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Daniela Cavalcoli [email protected] 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/