Energia solare: la ricerca eni - Roberto Fusco Istituto eni - Donegani Pavia, 17/05/2012 Collegio Borromeo
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Energia solare: la ricerca eni Roberto Fusco Istituto eni – Donegani Pavia, 17/05/2012 Collegio Borromeo
Outline L’energia solare I dispositivi per lo sfruttamento dell’energia solare Le attività di ricerca dell’eni sull’energia solare Solare termodinamico a concentrazione Celle polimeriche Celle ibride Scissione fotoelettrochimica dell’acqua Concentratori solari luminescenti
Fonti di energia rinnovabile: disponibilità
Idroelettrica Geotermica
Consumo
Solare Vento
globale
Problemi dello sfruttamento dell’energia solare
• diffusa
• intermittente
• deve essere trasformata e accumulata per essere utilizzata:
queste trasformazioni implicano notevoli perdite!
Distribuzione dell’energia solare nel mondo
Valori di picco: da 500 a 2200 kWh/m2
Valori medi annui: da 40 a 400 kWh/m2
Conversione dell’energia energia solare
Generalmente i dispositivi per lo sfruttamento dell’energia solare
utilizzano trasformazioni termodinamiche, fotoelettriche o
fotoelettrochimiche.
I dispositivi fotoelettrici si basano sulla conversione di fotoni in coppie
buca/elettrone attraverso meccanismi di fotoeccitazione e
trasferimento elettronico
In questi tipi di dispositivi gli elettroni trasferiti possono generare una
corrente elettrica, una reazione di ossidoriduzione o una
combinazione dei due processi.
La formazione di coppie buca/elettrone avviene all’interfaccia tra due
materiali (giunzione) caratterizzati da differenti proprietà
elettroniche: un donatore di elettroni (D) e un accettore di elettroni
(A). La giunzione è responsabile della trasformazione del flusso di
fotoni in flusso di elettroni.
La materia è fatta di atomi
Gli atomi sono costituiti da nuclei carichi positivamente
circondati da particelle cariche negativamente: gli elettroni.
Questi si distribuiscono intorno al nucleo occupando orbitali
atomici diffusi caratterizzati da diverse forme ed energie
E
vuoti
pieni
Orbitali atomici Livelli energetici
Nucleo atomico
Come si legano gli atomi: il legame chimico
E orbitali
molecolari
elettrone
A
B
A A
D
Linus Pauling
1920-1939 orbitali C
atomici
Quando due o più atomi si avvicinano tra loro
possono interagire scambiandosi elettroni. D
In tal modo si formano i legami chimici che
stabilizzano questi aggregati e permettono la
formazione di molecole e materiali.
Cosa succede quando si legano molti atomi?
atomo molecola nanoparticella solido
n=1 2 - 1000 10000 - 100000 1023
E
bande
orbitali
Numero crescente di livelli elettronici
Proprietà elettriche dei solidi
Conduttore Semiconduttore Isolante
E
Banda di conduzione
vuota
Banda proibita
ΔE
Banda di valenza
piena di elettroni
Esempi: Metalli Silicio Diamante
ΔE = gap energeticoInterazione tra luce e semiconduttori: assorbimento di fotoni
Nessun
assorbimento Assorbimento
Fotone
e- e- ΔE
+ +
E = hν > ΔE
Vengono assorbiti solo i fotoni che hanno energia superiore al gap!
L’energia assorbita viene poi o emessa sotto forma di fotoni (fluorescenza,
fosforescenza) o dissipata sotto forma di calore.
I fotoni non assorbiti attraversano il materiale che risulta trasparente.I semiconduttori intrinseci e drogati
Si Si Si Si Si Si Si Si Si
e- e-
Si Si Si Si Si Si Si
Si Si Si Si Si Si Si Si Si
Es. B Es. P, As
Banda di
e- e- e-
conduzione
+ + +
e- e- e-
+ + +
Banda di
valenza
Semiconduttore Semiconduttore Semiconduttore
intrinseco drogato p drogato nLa giunzione p-n
p n p n
e-
e- e-
e-
+ + +
- +
Semiconduttore
drogato p Semiconduttore Giunzione p-n
drogato n
Diodo:
gli elettroni possono fluire
solo dal semiconduttore p
al semiconduttore nCome funziona una cella fotovoltaica
Griglia di contatto anteriore
Semiconduttore n
Semiconduttore p
Conduttore elettrico posteriore
Supporto
e- e-
e-
Metallo e-
e-
e-
Voc
+ +
Metallo
Semiconduttore p Semiconduttore n
Donatore AccettoreInterazione dei fotoni con i semiconduttori
Eccitazione Stato Rilassamento
eccitato
E
primo livello energetico vuoto LUMO
hν
ΔE* Assorbimento Emissione
hν
ultimo livello energetico pieno HOMO +
ΔE∗ = Gap
Giunzione
Interfaccia Interfaccia Interfaccia
Donatore Accettore Donatore Accettore Donatore Accettore
Fotone
ΔE
+ +
materiale
fotoattivo
+ −
ΔE = differenza di potenziale sfruttabile per produrre corrente elettrica o reazioni elettrochimicheR&D eni sull’energia solare
Energia
solare
Solare Concentratori
termodinamico Concentrazione Solari
a concentrazione Luminescenti
Celle solari Celle solari
ibride Conversione polimeriche
H2 da H2O
Stoccaggio per scissione
fotoelettrochimicaSolare termodinamico a concentrazione
CSPCSP (Concentrating Solar Power)
Obiettivi: 1) concentrazione della radiazione solare
2) conversione in energia termica ad alta temperatura
3) conversione in energia meccanica e quindi elettrica
Diverse tecnologie:
Collettori parabolici lineari
Sistemi a torre Dischi parabolici
Collettori lineari FresnelCSP (Concentrating Solar Power)
Attività in corso presso l’Istituto eni Donegani:
¾ sviluppo di componenti originali:
- coating selettivi per tubi ricevitori (collaborazione con VeTec e Università di
Pavia - Dip. Elettronica)
- fluidi termovettori
- collettore parabolico (collaborazione con MIT)
¾ progettazione impianto pilota a collettori parabolici lineari come unità
di testing
Impianto SEGS (California)Record di efficienza delle celle fotovoltaiche
Celle solari polimeriche
Polimeri semiconduttori
I polimeri semiconduttori sono caratterizzati
dalla presenza di doppi legami coniugati nella
catena principale. Questo provoca un
delocalizzione elettronica e una diminuzione
dell’energia del gap.
10.00
8.00
6.00
4.00
GAP
2.00
E (eV)
0.00
-2.00 LUMO
-4.00
HOMO
-6.00
-8.00
-10.00
0 2 4 6 8 10 12
Numero di doppinlegami coniugatiCelle solari polimeriche
Scopo
Sviluppo di celle solari basate su composti organici e polimerici nanostrutturati
Attività hν
Progettazione e sintesi di materiali polimerici
HOMO
LUMO
LUMO
nanostrutturati e-
SOMO
Progettazione e assemblaggio di celle solari
Valutazione della stabilità e della scalabilità
R
N
Donatore
N N
X
Anodo
-
+
Catodo
AccettoreCelle solari polimeriche: il meccanismo
E
e- Elettrodo
-
e
Elettrodo
trasparente
Donatore
Accettore
Nelle celle solari polimeriche i materiali fotoattivi donatore e
accettore si interpenetrano e le coppie buca-elettrone che
si generano all’interfaccia sono raccolte dagli elettrodiCelle solari polimeriche: attività e risultati
Avviata una collaborazione con il centro di eccellenza
finlandese VTT (Technical Research Centre of Finland) per lo
sviluppo di processi di stampa continui tipo roll-to-roll, per
la realizzazione di celle fotovoltaiche polimeriche utilizzando
materiali proprietari eni
• Realizzate le prime celle solari organiche (convenzionali
e inverse) stampate su substrato flessibile e incapsulate
(“sheet process”)
• Effettuati test preliminari di stampa con tecniche
diverse (e.g. rotocalco), per configurazioni innovative
delle celle solari.
•Realizzate le prime prove di stampa in continuo di
polimeri fotoattivi.Celle solari ibride:
Dye Sensitized Solar Cells
(DSSC)Celle solari ibride - DSSC
Supporto
Elettrodo
Elettrolita
Colorante
TiO2
Elettrodo trasparente
Vetro
Rappresentano un modo per sviluppare celle FV senza silicio
Ottenibili con diversi assorbimenti e colori, semplici da realizzare, a basso costo
Scopo
Sviluppo di celle solari basate su nuovi coloranti e materiali nanostrutturati
Attività
Progettazione e preparazione di nuovi coloranti, materiali, elettroliti ed
elettrodi nanostrutturati
Progettazione e assemblaggio di celle
Valutazione della stabilità e della scalabilitàDye Sensitized Solar Cells: il meccanismo
Colorante
E
e-
Elettrodo e-
trasparente Elettrodo
3/2 I- + h+ ½ I3-
Donatore
TiO2
Accettore
Nelle celle solari ibride il colorante assorbe la luce e inietta
l’elettrone eccitato nella banda di conduzione dell’ossido di
titanio. La buca creata sul colorante provoca l’ossidazione
reversibile dello ioduro a iodato.Dye Sensitized Solar Cells - DSSCs
Attività
Coloranti
Sintesi e sviluppo di
Variazione della morfologia e coloranti
dll’area superficiale della TiO2
TiO2 Elettrolita Nuove fornulazioni di
elettroliti liquidi
Tecniche di stampa Elettrodi
Sviluppo di nuovi
elettrodiScissione fotoelettrochimica dell’acqua
Scissione fotoelettrochimica dell’acqua (Photosplitting)
Scopo
Stoccaggio dell’energia solare sotto forma di idrogeno
Attività
Sviluppo di materiali per celle fotoelettrochimiche
Progettazione di sistemi combinati e/o integrati
e e
O2 e e H2
H2 + ½ O2 H 2O
H2O
Photoelectrochemical
Cella cell
fotoelettrochimica Hydrogendell’idrogeno
Stoccaggio storage Cella Fuel cell
a combustibileIl meccanismo
Una tipica cella fotoelettrochimica
e-
E
Catodo
elettrodo H+ + e- ½ H2
H2O
ΔE =1.23 eV
Elettrodo
trasparente
½ H2O + h+ H+ + ¼ O2
Fotoanodo Catodo
in platino
Fotoanodo
Reazione critica! O2 H2
La fotogenerazione di idrogeno da acqua rappresenta
una promettente via per catturare e immagazzinare
l’energia solareFotoanodi nanostrutturati
WO3-anodico
WO3 – solgel Fe2O3 + Ti –spray TiO2-anodico 20-100 nm
20-80 nm 20-60 nm 20-80 nm Area max. 50 cm2
Area max. 100 cm2 Area max. 100 cm2 Area max. 110 cm2Test fotoelettrochimici
ventilatore
fuel cell
Tubo H2
Simulatore solare AM1.5
spot d=15 cm
Evoluzione di O2
al fotoanodo
Evoluzione di H2 Compartimento
fotoanodo Compartimento
al catodo
pH=14 catodico
pH=0Materiali fotoattivi
Concentratori solari luminescenti (LSC) Scopo Conversione spettrale e concentrazione della radiazione solare Attività Sviluppo di convertitori di spettro Progettazione e realizzazione di LSC basati sui convertitori di spettro
Come è fatto un concentratore solare luminescente?
RADIAZIONE SOLARE INCIDENTE
Lastra trasparente
Cella fotovoltaica UV IR
IR
VIS
VIS IR IR
Sostanza fluorescente
RADIAZIONE TRASMESSA
Concentratore solare luminescente (LSC)Diffusione della luce e guida d’onda
2
⎛n ⎞
fotoni η g = 1 − ⎜⎜ a ⎟⎟ Lastra trasparente
incidenti ⎝ nm ⎠
n=1
12.5% Cella solare
75%
fotoni
diffusi n = 1.5
12.5%
Particelle disperse in una lastra trasparente sono in grado diffondere la luce.
La luce diffusa può essere catturata all’interno della lastra, sfruttando il fenomeno
della riflessione totale interna, e concentrata ai bordi dove sono poste celle
fotovoltaiche.Il fenomeno della riflessione totale interna
Un raggio laser riflesso dalle superfici di una lastra trasparenteIl problema della diffusione della luce
fotoni
incidenti Lastra trasparente
12.5% Cella solare
75%
fotoni
diffusi
12.5%
Se la luce diffusa all’interno della lastra incontra altre particelle,
viene dispersa e non può essere concentrata ai bordi.
Come risolvere il problema?Molecole fluorescenti come convertitori di spettro
fotoni
incidenti hν1
12.5% Cella solare
75% hν2
fotoni
emessi
12.5%
Molecole fluorescenti agiscono da convertitori di spettro: assorbono ed
emettono fotoni a diversa frequenza. Quando i fotoni emessi da una
molecola di colorante diffondono nella lastra, non vengono assorbiti se
incontrano un’altra molecola dello stesso colorante.
In questo modo la luce emessa può essere concentrata ai bordi dove sono
poste le celle fotovoltaiche.Come funziona una molecola fluorescente?
Fluorescenza:
Energia hν => hν + calore
Assorbimento ed emissione di un fuoroforo
Fluoroforo
hν
hν
Lunghezza d’onda λ (nm)
Posizioni dei nucleiDove assorbe il silicio?
Lunghezza d’onda λ (nm)
Le celle solari a base di silicio assorbono la radiazione visibile
e parte della radiazione infrarossa.Come si realizza un LSC
Le molecole fluorescenti
vengono depositate sulla
superficie o disperse all’interno
di una lastra di materiale
trasparente.
Ai bordi della lastra vengono
posizionate le celle solari.
La luce incidente sull’ampia
superficie della lastra viene
parzialmente assorbita dalle
molecole fluorescenti.
La luce emessa viene
concentrata sulle celle
fotovoltaiche poste ai bordi.
In tal modo si ottiene la
Realizzazione di un prototipo di LSC concentrazione della luce.LSC eni
Vantaggi e applicazioni dei LSC
1. Concentrazione della luce solare = riduzione dei costi di investimento.
2. Concentrazione spettralmente selettiva = riduzione del surriscaldamento delle celle FV
3. Sfruttamento della radiazione diffusa = stazionamento fisso e buona efficienza anche in
condizioni di cielo nuvoloso
4. Ottimizzazione dell’accordo spettrale = miglior sfruttamento delle celle FV
5. Pannelli FV trasparenti
6. Pannelli FV caratterizzati da superfici curve.
Potenziali applicazioni:
- lastre fotovoltaiche trasparenti
- pannelli fotovoltaici opachi.
Questi dispositivi possono trovare ampia applicazione nel settore dell’edilizia,
(Building Integrated PhotoVoltaics, BIPV), per il quale si prevede un forte
sviluppo nei prossimi anni.I risultati della ricerca eni sulle lastre fotoattive
Identificati nuovi coloranti fluorescenti
Messi a punto sintesi e processi originali
Depositati 11 brevetti
Realizzati prototipi di vari colori e dimensioni fino a 120 x 70 cm2Che caratteristiche devono avere i coloranti ideali per LSC?
Elevato coefficiente di assorbimento
Esteso intervallo spettrale di assorbimento
Elevata resa di fluorescenza
Lo spettro di emissione deve essere “accordato” con la
risposta spettrale ottimale della cella fotovoltaica
La sovrapposizione tra bande di assorbimento e di emissione
deve essere trascurabile
E
A
UV Vis IR λTre tipi di dispositivi basati sui LSC
Finestre fotovoltaiche trasparenti incolori
(bassa potenza) A E
λ
Finestre fotovoltaiche trasparenti colorate
(media potenza)
A E
λ
Pannelli fotovoltaici opachi
(alta potenza) A E
UV Vis IR λ
Ideali per l’integrazione in edifici! A = assorbimento
E = emissioneEsempio di colorante per finestre trasparenti incolori
5
1.5x10 8
5 7
350 nm 460 nm
D0 F2
613
6
5 λecc = 350 nm
1.0x10
λecc = 460 nm
PL Intensity (a.u.)
PL Intensity (a.u.)
λem = 613 nm
4
4
5.0x10
2
7 5
F0 D2
460
0.0 0
300 400 500 600 700 800
Wavelength (nm)Esempio di coppia di coloranti per lastre trasparenti gialle
Assorbimento Emissione Assorbimento Emissione
colorante 1 colorante 1 colorante 2 colorante 2Prestazioni prototipi
Realizzate lastre fino a 110 x 70 cm2
Energia assorbita 25%
Trasparenza 50%
Guadagno di potenza per unità di IR
superficie di silicio: 2.5
Potenza (non ottimizzata) per unita’ di superficie della lastra 15 W/m2Impianto dimostrativo: alimentazione ferrovie tedesche
Impianto dimostrativo
Realizzazione di una pensilina dotata di lastre fotoattive (concentratori
solari + celle fotovoltaiche) a Roma nella sede eni R&M di via
Laurentina entro il 2012
Dimensioni: 5 m x 12 m
Potenza effettiva
della superficie attiva 500 WPossibili esempi applicativi Palazzo dei Congressi Saia Barbarese Topouzanov architectes Montréal, Québec 2003
Possibili esempi applicativi Federal Environmental Agency Sauerbruch Hutton Dessau, Germania 2005 Edificio per Uffici 18.000 mq
Possibili esempi applicativi Mineral Bath Extension and Renovation Behnisch & Partner Bad Elster, Germany 1999
Sviluppi futuri: nuovi coloranti fluorescenti
Limiti teorici di rendimento di LSC basati su celle al Si monocristallo
ρ W/m2 100
80
60
Acλw
Harvesting ( λ)
75%
Harvesting ( λ)
100%
Acλp
40
Rosso 30 W/m2
20 Giallo 20 W/m2
Eu (2)
0
200 300 400 500 600 700 800 λ (nm)
λ
Finestra Finestra Pannello
nm
incolore colorata opacoSviluppi futuri: sistemi multilastra
Celle solari ottimizzate
con differenti risposte
spettraliSviluppi futuri: altri tipi di conversione spettrale
Down-conversion Up-conversion
1.4
1.2
1
0.8
Ω( λ )
9
10
0.6
0.4
0.2 UV IR
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
λ
Downconversion (DC): nm
Upconversion (UC):
hν => hν1 + hν2
hν1 + hν2 => hν
hν1
hν1
hν
hν2
hν
hν2Sviluppi futuri: sistemi antenna ispirati dalla fotosintesi
I ricercatori coinvolti nel progetto Luigi Abbondanza Modellazione molecolare Andrea Alessi Caratterizzazioni spettroscopiche Luciano Caccianotti Caratterizzazioni optoelettroniche Liliana Gila Preparazione materiali Emilio Lucchelli Brevetti Giacomo Ottimofiore Realizzazione lastre Claudio Piazzon Realizzazione dispositivi Antonio Proto Realizzazione lastre Mario Salvalaggio Caratterizzazioni spettroscopiche Samuele Santarelli Sintesi coloranti Petra Scudo Modellazione dispositivi Daniele testa Sviluppo prototipi
Collaborazioni nazionali e internazionali
Questo progetto viene svolto anche avvalendosi di numerose collaborazioni
con enti accademici e di ricerca nazionali e internazionali
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