Nanotecnologie ed energia: il fotovoltaico

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Introduzione

Nel 1839 lo scienziato francese Edmond Becquerel scoprì  l’effetto fotovoltaico,  ma fu Charles Fritts (1889) a realizzare la prima cella al selenio con un rendimento dell’1%. Tuttavia, solo nel 1954 nei laboratori della Bell venne costruita la prima cella al silicio e quindi ad alto rendimento.

Da allora la tecnologia del fotovoltaico ha sfruttato tutti i miglioramenti dell’industri elettronica e microelettronica, con cui condivide i principi di funzionamento, per giungere oggi a studi che mirano alla ricerca e allo sviluppo di nuovi materiali fotosensibili che consentono di abbattere ulteriormente i costi di questa tecnologia ed eliminare i problemi legati alla lavorazione del silicio in primis.

Oggi nel campo della produzione e dello stoccaggio di energia grazie alle nanotecnologie disponiamo di nuove celle al combustibile dotate di rese più alte e di nuove tipologie di celle solari che a fronte di una resa più bassa, rispetto a quelle di vecchia generazione hanno il vantaggio di avere costi produttivi decisamente più bassi.

Ma prima di questo è necessario dire quando nasce la nanotecnologia così fondamentale anche nella produzione di energia rinnovabile  e quali furono le principali cause o esigenze per cui questa disciplina prende avvio e si sviluppa in particolare nel tardo novecento. Profetizzata da Feynman [1]nel 59 è attualmente una materia interdisciplinare e coinvolge diverse anime della ricerca scientifica tra cui appunto il fotovoltaico.

 

Nanontecnologia

 

A coniare il termine di questa neoscienza fu il ricercatore giapponese Taniguchi il quale ne diede anche una definizione ben precisa: ‘Nanotechnology’ mainly consists of the processing of, separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or by one molecule.”

Ma occorre in questo caso soprattutto fare una distinzione tra neoscienza e nano tecnologie : la prima studi ai presupposti scientifici di fisica, chimica, biologia ed ingegneria, dunque i principi fondamentali delle molecole e delle strutture di dimensioni tra 1 e 100 nm; la seconda utilizza suddette conoscenze per progettare produrre strutture dispositivi su scala nanometrica.

E’ importante a nostro scopo ricordare che le nanotecnologie, fondamentali al giorno d’oggi, danno un contributo importante nell’ambito dei processi produttivi, forniscono soluzioni ai problemi ambientali ed ultimo, ma non per importanza, offrono la possibilità di aprire nuove prospettive per la creazione di ricchezze e occupazione favorendo l’economia dei paesi.

Il motivo per cui si tende a dare tanta importanza a questa tecnologia sono le numerosissime modalità di impiego che essa offre. Vi sono però dei requisiti perché una tecnologia possa definirsi “nano”: partendo dal presupposto che su scala nanometrica non valgono le leggi fisiche vigenti nel nostro macromondo si intende che gli sforzi sono rivolti principalmente alla comprensione  di suddette leggi e, cosa più importante, alla manipolazione della materia su scala nanometrica. L’ipotesi fondamentale è basata sul fatto che qualsiasi struttura chimicamente stabile può essere creata e ogni molecola può essere scomposta e i suoi componenti riuniti in un’altra molecola.

Anche e soprattutto in natura, fonte primaria di ispirazione per lo scienziato, vi sono esempi di nanotecnologia: le zampe del geco e degli insetti pattinatori sfruttando le deboliforze di Wan Der Waals riescono ad aderire alle superfici o altro esempio l’idrofobicità della superficie cerosa del loto (noto come effetto loto).

Come ho prima accennato si è cominciato a pensare ad un’energia che provenga dalla nostra principale fonte di vita: il sole.

Oggi noi classifichiamo il fotovoltaico come energia “pulita e rinnovabile” poiché generata da fonti che per  loro caratteristica intrinseca si rigenerano o non sono esauribili nella scala dei tempi “umani” e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future.

 

Il fotovoltaico

 

Il sole emette continuamente radiazioni elettromagnetiche che noi siamo in grado di distinguere solo nel piccolo scorcio del visibile, mentre sappiamo il suo spettro comprende molte altre onde come l’infrarosso e l’ultravioletto. L’origine di questa emissione  della fusione nucleare che avviene nel centro del sole, detta anche, catena protone-protone illustrata nella tabella:

 

1H + 1H                               2H + ẞ+ + νe
2H + 1H                                  3He + γ + 5,49 MeV
3He +3He                               4He + 1H + 1H + 12,86 MeV

 

 

La potenza di questa radiazione misurata dai satelliti al di fuori dell’atmosfera viene detta costante solare ed ha un valore che si aggira ai 1366 W/m2 , ossia la potenza che viene indirizzata sulla terra è di 174 milioni di GW; ovviamente non tutta l’energia luminosa arriva sulla terra poiché parte di essa si perde nell’atmosfera, ma al suolo arriva comunque il 45% della radiazione, che può essere diretta o diffusa.

La descrizione dei fenomeni di trasporto elettronico da e verso un elettrodo è rappresentato dal modello teorico delle bande : si hanno due gruppi di livelli energetici chiamati bande all’interno dei quali gli elettroni possono andare a disporsi. Costituiscono la banda di valenza gli orbitali occupati dagli elettroni di valenza mentre la banda associata al primo stato eccitato, generalmente non occupato da nessun elettrone, è chiamata banda di conduzione del solido.

Tra le bande di valenza e quella di conduzione vi è una banda proibita detta energy gap, in cui non vi sono livelli energetici permessi agli elettroni. La larghezza dell’energy gap è una caratteristica molto importante dei semi-conduttori per i semi conduttori come il silicio, poiché in questo caso gli elettroni di valenza, ricevuta un’opportuna quantità di energia, salti con una certa facilità al livello energetico superiore, dove è poi libero di muoversi sotto l’azione di un eventuale campo elettrico applicato. Nei semiconduttori partecipano al fenomeno della conduzione elettrica sia gli elettroni nella banda di conduzione, sia le lacune nella banda di valenza.

I semiconduttori si distinguono in:                            intrinseci: quando si presentano nello stato p o n

Tipo n                                  eccesso di donatori

Tipo p                                  eccesso di accettori              drogati: diventano p o n con l’introduzione

di elementi esterni

La luce genera all’interno della cella le coppie elettrone-lacuna, che migrano verso gli elettrodi sotto l’azione del campo elettrico presente alla giunzione n-p: gli elettroni vengono raccolti dall’elettrodo superiore, le lacune da quello inferiore, creando un generatore di corrente.

Si origina quindi un flusso unidirezionale di elettroni che si traduce in energia elettrica se si connette il dispositivo con conduttori all’interno di un circuito chiuso.

Il valore di energia di un fotone, cioè del “pacchetto” elementare di energia luminosa, è definito dall’espressione: E=h ν, dove h è la costante di Plank (h=6.626×10-34J s) e ν è la frequenza.

La potenza massima erogabile in condizioni di illuminazione e temperatura specificate viene misurata in Watt di picco (Wp): si conviene che, alla temperatura della giunzione di 25 °C e con un irraggiamento di 1000 W/m², una cella ha una potenza nominale di 1 W di picco se eroga la potenza massima di 1W.

L’efficienza di una cella fotovoltaica risulta dal rapporto tra la potenza massima erogata e l’irraggiamento incidente sulla sua superficie: per il silicio monocristallino varia dal 15% (celle commerciali) al 25% (prove di laboratorio).

 

Caratterizzazione elettrica di celle fotovoltaiche

L’efficienza viene calcolata nel seguente modo rispettando l’insieme delle condizioni standard (STC).

Tipica curva caratteristica corrente-tensione (I-V) di una cella solare

Il dispositivo in silicio

Il più comune materiale semiconduttore per le celle fotovoltaiche è il silicio monocristallino ad alto grado di purezza poiché è il più efficiente : converte più del 23 % dell’energia solare in elettrica. Tuttavia il suo principale problema è l’elevato costo di produzione e l’impato ambientale che ne deriva.

Per la loro produzione si utilizza la tecnica Czochralski. Materiali alternativi al silicio monocristallino, ma di bassa efficienza, sono il silicio policristallino, il silicio amorfo, con cui vengono costruite celle a film sottili.

 

 

 

 

 

Cella di Graetzel (o Dye-Sensitized Solar Cell)- DSSC

Gli studi sull’impiego elettrochimico dei dye(colorante) nel campo fotovoltaico registrarono il primo successo nel 1990 con la pubblicazione del meccanismo di funzionamento della cella di Micheal Graetzel[2] su Nature. la DSSC si basa su principi fotoelettrochimici che sfruttano un elettrolita liquido(un solvente contenente ioduro e triioduro) come mezzo di trasporto della carica. anche in questo caso la scienza si ispira alla natura poiché la foglia è l’esempio migliore di un dispositivo che converte l’energia luminosa proveniente dal sole in una forma di energia più comoda; così il funzionamento delle celle di Graetzel prende spunto dalla fotosintesi: uno strato sottile di particelle nanometriche di ossido di titanio, rivestito di un colorante organico analogo alla clorofilla, rimpiazza il processo chimico fotosintetico, mentre l’elettrolita sostituisce l’acqua come fonte di elettroni.


Una DSSC è costituita da:

  • Substrato di vetro rivestito di un ossido conduttore(TCO) sul quale vengono preparati gli elettrodi. Il TCO più usato è lo stagno ossido dopato fluoro (SnO2 :F)
  • Elettrodo nano cristallino a colorante organico, in particolare il TiO2(ossido di titanio) poiché è un ossido semiconduttore resistente alla foto corrosione e le cui forme cristalline più importanti sono l’anatasio e il rutilo.
  • Dye: colorante organico che deve rivestire la superficie dell’elettrodo permettendo alle molecole del colorante di legarsi alla superficie del semi conduttore. il colorante dovrebbe dimostrare una stabilità tale nel suo ambiente di lavoro da sopportare circa 20 anni di lavoro in condizioni di esposizione alla luce.
  • Elettrolita che consiste di un solvente contenente ioduro (I) e triioduro (I3).
  • Contro-elettrodo rivestito con un catalizzatore, generalmente il platino a causa dei costi elevati di quest’ultimo è possibile utilizzare in alternativa un contro-elettrodo poroso di carbone.
  • Un sigillante che sia chimicamente inerte verso l’elettrolita e che lo blocchi all’interno della cella restando impermeabile all’ossigeno e al vapore acqueo.
  • Alcuni contatti elettrici, quando necessario, realizzati in pasta d’argento o strisce adesive di rame.

 

 

 

Preparazione di un elettrodo di lavoro:

  1. Con un processo denominato “tape casting” si fa aderire sul substrato dell’elettrodo di lavoro una maschera di dimensioni 1x1cm, ricavata da un pezzo di nastro adesivo largo 1.9 cm. lasciata così scoperta la piccola zona necessaria, comincia la fase di deposizione che consiste nello stendere sul substrato sul quale è stata applicata la maschera una piccola quantità della sospensione colloidale, aiutandosi con una bacchetta di vetro. Terminata la fase di deposizione, l’elettrodo si fa asciugare in aria.
  2. Attraverso un processo di sinterizzazione dell’elettrodo di lavoro, condotto in un forno a muffola alla temperatura di circa 500°C per un’ora, si eliminano gli elementi organici presenti nel colloide e si provoca anche una parziale fusione delle nano particelle.
  3. Si immerge l’elettrodo di lavoro in una soluzione(il colorante Dye) contenente 1mg di N3 in 5 ml di etanolo puro.
  4. Con l’uso di un gel al platino si realizza il rivestimento del contro-elettrodo.
  5. Assemblaggio della cella con un sigillante termoplastico, appoggio della cella su una piastra scaldante per qualche secondo a 100°C

L’elettrolita viene iniettato attraverso il foro presente sul contro elettrodo aiutandosi con una pompa a vuoto, così da riempire tutto lo spazio presente tra i due vetrini.

 

Funzionamento: in seguito all’assorbimento di radiazione luminosa, la cella produce tensione e corrente che scorre attraverso un carico esterno applicato agli elettrodi. Tale assorbimento di luce è reso possibile dalle molecole del colorante, mentre la separazione di carica avviene attraverso l’iniezione del dye alla banda di conduzione del TiO2.E’ importante utilizzare uno strato di ossido di titanio mesoporoso al fine di permettere al maggior numero di molecole di dye di essere a contatto col semiconduttore e con l’elettrolita. Il fotone incidente colpisce la molecola di dye sulla particella del TiO2 ed un elettone, da uno stato stazionario, passa ad uno stato eccitato. Quindi l’elettrone viene iniettato nella banda di conduzione del TiO2 lasciando la molecola di dye ad uno stato eccitato. l’elettrone percola attraverso i nanocristalli del semiconduttore, raggiunge il substrato di vetro conduttore dal quale arriva al contro elettrodo. Qui l’elettrone è trasferiti al triioduro nell’elettrolita a conferire lo ioduro; il ciclo si chiude con la riduzione del dye ossidato ad opera dello ioduro.

 

L’intero ciclo operativo è ben riassunto dalle seguenti reazioni chimiche:

Anodo (elettrodo di lavoro):       S0 + hν → S*              Assorbimento

S* → S+ + e(TiO2)    Percolazione

2S+ + 3I→ 2S + I3    Rigenerazione

Catodo (contro-elettrodo):          I3+ 2e(Pt) → 3I

Cella:                                           e(Pt) + hν → e(TiO2)

 

Vantaggi: costruire celle dye  sensitized anziché altri tipi di celle comporta grossi vantaggi non solo in campo economico grazie alla disponibilità dei materiali e il loro basso costo( poiché la maggior parte di essi sono organici) ma anche perché così si riduce l’impatto ambientale: infatti solo il materiale che serve viene depositato e l’installazione è molto più facile. in questo modo finalmente il fotovoltaico sarà competitivo con le fonti di energia odierne.

 

 


[1] Richard Phillips Feynman (New York, 11 maggio 1918Los Angeles, 15 febbraio 1988) è stato un fisico statunitense, premio Nobel per la fisica nel 1965.

[2] Michael Grätzel  originario del cantone Svizzero di lingua tedesca,  ha studiato chimica all’Università di Berlino. Professore dal 1977 di chimica fisica al politecnico federale di Losanna, insegna termodinamica, cinetica, e

Michael Grätzel  originario del cantone Svizzero di lingua tedesca,  ha studiato chimica all’Università di Berlino. Professore dal 1977 di chimica fisica al politecnico federale di Losanna, insegna termodinamica, cinetica, e chimica fisica avanzata. Suoi campi di ricerca sono la fotosintesi artificiale, la bioelettronica, la caratterizzazione delle membrane… Nel 1991  ha inventato una pila fotovoltaica , basata sul processo che imita la fotosintesi  delle piante e che permette di trasformare direttamente l’energia solare in energia elettrica:  essa è nota come cella di Grätzel o Dye Sensitized Solar Cell.