosintesi che ha luogo grazie alle piante sulla terra e ai batteri negli oceani

    produce otto volte il fabbisogno energetico dell’umanità: se riuscissimo a convertire

    con un’efficienza del 10% l’energia solare su una superficie appena dell’1% delle

    terre emerse, produrremmo il doppio dell’attuale richiesta di energia elettrica, ma

    sebbene vengano costruite ogni anno celle al silicio per oltre 1 miliardo di Watt,

    nessuna tecnologia ha ancora soppiantato l’uso dei combustibili fossili come fonte di

    energia.

    La cella di Graetzel

    La cella di Graetzel richiama nel suo funzionamento la fotosintesi delle piante:

    (1) usa una molecola, il colorante, analogo alla clorofilla per assorbire la luce e

    produrre un flusso di elettroni. A differenza della clorofilla, tuttavia, le molecole

    utilizzate vengono appositamente ingegnerizzate per assorbire più efficacemente la

    luce solare e convertirla in elettroni;

    (2) usa strati multipli per migliorare l’efficienza sia dell’assorbimento della luce sia

    della raccolta di elettroni.

    Come la fotosintesi, anche la cella di Graetzel è una macchina molecolare che supera

    i confini della tecnologia microelettronica entrando in quel regno che è noto come

    nanotecnologia. Le particelle di dimensioni nanometriche di biossido di titanio (TiO2

    come fase anatasio) vengono distribuite su un vetrino conduttore, ovvero su una

    lastra di vetro ricoperta da un sottile film di ossido conduttore trasparente TCO. Il

    film depositato di biossido di titanio viene quindi asciugato e scaldato ad alta

    temperatura (500 °C; questo processo si chiama sinterizzazione) in modo da formare

    una struttura mesoporosa, con un’altissima area superficiale. Uno strato di molecole

    di colorante viene quindi legato chimicamente (adsorbito) a ciascuna particella di

    TiO2 tramite immersione del vetrino in un bagno del colorante per alcune ore:

    possono essere utilizzati tutti quei coloranti che posseggono i giusti gruppi chimici

    per legarsi al TiO2. Il dispositivo viene infine assemblato chiudendo a sandwich con il

    contro elettrodo e introducendo tra i due elettrodi alcune gocce di una soluzione

    elettrolitica che pervade l’intera cella chiudendo il circuito.

    La presenza dello strato di TiO2 serve ad incrementare enormemente l’efficienza di

    raccolta della luce, disperdendo il colorante su un’area vasta in maniera analoga a

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    quanto avviene per la clorofilla nei cloroplasti. Poiché lo strato di colorante è

    contemporaneamente, molto

    dall’assorbimento della luce sono raccolti dal

    Gli elettroni perduti dalle mol

    dal mediatore, lo ione ioduro

    sua volta elettroni dal contro

    modo da ripristinare il ciclo.

    Le reazioni coinvolte nel processo complessivo sono le seguenti:

    1. colorante neutro in stato di riposo

    eccitato (coppia elettrone-buca)

    2. colorante eccitato + TiO2 →

    3. colorante ossidato + 3/2 I

    ½ I3 -

    4. ½ I3 - + e

    - (contro-elettrodo)

    Le particelle interconnesse di biossido di titanio agiscono da accettori di elettroni, lo

    ione ioduro I - agisce da donatore di elettroni e il colorante funzio

    “pompa” fotochimica. Nella fotosintesi

    dal biossido di carbonio, dall’acqua e dalla clorofilla.

    Figura 1 schematizzazione del funzionamento di una cella solare a colorante

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    avviene per la clorofilla nei cloroplasti. Poiché lo strato di colorante è

    molto sottile, quasi tutti gli elettroni prodotti

    luce sono raccolti dal TiO2 .

    Gli elettroni perduti dalle molecole di colorante vengono velocemente rimpiazzati

    ioduro presente nella soluzione elettrolitica, il quale riceve a

    elettroni dal contro-elettrodo (platino o carbonio su vetro conduttore

    Le reazioni coinvolte nel processo c

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