Appunti di Tecnologie innovative per la produzione, il trasporto e l'accumulo dell'energia elettrica M

NANOTECNOLOGIE

Scopo: aumento di prestazione di materiali polimerici

• resistenza
• resistenza meccanica
• resistenza termica

Il polimero viene additivato con diversi composti sia organici che inorganici naturali.

La fase inorganica aggiunta al polimero è detta "carica" → ottengo "polimero caricato".

I mat. compositi di tipo convenzionale hanno una netta separazione a livello macroscopico tra fase organica e fase inorganica.

Nanocompositi:

Nuova classe di materiali caratterizzata da dispersione delle fasi ultrafine (ordine nm). In virtù di questa dispersione possiedono proprietà uniche che non hanno mat. convenzionali o microcompositi.

Proprietà migliorabili con nanoadditivi:

• elettriche, meccaniche, termiche, permeabilità gas, resistenza alla fiamma, biodegradabilità
• cavi, macchine elettriche, batterie, pannelli FV, sensori...
• isolante elettrico: meno ingombranti e migliori prestazioni

Il nano compositi più studiati sono quelli additivati con SILICATI LAMELLARI

Silicati lamellari:

Filosilicati facilmente esfoliabili in lamelle dell'ordine di nm.

• L₀ montmorillonite
  • reticolo cristallino formato da strati bidimensionali:
  • strato contenente tetraedri di alluminio e magnesio fuso a due tetraedri esterni di silice tramite atomi di alluminio
• Spessore strato silicati lamellari ≈ 1nm, dimensioni laterali fino a qualche μm
• Le lamine sono organizzate in pile con un ripetere "GAP" detto interstrato o galleria
• Attrazione tra strati legame debole, tipo Van der Waals ≈ 0,5 eV
• Famiglie di argille:
  • CATONICHE : attrarre cationi
  • ANIONICHE : attrarre anioni

Caratteristiche dei silicati per ottenere nano compositi:

• capacità delle particelle di disperdersi in lamelle individuali
• capacità di scambio ionico per reagire con altri ioni

Polimeri/silicati lamellari: nanocompositi fatti da miscela di polimeri con

argilla, costituita da silicato lamellari con fasi organiche e inorganiche disperse a livello nanometricoNB: generalmente polimeri idrofobi argilla idrofilaOpposita = idrofobaArgilla = idrofila

Per porre polimero all'interno di silicato accetti della matricola grafica che accena

monofilo la superficie dell'argilla, rendendola organofila. Si utilizzano molecole con due testine anfibiche (che si organizza sup di argilla) ed una catenza alipatica che rende organofilo al polimero tipo più strato, provocando l'intercalazione del polimero). Tali molecole sono dette compatibilizzanti.

Infatti amminacidi hanno test aceostica -> ok argcoda alipofoca -> ok polimero(la dipendendo tipo di argilla agire su animosia)

Processo:Argilla –> Argilla modificata (orga-clay)Compatibilize

Le argille modificate organofiliche hanno energia superficiale più basso rispetto a quella

dell’argilla non modifica -> aumento spazio tra lamelle -> esposizione(Entra le lamella)

Tipologie di nano compositi:

• Nanocompositi Intercalati: Inserzione di una matrice polimerica in una struttura di silicato stratificata avviene in modo regolare e on diminutigo volume. (simile a materiali ceramici)
• Nanocompositi Flocculati: come gli intercalati (scascesse)
• Nanocompositi Esfoliati: I singoli strati d'argilla sono separati in una matrice polimerica continua collo dist mondo che impedirà da riempimenti saplte sistance confermo meno argille agili intercolati.

Strutture e proprietà:

Intercalati

Esfoliati(polimero tra le lamelle distribuite in maniera (assocata)polimero tra le lamelle ma separate e spesse)

TEM - Spettroscopia elettronica a trasmissione

Informazioni visive dirette su area decimata del campione su:

• Morfologia
• Topografia
• Diffrazione delle fasi
• Difetti strutturali

Serve cura nella preparazione del campione, molto sottile / caso per immagine eclatissimo

Sono fotografico dove si nota: l'esposizione, distribuzione

Proprietà Nanocompositi

Meccaniche

Generalmente si ottengono con % di nanofiller < 5-10% in peso

• Miglioramenti di Modulo Young [GPa] con 1% argilla
• Tensione rottura [MPa]

Nanoadditivo ne fa una facile modificare propr. mecc. con poco additivo

• Metando troppa argilla nella catena dispersione (si aggr.ego)
• Le prime ottimale è ~5%, per microadditivi ok 50%

Stabilità Ambientale

Barriere esposte agli impaccamenti e gas delle argille, dovute a tortuosita

Area percorsa che una molecola è piu dove campione ed attraversa non compatibile

È migliore meno invecchiata se sottoposta se sole, ossigeno, umidità

Proprietà Termiche

Aumenta stabilità termica e stabilità delle fiamme (↓ velocità di rilascio del calore)

Sposta curva di dx più resiste a comb e rimanere retendo

ANALISI TERMOGRAVIMETRICA

Polimeri Biodegradabili

Permette modificabilità (magic rescue legami incorporata con elevate faramileità e degradano in tempo minore

Utilizzo per applic. mediche

Ottiche

Se coppia deformata ↑ luce = spessore lamina -> film trasparente

Stabilità Dimensionale

↓ coeff. espansione termica

Affinita' elettronica

eV energia quando e' viene portato nel vuoto dalla base d'energia di conduzione

Φ + E_B = E_I

Se e- elettroni sulla banda di conduzione portano corrente elettrica

materiali isolanti su grande sono grandi campi elettrici per fare salire e-

materiali semiconduttori su piccola serve energia termica o piccolo campo elettrico

alcuni e- passano sulla banda di conduzione e lasciano lacune nella banda di valenza

Gli elettroni nelle bande di valenza dei solidi cristallini non partecipano a conduzione

" " " " " " " conduzione hanno sufficiente energia per uscire

dal loro atomo o legami perché hanno energia > E_F e possono uscire

dal loro reticolo cristallino

numero protatori di carica N = N₀ exp (- E_R / kT)

per unità di volume

Ad un numero n_e elettroni eccitati corrisponde un numero p_e di lacune anche

loro contribuiscono a conduzione) semiconductors intrinseca

Nelle reazioni le bande proibiste contengono stato localizzativi che sono permessi

Drogaggio semiconduttori

Silicio cristallino

Silicio n-type (fosforo)

Silicio p-type (boro)

è più facile proteggere ionizzazione in conduzione

emis 0.05 ev

(donatore)

Celle a film sottile (I Gen)

Meno materiale utilizzato → costo più basso

Silicio amorfo a-Si:

• spessori 1 µm
• sotto 1,45 eV
• η 13% circa → 8% nel tempo

Silicio amorfo è 45 volte più efficiente nell’assorbimento della radiazione solare, si può ridurre T↓ con reattore 1€.

Lo strato adiacente è “fasciale” e presente i gap

Problema: gli e⁻ trovano lacune dove potersi ricombinare e sottrarsi alla conduzione, quindi viene fatto idrogrenazione (Si legano atomi di H e legano liberi del Si)

Esiste silicio microcristallino di mezzo tra policistallino e amorfo

Neg: i deposizioni si corrodono nel tempo, si creano legami fluttuanti

Non viene usata la griglia metallica come contatto elettrico superiore ma uno strato sottile di un ossido conduttive trasparente e buon conduttore

La pellicola fotoconduzione è formata:

• strato finestra (superiore (a))
• strato assorbente (inferiore (p))

Strato finestra: deve assorbire radiazione solo della parte ad alta energia dello spettro e permettere che la maggior parte di energia venga assorbita dopo

Strato assorbente: deve condurre corrente (corrente fotoni), fornire adeguate tensioni

CuInSe₂ & CuInGaSe₂

Sotto energetico 1,2 eV (1,2 con (Gallio))

η 12 ↔ 15%

Grandi caratteristiche assorbimento lo strato prospera sicuramente è CdS

↑% Ge ↓αβ ad alte temperature lavora meglio delle celle tradizionali

CdTe

Intervento energetico 1,45 eV

Efficienza finale 15-17% (non risente della T)

Sfrutto 0,1% del materiale chiesto del silicio

Solitamente il vetro sopra viene accoppiato con CdS; buon rendimento luce

Problema: Cd è un veleno; smaltimento sensibile senza guarnizioni per umidità