Preparazione celle di Graetzel tesina

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Indice

Introduzione Pag. 3

1. Alle basi delle celle Pag. 3

Il Sole…

 …Il Corpo Nero…

 …Effetto Termoionico e Fotoelettrico



2. Celle al Silicio Pag.5

3. Celle sensibilizzate da colorante

(o celle di tipo Graetzel) Pag. 6

4. Celle ai Nanotubi di Carbonio Pag. 8

Il carbonio e le sue forme allotropiche

 Meccanismi di crescita dei nanotubi

 Creazione delle celle con nanotubi di carbonio

 2

Introduzione

Quanto scritto in questa tesina è il frutto di un’esperienza trascorsa

presso il Dipartimento di Fisica dell’Università della Calabria. Ho lavorato

in un progetto denominato “Stage in Università” all’interno del modulo di

scienze dei materiali per la Conversione Fotovoltaica diviso in due

sessioni: la prima svoltasi nel mese di giugno 2012 (Stage Estivo) e la

seconda nel mese dio febbraio 2013 (Stage Invernale). Nelle due fasi, in

collaborazione con Professori e Ricercatori del Dipartimento di Fisica,

abbiamo analizzato due tipi di celle fotovoltaiche che hanno un differente

principio di funzionamento: celle solari organiche sensibilizzate da

colorante (Dye Sensitized Solar Cell, DSSC) e celle inorganiche,

modificate con nanotubi di carbonio. Grazie alla vicinanza con l’ambiente

universitario ho vissuto una bellissima esperienza in stretto contatto con

la ricerca scientifica. Tutto ciò che abbiamo imparato nelle lezioni

teoriche è stato applicato nella costruzione delle celle e nella verifica del

.

loro funzionamento

1- Alla base delle celle

Il Sole



Il Sole è una stella di II generazione. Le sue caratteristiche principali sono

dettate dalla sua piccola massa e dal un lento consumo dell’idrogeno nel

nucleo. Esse gli hanno garantito una longevità che ha permesso la vita

nel pianeta Terra. E’ infatti il corpo celeste più importante del Sistema

Solare perché dall’energia che irradia dipendono clima, luce, cicli

biologici e indirettamente anche la vita umana.

La Terra fa parte del Sistema Solare che è costituito da un insieme di

corpi che risentono dell’attrazione gravitazionale esercitata dal Sole

stesso. Esso ha una temperatura esterna di poco inferiore ai 6000 K.

Il Corpo nero



Un corpo nero è un oggetto in grado di assorbire tutte le radiazioni di

qualsiasi lunghezza d'onda che ricadono sulla sua superficie senza

deviarle e di emettere onde elettromagnetiche di diversa lunghezza

d’onda.

Il Sole si comporta da corpo nero perché le frequenze emesse sono

approssimabili a quelle del corpo nero. Infatti il centro del Sole è sede di

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reazioni nucleari che emettono fotoni. Essi pur viaggiando alla velocità di

300.000 km al secondo, devono subire migliaia di miliardi di scontri con

gli altri atomi contenuti nel sole. Questi urti fanno sì che i fotoni prodotti

nel nucleo dalle reazioni nucleari raggiungano la superficie solare dopo

diverse migliaia di anni. D’altronde, se il Sole liberasse all’istante tutta

l’energia prodotta essa sarebbe insostenibile, provocando una

.

perturbazione dell’equilibrio del Sistema Solare

Effetto termoionico e fotoelettrico



L’effetto fotoelettrico e l’effetto termoionico costituiscono due modalità

differenti per estrarre un elettrone da un metallo o semimetallo.

L’energia minima che occorre compiere per completare la fuoriuscita

funzione lavoro lavoro di

della particella dal metallo viene definita o

estrazione. Si utilizza come unità di misura l’elettronvolt (eV) che

coincide con l’energia acquistata da una carica con modulo pari alla

e,

carica elementare quando è accelerata da una differenza di potenziale

di un volt.

-Effetto termoionico

L’effetto termoionico consiste nell’estrazione di elettroni da un metallo

mediante riscaldamento. Infatti l’aumento della temperatura è

strettamente legato l’aumento dell’energia cinetica media degli elettroni.

Un elettrone riesce a “sfuggire” dal metallo se acquista un’energia

superiore a quella necessaria per compiere il lavoro di estrazione.

-Effetto fotoelettrico

L’effetto fotoelettrico consiste nell’estrazione di elettroni da un metallo

mediante illuminazione. Considerando la natura corpuscolare della luce,

quindi sapendo che essa è costituita da fotoni (pacchetti di energia),

quando il metallo viene illuminato gli elettroni si eccitano. Se l’energia

dei fotoni incidenti è maggiore di quella necessaria per compiere il lavoro

di estrazione allora l’elettrone riesce a sfuggire verso l’esterno.

Questo effetto viene sfruttato per il funzionamento delle celle solari.

2- Le celle al Silicio

Le celle solari che vengono impiantante nei giorni odierni sono

principalmente costituite dal silicio (semimetallo). Esse vengono anche

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definite celle solari standard. Il Silicio, se opportunamente trattato, riesce

a condurre ottimamente la corrente elettrica. Per aumentare la

conducibilità del conduttore viene effettuato il drogaggio (o doping) del

semimetallo. Questa tecnica consiste nell’introdurre all’interno del

reticolo cristallino del silicio un atomo di boro o di fosforo. Infatti, se nel

reticolo cristallino del silicio mettiamo un atomo di boro (drogaggio di

tipo p) che possiede tre elettroni di legame (trivalente), questo funge da

accettore di carica. Si forma una lacuna in uno degli atomi vicini del

reticolo e si ottiene un abbassamento dell’energia della banda di valenza.

Se, invece, nel reticolo inseriamo un atomo di fosforo (drogaggio di tipo

n) che ha cinque elettroni esterni (pentavalente) come risultato si avrà

un elettrone in più nel reticolo con conseguente innalzamento della

banda di valenza. Avvicinando il silicio drogato n e il silicio drogato p si

ha una ricombinazione tra le cariche e si crea all’interfaccia tra i materiali

una barriera di energia potenziale (giunzione p-n). Per ottenere il

passaggio di cariche al di là della barriera sarà necessario fornire una

piccola quantità di energia. Nel caso delle celle solari basate su questo

principio, l’energia è di pochi eV, compatibile con la radiazione luminosa.

Questo tipo di celle solari è dotato di un’alta efficienza che rende ottime

le sue prestazioni. Inoltre queste celle sono molto stabili (circa vent’anni)

e vantaggiose poiché il silicio di per sé ha un’alta reperibilità in natura.

Nonostante tutto esse manifestano varie problematiche come le difficoltà

realizzative e gli alti costi di produzione e di smaltimento.

3- Celle sensibilizzate da Dye (o celle di tipo

Graetzel) 5

Per garantire una maggiore diffusione dell’uso dell’energia rinnovabile

dai pannelli solari la ricerca ha sperimentato le celle organiche

sensibilizzate da colorante (DSSC Dye Sensitized Solar Cell) che

presentano alcune peculiarità vantaggiose rispetto alle celle standard.

Una cella di tipo DSSC è costituita da: elettrodo e controelettrodo

conduttivi grazie allo strato di ITO di cui sono ricoperti, il biossido di

titano (semiconduttore), la grafite e il colorante di materiale organico

(antocianina). I primi rappresentano i componenti del circuito elettrico e

ad essi va aggiunto l’elettrolita. Quest’ultimo può essere un qualunque

composto chimico che in soluzione si dissocia parzialmente o totalmente

in ioni negativi e positivi, in base ad un processo detto dissociazione

elettrolitica. Il biossido di titano (Ti0 ) è un semiconduttore con uno

2

spazio tra la banda di conduzione e la banda di valenza (GAP energetica

E ) di grandezza media.

G

Da sé il TiO non assorbirebbe fotoni così viene sensibilizzato tramite

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coloranti dai quali vengono estratte le molecole attive nelle celle,

sostanze che danno colore ai vari coloranti. Ad esempio, l’antocianina è il

pigmento che conferisce il caratteristico colore rosso/violaceo a frutta e

verdura, ed è sensibile alla luce. Il colorante viene quindi posto sul

semimetallo per migliorare l’assorbimento dei raggi solari.

L’ ITO (Indium Tin Oxide) è uno dei conduttori ossidi maggiormente

utilizzati per la sua proprietà di conducibilità elettronica e di trasparenza

ottica. La grafite è considerata come l’unico non-metallo che è dotato di

una buona conducibilità. Essa viene posta sul contro elettrodo e funge da

catalizzatore per le reazioni di ossidoriduzione dell’elettrolita. Le celle di

tipo Graetzel sono più economiche, versatili e biocompatibili, hanno un

costo di smaltimento minore e assorbono più radiazioni solari anche se

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comunque presentano vari aspetti negativi come la bassa efficienza e la

scarsa durata nel tempo.

Il principio di funzionamento di una cella di Graetzel viene schematizzato

nella seguente immagine: catalizzatore

ITO CB

E

C

LU

La radiazione solare eccita gli elettroni del colorante che passano dagli

stati elettronici fondamentali pieni (in basso) agli stati elettronici eccitati

(in alto). L’elettrone eccitato passa nella banda di conduzione del TiO 2

trovando degli stati energeticamente più favorevoli e quindi una

maggiore stabilità. Il dye, riacquista elettroni grazie alle reazioni

chimiche dell’elettrolita. Si crea una differenza di potenziale tra

l’elettrolita stesso e il TiO . Infatti saranno presenti delle lacune

2

dell’elettrolita contrapposte all’eccessivo numero degli elettroni nel TiO .

2

Se queste lacune vengono colmate nuovamente tramite il passaggio

degli elettroni si genera corrente ma allo stesso tempo si ristabilisce la

situazione di equilibrio originaria.

4- Celle ai Nanotubi di Carbonio 7