Want create site? Find Free WordPress Themes and plugins.

Nell’articolo conclusivo del nostro speciale sulle celle solari polimeriche, diamo un’occhiata ai meccanismi di degradazione di una cella solare ed ai metodi di produzione attraverso printing e coating. Sarete così in grado di comprendere la complessità della scienza che c’è dietro la trasformazione dell’energia solare in energia elettrica!

triangolo solar cell

Le celle solari polimeriche hanno un potenziale elevato nella conversione dell’energia solare in energia elettrica. Nel primo articolo di questo speciale si è parlato della unification challenge, ossia della necessità di ottimizzare efficienza, processabilità e stabilità, al fine di rendere le celle solari polimeriche adatte ad un utilizzo su larga scala. In questo terzo ed ultimo articolo, parleremo della stabilità delle celle solari polimeriche e di come queste ultime possano essere prodotte in massa.

Le solar cell di prima generazione risultano essere estremamente stabili per lunghi periodi di tempo (circa 25 anni), quelle di terza generazione – ossia le celle solari organiche – soffrono di una degradazione più rapida, associata a meccanismi di degradazione sia fisici che chimici.

Stabilità morfologica e delaminazione

I materiali organici, infatti, sono soggetti a degradazione da una serie molto numerosa di agenti (ossigeno, acqua, materiali inorganici ecc.). Un primo fattore di degradazione fisica è la stabilità morfologica. Nell’active layer, come evidenziato nel precedente articolo, è necessario formare una bulk heterojunction tra donatori ed accettori, al fine di ottenere un’efficace separazione di carica. Questa morfologia BHJ, comunque, non è la più stabile termodinamicamente, pertanto è soggetta a variazioni con la temperatura.

Differenza tra il bilayer heterojunction ed il bulk heterojunction

Si è notato, ad esempio, che ad alte temperature vi è la formazione di cristalliti di PCBM (l’accettore) e ciò determina un abbassamento delle performance della cella. Una possibile soluzione – per evitare la crescita di cristalliti di PCBM – è irradiare con elettroni l’active layer. Ciò genera una serie di siti attivi nei polimeri e determina un cross-linking che migliora la stabilità morfologica del materiale.

Un’immagine al microscopio mostra (sulla destra) la formazione dei cristalliti di PCBM.

Un altro fattore per la degradazione della cella solare polimerica è la cosiddetta delaminazione, che avviene quando due strati della cella non aderiscono in maniera efficace. Ciò ovviamente dipende dalla natura chimica degli strati, ma anche dalle condizioni di processo. Ad esempio, l’interfaccia PEDOT:PSS e P3HT:PCBM ha un’adesione molto bassa poiché il primo strato è idrofilo, mentre il secondo è idrofobo. Questo meccanismo di degradazione è molto importante ed uno dei più influenti sulle performance della cella.

celle solari polimeriche
Delaminazione di una cella solare.

Degradazione chimica

Un’ulteriore causa di degradazione può essere attribuita alla diffusione di ossigeno ed acqua negli strati della cella solare polimerica. Queste sostanze, in combinazione con la luce solare, possono portare a reazioni di foto-ossidazione che danneggiano la cella, poiché causano la rottura delle catene polimeriche. Ci sono vari metodi efficaci nel rallentare la degradazione chimica degli strati; un esempio è la rimozione delle catene laterali dei polimeri, la quale può migliorare la stabilità fotochimica del polimero stesso.

Occorre, comunque, considerare che la rimozione delle side-chains non è così immediata. Infatti, spesso solo i polimeri con catena laterale sono processabili da soluzione (aspetto fondamentale delle celle solari polimeriche), per cui occorre eliminarle solo una volta prodotta la cella solare. Ciò può essere fatto in diversi modi, uno dei quali è quello di funzionalizzare le side chains con dei gruppi funzionali, ad esempio esteri terziari. In questo modo, una volta prodotta la cella, attraverso processi termici è possibile eliminare completamente le catene laterali, migliorando la stabilità della cella.

R2R: roll-to-roll

Quando si parla dei vantaggi delle celle solari polimeriche, uno dei più interessanti è sicuramente il metodo di produzione di queste ultime. Le tecniche roll-to-roll, mostrate in un esempio nel video sottostante, permettono una produzione rapida e poco costosa a livello energetico, il che è un grande pregio. Le celle solari di prima e seconda generazione, infatti, pur avendo molti vantaggi in quanto a stabilità ed efficienza, hanno il grosso difetto di essere molto dispendiose energeticamente parlando. Ciò, ovviamente, aumenta il cosiddetto energy payback time, ossia il tempo di utilizzo della cella solare necessario a ripagare (in termini energetici) quanto speso nella sua produzione.

Le celle solari polimeriche – come avrete ormai capito – sono celle multistrato. Ognuno di essi necessita di specifiche condizioni di processo (spessore dello strato, tempo di essiccazione e così via), per cui nella fabbricazione di queste ultime è necessario ottimizzare la produzione di ogni layer. A scopo di ricerca, dunque, è possibile utilizzare un discrete processing, cioè un processo in cui ogni strato viene fabbricato separatamente. Il primo grande vantaggio di questa tipologia di processo sta nel fatto che è possibile ottimizzare la produzione di ogni strato, ma a costo di tempi di lavorazione più lunghi.

Discrete processing: ogni macchina permette la produzione di uno strato

Ciò a cui si punta, però, è la produzione di celle solari polimeriche attraverso un inline processing, ossia una produzione in un unico apparecchio, come mostrato in figura. Un processo del genere naturalmente sarebbe più rapido, stavolta però al costo di compromettere l’intera cella nel caso in cui uno degli strati dovesse essere prodotto in modo errato.

Inline processing

Printing e coating

Spin coating

La produzione di ogni strato viene effettuata mediante tecniche di printing o coating. Una tecnica di coating estremamente utilizzata nei laboratori di ricerca è denominata spin coating. Con essa è possibile produrre uno spessore a strato uniforme, tramite l’applicazione di una rapida rotazione al substrato. Il funzionamento è mostrato in figura. Sebbene lo spin coating sia utile per produrre strati di spessore uniforme, è difficile applicarlo per la produzione su larga scala.

Blade coating

Un’alternativa può essere il blade coating, più facilmente applicabile su scala industriale. In questo caso è la distanza tra la “lama” ed il substrato (in figura) a definire lo spessore del layer. Inoltre, gli sprechi di soluzione sono molto bassi, un altro importante pregio per la produzione su larga scala.

Le tecniche di coating sono molto numerose, così come lo sono quelle di printing. Un importante esempio è la gravure printing, utilizzata già ampiamente per la produzione di quotidiani, riviste ecc. Questa tecnica di printing non è digitale, ma utilizza un cilindro (specifico per la cella solare da produrre) che passa la soluzione sul substrato della cella. Si tratta, dunque, di una tecnica molto rapida che ha senso utilizzare solo su larga scala (in quanto per produrre dieci celle solari diverse ci sarebbe bisogno di dieci cilindri differenti!)

Gravure printing

Utilizzare il sole

Abbiamo concluso questa lunga rassegna sulle celle solari polimeriche. Lo scopo di questo speciale, oltre ad introdurvi a questo interessante topic di ricerca (di cui sentirete parlare nei prossimi anni), è stato quello di mostrarvi la complessità e la vastità della scienza che si nasconde dietro questa tipologia di celle solari. È vero, il sole fornisce al pianeta un quantitativo di energia impressionante, ma trasformarla in energia elettrica non è poi così semplice, vero? In ogni caso, viste le potenzialità della nostra stella, dedicare risorse a questa ricerca sarà certamente produttivo per gli anni a venire. Vedrete!

ilpositivismo.com

Did you find apk for android? You can find new Free Android Games and apps.