Le sfide dei nuovi materiali -...

Daniela Cavalcoli daniela.cavalcoli@unibo.itDipartimento di FisicaUniversità di Bolognawww.df.unibo.it

Un Pozzo di Scienza, Cesena 3 Aprile 2009

Le sfide dei nuovi Le sfide dei nuovi materiali materiali

Materiali (nella storia, nel futuro): perché sono importanti?Nanomateriali, nanoscienza, nanotecnologia,..??Dalla microelettronica alla fotonica.. Alcuni esempi:

La luce per... vedere, generare energia..  

Per saperne di più..

Ere della civilizzazione sono denominate dal nome del materiale che meglio le ha caratterizzate (età della pietra, bronzo, ferro etc.)

Progresso scientifico e tecnologico drasticamente condizionato dalla disponibilità di nuovi materiali e dalla capacità di intervenire su di essi per modificarne le proprietà

Spazio: materiali  leggeri  e  resistenti  a  shock termici e meccanici

Elettronica: materiali semiconduttori 

Ambiente: materiali biodegradabili

Evoluzione umanaEvoluzione umana‐‐ MaterialiMateriali

Elettroni e nuclei

Meccanica classica, quantistica, statistica

Fisica dello stato solido

Chimica

Scienza dei materiali

Tecnologia

Fisica dei materialiFisica dei materiali

isolanti ‐ polimeri

‐

isolanti inorganici

semiconduttori  ‐ silicio, germanio

‐

GaAs, InAlAs, SiC,  GaN

metalli  ‐ rame, ferro

superconduttori  ‐Hg, YBaCuO

Classificazione dei materiali:Classificazione dei materiali: ad es. conducibilitad es. conducibilitàà

Come possiamo alterare le Come possiamo alterare le  proprietproprietàà di un materiale?di un materiale?

danno: presenza incontrollata

beneficio:

manipolazione intenzionale delle proprietà

di interesse

imperfezioni reticolari

duttilitàcolore

resistività

Dimensione dei difetti reticolari: atomica, nanometro = 10‐9m

Concentrazione di impurezze (es doping in Si): = 1015/1022

= 10‐7 

piccola rispetto alla densità

atomica del materiale!

DIFETTI

..modificando i difetti che sono ..modificando i difetti che sono ““piccolipiccoli””

e e ““pochipochi””....

Quanto piccoli?

1 nanometro?Nano‐scienza, nanotecnologia...?

1metro

La scala dei rapporti umani

1 decimetro

Il dorso di una mano

1centimetro

Le pliche cutanee

10-4

metri

Le pliche cutanee

10-6 metri 1μm

Il nucleo della cellula

10-7 metri 0.1μm

I filamenti di DNA

Le attuali dimensioni dei componenti nei

chips

10-8

metri

Il DNA

10-9 metri 1

nm

Gli atomi

10-10

metri

La nube elettronica

Facciamo la stessa cosa Facciamo la stessa cosa  per un computerper un computer……

1 metro: il computer1 metro: il computer

1 decimetro: le schede1 decimetro: le schede

1 centimetro: I circuiti 1 centimetro: I circuiti  integratiintegrati

1 millimetro1 millimetro

1 micrometro:1 micrometro:

le piste e i le piste e i  transistorstransistors

100 nanometri: i transistor100 nanometri: i transistor

10 nanometri: i materiali10 nanometri: i materiali

1 nanometro: gli atomi1 nanometro: gli atomi

NanoworldNanoworld

Nei nanomateriali alcune proprietà

termodinamiche e quantistiche, insignificanti nei materiali usuali della vita di

tutti i giorni, diventano predominanti. I nano-materiali presentano quindi proprietà

nuove e interessanti per le

applicazioni tecnologiche.

N<102

LED (light emitting devices)Celle solari

Riassumendo...Riassumendo...Età

della pietra

Età

del ferro

Età

dell’acciaio

Età

dell’elettronica (XX secolo)

Età

della fotonica (XXI secolo)

.

.

.

nanoworld

EtEtàà delladella fotonicafotonica

2. La luce solare per generare

energia

1. La luce per “vedere”:

i dispositivi emettitori di luce (LED, OLED) i display

La luce per vedere...La luce per vedere...

LED, display...

Es semaforo tradizionale: 80W a LED 7W

Il consumo energetico si è ridotto a Bologna del 70%,

OLED Organic light emitting devices

LED light emitting devices, dispositivi a  semiconduttore, rigidi, un solo colore 

(tecnologia già

sul mercato)

molecole fluorescenti: il meccanismo di rilassamento non  riguarda tutta l’energia in eccesso, 

molecole fosforescenti

tutta l’energia viene rilasciata, anche se  con qualche secondo di ritardo.

OLED tradizionali 

25%

ma..

Mescolando molecole fluorescenti  e fosforescenti

100%(1998 Università

di Princeton)

Efficienza degli OLEDEfficienza degli OLED

TOLED: OLED trasparenti  (79%)  possono essere 

integrati nei finestrini delle  auto, in finestre, negli occhiali 

da sole...

OLED: ApplicazioniOLED: Applicazioni

FOLED: flexible OLED

La luce per generare La luce per generare  energia elettricaenergia elettrica

Solare Solare

termicotermico

Energia solareEnergia solare

Energia termicaEnergia termica

Solare Solare

fotovoltaicofotovoltaico

Energia solareEnergia solare

Energia elettricaEnergia elettrica

AMBIENTE:

contributo importante alle fonti energetiche rinnovabili, diminuzione CO2

, produzione “pulita”

di H2

Perché

il fotovoltaico (FV) ?

http://www.sunways.de/en/press/pictures/products/prosp_zelle2a.p

1 kg di petrolio produce al più

4 kwh elettrici

1kwh (1 giorno di un frigorifero, 1 ora di condizionatore, stufa elettrica, ferro da stiro  o forno elettrico)

produce circa 1kg di CO2

Potremmo utilizzare il FV per produrre H2

:

1 kg di H2

produce circa 12 kwh senza emissioni inquinanti

ACCESSIBILITA’:

elettrificazione

rurale, Paesi in via di sviluppo

CRESCITA ECONOMICA:

Il mercato del FV in crescita (30% annuo),  l’industria del FV genera complessivamente un miliardo di euro l'anno 

ossia circa 2,3 milioni di posti di lavoro

Quanta Quanta  energia energia 

dal sole?dal sole?

Sulla superficie del sole la densità di potenza è di 62 MW/m2 fuori dall’ atmosfera terrestre è di1300 W/m1300 W/m2 2 circacirca

η= Efficienza =

Pout

/Pin

= 10 ÷ 20%

attualmente (c‐Si)

Ma soprattutto:Ma soprattutto:Quanta energia Quanta energia 

riusciamo ad riusciamo ad  usare ?usare ?

Quanta energia da PV istallata?Quanta energia da PV istallata?

Fonte:EPIA

DoveDove

vengonovengono

installateinstallate

??

Futuro:  Trasformare la miscela globale di Futuro:  Trasformare la miscela globale di  energiaenergia

Previsione EPIA (European Photovoltaic Industry Association )

Perchè

ancora poco FV oggi

A quale costo oggi? E in futuro?A quale costo oggi? E in futuro?☺

Trend costo kWh prodottoCosti attuali 2€/W 

Futuro?  < 1€/W

46%Si monocristallino

(efficienze 15-20%)

7%Si film sottile

(efficienze 5-10%)

Con quale materiale Con quale materiale  (attualmente)?(attualmente)?

43%Si multi cristallino

(efficienze 10-18%)

+ altro

Silicio

Con quale materiale in futuro?Con quale materiale in futuro? Quali Quali i i problemiproblemi,,

gli gli sviluppisviluppi, la , la 

ricercaricerca? ? 

Riduzione dei costi

(ma diminuisce l’efficienza):

• Usare meno silicio: celle a film sottile, a:Si, CdTe/CIGS

• Nuovi materiali (organici) e tecnologie meno costose (plastiche [Berkley], Dye Sensitised solar cell DSC [Grätzel]).

Aumento dell’efficienza

(ma aumentano i costi):

• utilizzo di nuovi materiali che riescono a fruttare meglio tutto

lo spettro solare

Concentrazione: Aumento del flusso di fotoni sulla cella

Aumento dell’efficienza

e riduzione dei costi:

• Utilizzo di nanotecnologie (solare di III generazione)

Diminuzione dei costi Diminuzione dei costi (1,2)(1,2)

Celle solari fotovoltaiche plastiche

costituite da nanocristalli di CdSe disperse in matrici polimeriche (Università

di Berkeley, California)

Efficienza ancora scarsa☺ Produzione Facile ed economica☺ Plastiche, flessibili, spalmabili, si adattano a qualunque architettura e possono essere colorate a piacere

TEM di CdSe nanocristalli: dim da 7 a 60 nm

W. U. Huynh, J. J. Dittmer, A. P. Alivisatos

, Science 2002.http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/MSD-Alivisatos-solarcells.html

Diminuzione dei costi (1,2). Diminuzione dei costi (1,2). Le Le  celle fotoelettrochimichecelle fotoelettrochimiche

a dyea dye

(colorante) DSC cella di (colorante) DSC cella di  GraetzelGraetzel

M., Grätzel, Nature, 414, 338-344, 2001.

Meccanismo fisico (analogo alla fotosintesi)

Le celle flessibili, colorate, adattabili a diverse strutture architettoniche.Efficienze 10% circa

Aumento dellAumento dell’’efficienzaefficienza(1): usare tutto lo (1): usare tutto lo  spettro solare (Progetto Raimbowspettro solare (Progetto Raimbow‐‐FP7)FP7)

ASTM G173-03 Reference Spectra

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500Wavelength nm

Spec

tral

Irra

dian

ce W

m-2 n

m -1 λ>λc

http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/MSD-perfect-solar-cell.html

1. J. Wu, W. Walukiewicz, et al, Appl. Phys Lett. (2002).2. V.Yu. Davydov et al PSS(b) (2002)

Aumento dellAumento dell’’efficienza: celle tandemefficienza: celle tandem

•Svantaggi: costi elevati

•Vantaggi: efficienze teoriche fino a 66%, reali 35-40%

http://www.nrel.gov/ncpv/higheff.html

Celle tandem: efficienza realeCelle tandem: efficienza reale

http://ws.fe.infn.it/lab/ricerca_fotovoltaico.php

AUMENTO LAUMENTO L’’ILLUMINAZIONE SULLA ILLUMINAZIONE SULLA  CELLA: CONCENTRAZIONECELLA: CONCENTRAZIONE

Specchi dicroici che separano i diversi colori della luce permettono di inviare a diverse  celle fotovoltaiche le lunghezze d’onde a cui rispondono meglio.

Le efficienze teoriche

di conversione possono eccedere il 75%

Specchio Specchio  dicroicodicroico

Celle PV Celle PV al silicioal silicio

Celle PV ad Arseniuro di Celle PV ad Arseniuro di  Gallio/ Indio (InGaP)Gallio/ Indio (InGaP)

Concentratore Concentratore  primarioprimario

Si può utilizzare meglio lSi può utilizzare meglio l’’energia energia  solare?solare?

SPLITTING DEL FASCIO DI LUCESPLITTING DEL FASCIO DI LUCE

Cella GaInP:  ~15% efficienzaCella Si : ~20% efficienza 

Splitting fascioCelle singole, tutto il fascio

Cella GaInP:  ~15% efficienzaCella Si : ~16%        efficienza 

Celle singole, fascio separato

Efficienza:   ~15 % oppure

~20 % Efficienza:   ~15 % +

~16 %= ~31 %

Specchio dicroico

LL’’EVOLUZIONE DEL CONCENTRATORE: UN EVOLUZIONE DEL CONCENTRATORE: UN  ELETTRODOMESTICO SOLAREELETTRODOMESTICO SOLARE

Energia elettrica

Concentratore solare

Pannello

L’ideaIl prototipo

III Generazione: diminuire i costiIII Generazione: diminuire i costi

e e  aumentare laumentare l’’efficienza, usare meno Si, usare efficienza, usare meno Si, usare 

la nanotecnologiala nanotecnologia materiale: nanocristalli di Si in matrice amorfa di Si

Progetto nanophoto

http://www.nanophoto.unimib.it/index.phpIl Sole 24 Ore dell’ 8 Ottobre 2005

La nanoscienza, la fotonica, offrono nuove prospettiveLe potenzialità del fotovoltaico non sono ancora completamente esplorate

Nuove sfide e nuovi materiali richiederanno ancora per il futuro un grosso impegno della

comunità

scientifica..

......questa questa èè

la fine del raccontola fine del racconto

……

pipiùù

ricercaricerca……

Ai fisici piace porsi delle domande e trovare soluzioni a ogni problema

Finche’

in Natura ci sara’

qualcosa da capire, ci sara’

anche un fisico

che cerchera’

di dare delle risposte

Per far questo il fisico, possiede una solida formazione di base ed una grande versatilita’, doti

che lo rendono particolarmente “prezioso”

nel mondo del lavoro in svariati settori

...più

ricerca..

Per saperne di piPer saperne di piùù

Energia solare: The National Renewable Energy Laboratory (NREL), U.S. http://www.nrel.gov/

OLED: MIT, Laboratory for organic optic and optoelectronic:http://hackman.mit.edu/6977/handouts/6.977.lecture.1.pdf and Universal Display Corporation: http://www.universaldisplay.com/tech.php

Le nostre ricerche Dipartimento di Fisica Università di Bologna, Sett. Fisica della Materia /semiconduttori http://www.df.unibo.it/semiconductors

OLED: StrutturaOLED: Struttura

Substrato trasparente

II elettrodo ITO2 (Indium Tin Oxide 200 nm)

Anodo (polimero o molecola organica, 100 nm)

I elettrodo: catodo metallico1

(Mg-Al o Li-Al o Ca, 200 nm)

1Metalli con basso WF: alta iniezione di elettroni2 ITO:

materiale semitrasparente ma conduttivo

NB la maggior parte del  peso della struttura è

dovuta al substrato

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Spec

tral I

rrad

ianc

e W

m-2

nm -1

Wavelength nm

ASTM G173-03 Reference Spectra

AM0

AM1

Da chi?Da chi?

Fonte: epia

http://www.epia.org/