IT201800008110A1 - Dispositivi fotovoltaici comprendenti concentratori solari luminescenti e celle fotovoltaiche a base di perovskite - Google Patents

Dispositivi fotovoltaici comprendenti concentratori solari luminescenti e celle fotovoltaiche a base di perovskite Download PDF

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Description

DISPOSITIVI FOTOVOLTAICI COMPRENDENTI CONCENTRATORI SOLARI LUMINESCENTI E CELLE FOTOVOLTAICHE A BASE DI PEROVSKITE DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda dispositivi fotovoltaici (o dispositivi solari) comprendenti concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators - LSCs) e celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite.
Più in particolare la presente invenzione riguarda un dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) comprendente: almeno un concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) avente una superficie superiore, una superficie inferiore ed uno o più lati esterni; almeno una cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite posta all’esterno di almeno uno dei lati esterni di detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC), detta perovskite essendo scelta tra trialogenuri organometallici.
Detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) può essere vantaggiosamente utilizzato in diverse applicazioni che richiedono la produzione di energia elettrica tramite sfruttamento dell’energia luminosa, in particolare dell’energia delle radiazioni solari quali, ad esempio: sistemi fotovoltaici architettonicamente integrati (“Building Integrated Photo Voltaic” - BIPV); finestre fotovoltaiche; serre; foto-bioreattori; barriere antirumore; illuminotecnica; design; pubblicità; industria dell’automobile. Inoltre, detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) può essere utilizzato sia in modalità “stand alone”, sia in sistemi modulari.
Tipicamente, i concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) noti nell’arte sono in forma di lastra comprendente una matrice in materiale trasparente, come tale, alle radiazioni di interesse (ad esempio, vetri trasparenti o materiali trasparenti polimerici), ed uno o più composti fotoluminescenti generalmente scelti, ad esempio, tra composti organici, complessi metallici, composti inorganici (ad esempio, terre rare), punti quantici (“quantum dots” - QDs). Per effetto del fenomeno ottico della riflessione totale, la radiazione emessa dai composti fotoluminescenti viene “guidata” verso i sottili lati esterni di detta lastra dove viene concentrata su celle fotovoltaiche (o celle solari) ivi poste. In questo modo, si possono utilizzare ampie superfici di materiali a basso costo (detta lastra) per concentrare la luce su piccole superfici di materiali di costo elevato [celle fotovoltaiche (o celle solari)]. Detti composti fotoluminescenti possono essere depositati sulla matrice in materiale trasparente in forma di film sottile, oppure possono essere dispersi all’interno della matrice trasparente. Alternativamente, la matrice trasparente può essere direttamente funzionalizzata con gruppi cromofori fotoluminescenti.
Allo stato della tecnica, le prestazioni dei concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) dipendono da vari fattori tra i quali i più rilevanti sono, ad esempio, sia l’efficienza di conversione dei composti fotoluminescenti utilizzati che assorbono fotoni a lunghezza d’onda più bassa e li convertono in fotoni a maggiore lunghezza d’onda, sia l’efficienza delle celle fotovoltaiche (o celle solari) poste ai lati esterni della lastra che convertono questi ultimi in energia elettrica. Quanto più le celle fotovoltaiche (o celle solari) sono in grado di sfruttare l’energia dei fotoni emessi dai composti fotoluminescenti nella conversione in energia elettrica, tanto maggiore sarà l’efficienza del dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare).
Attualmente, le celle fotovoltaiche (o celle solari) maggiormente utilizzate insieme ai concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” -LSCs) sono quelle inorganiche, in particolare, le celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di silicio cristallino le quali, in condizioni di irradiazione solare diretta, offrono il miglior rapporto prestazioni/costo di produzione.
Tuttavia, poiché le celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di silicio cristallino hanno, generalmente, sia bassi valori di “band-gap” (i.e. bassi valori di differenza di energia tra la banda di conduzione e la banda di valenza) (ad esempio, valori di “band-gap” compresi tra circa 1, 0 eV e circa 1,1 eV) sia bassi valori di tensione a circuito aperto (Voc) [ad esempio, valori di tensione a circuito aperto (“open circuit voltage” - Voc) compresi tra circa 0,5 V e 0,6 V), dette celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di silicio cristallino non consentono di sfruttare al meglio la radiazione emessa dai concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) (generalmente compresa tra 1,5 eV e 2.0 eV).
L’accoppiamento di concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) con celle fotovoltaiche (o celle solari) differenti da quelle a base di silicio cristallino, è stato descritto in letteratura.
Ad esempio, è noto l’accoppiamento di concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) con celle solari inorganiche a base di arseniuro di gallio (GaAs) o di fosfuro di gallio e indio (InGaP) come riportato, ad esempio, da Debjie M. G. e altri, in “Advanced Energy Materials” (2012), Vol. 2, pag.12-35.
Koeppe R. e altri, in “Applied Physics Letters” (2007), Vol. 90, 181126, riportano l’accoppiamento di concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) con celle solari organiche a base di zinco ftalocianina e fullerene C60.
McKenna B. e altri, in “Advanced Materials” (2017), 1606491, riportano l’utilizzo di concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) con diversi tipi di celle solari quali, ad esempio, celle solari a base di silicio cristallino, celle solari a base di arseniuro di gallio (GaAs), celle solari a base di perovskite, celle solari organiche, celle solari sensibilizzate da coloranti (“Dye Sensitized Solar Cells - DSSCs). In particolare, si riportano celle solari a base di perovskite la cui superficie viene ricoperta con uno strato di materiale luminescente allo scopo di migliorare la loro stabilità ai raggi ultravioletti.
Chander N. e altri, in “Applied Physics Letters” (2014), Vol. 105, 33904, riportano un semplice metodo per migliorare la stabilità ai raggi ultravioletti in celle solari a base di perovskite utilizzando uno strato trasparente di materiale luminescente a base di un fosforo di dimensioni nanometriche (“nano-phosphor”), i.e. a base di YVO4:Eu<3+ >ottenuto tramite trattamento idrotermale, come rivestimento. Il suddetto strato è detto altresì consentire un miglioramento della efficienza di dette celle solari a base di perovskite in termini di efficienza di conversione energetica [“Power Conversion Efficiency” - (PCE)].
Hou X. e altri, in “Solar Energy Materials & Solar Cells” (2016), Vol.
149, pag. 121-127, riportano celle solari a base di perovskite ad elevate prestazioni in cui nello strato mesoporoso di biossido di titanio viene incorporato un fosforo di dimensioni nanometriche (“nanophosphor”), i.e. ZnGa2O4:Eu<3+>. Le suddette celle solari a base di perovskite sono dette avere un miglioramento sia in termini di efficienza di conversione energetica [“Power Conversion Efficiency” -(PCE)], sia in termini di densità fotocorrente corto-circuito (“short-circuit photocurrent density” - Jsc).
Bella F. e altri, in “Science” (2016), Vol. 354(6309), pag. 203-127, riportano celle solari a base di perovskite aventi migliorate prestazioni e stabilità ai raggi ultravioletti e all’acqua grazie ad un rivestimento a base di fotopolimeri fluorurati.
Il brevetto americano US 8,952,239 è relativo ad un modulo solare comprendente diversi concentratori solari. In una forma di attuazione, un modulo solare include una serie di celle fotovoltaiche ed un concentratore solare accoppiato a detta serie di celle fotovoltaiche. Dette celle fotovoltaiche possono essere a base di silicio cristallino, o di silicio amorfo, o di germanio o di materiali organici, o di materiali semiconduttori del Gruppo III-V quale l’arseniuro di gallio.
La domanda di brevetto americano US 2014/0283896 è relativa ad un concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) trasparente. In particolare, detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) ha luminofori incorporati in una matrice a guida d’onda che selettivamente assorbe ed emette la luce nel vicinoinfrarosso ad un “array” fotovoltaico montato sul bordo di detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) o incorporato in detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” -LSC). Detto “array” fotovoltaico può comprendere anche celle solari a base di perovskite.
La domanda di brevetto internazionale WO 2015/079094 è relativa ad un concentratore solare caratterizzato dal fatto di comprendere: un substrato trasparente o semitrasparente; un rivestimento di cristalli fotonici; almeno una cella fotovoltaica disposta su detto substrato, la superficie attiva di detta almeno una cella fotovoltaica essendo disposta parallelamente a detto substrato; e uno strato di materiale luminescente disposto a contatto con detto rivestimento di cristalli fotonici, in cui detto rivestimento di cristalli fotonici è disposto su detto substrato e lo strato di materiale luminescente è disposto su detto rivestimento di cristalli fotonici, oppure detto strato di materiale luminescente è disposto su detto substrato e il rivestimento di cristalli fotonici è disposto su detto strato di materiale luminescente. Tra le celle fotovoltaiche utili allo scopo vengono citate anche celle solari a base di perovskite.
Tuttavia, dall’arte nota sopra riportata si evince che l’accoppiamento di concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) con celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite non è stato specificatamente descritto e/o esemplificato.
Le celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite sono concorrenti relativamente nuovi nelle tecnologie del solare fotovoltaico e hanno visto un enorme miglioramento nell’efficienza di conversione dell’energia in un brevissimo periodo di tempo. In particolare, le celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite sono passate, in soli cinque anni, dal 2012 al 2016 da una efficienza di conversione intorno al 4% fino al 22,1% come mostrato nel seguente sito Internet: https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png. La tipologia di celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite largamente utilizzata nel campo del fotovoltaico (o solare) è quella ibrida organica-inorganica, basata su un materiale alogenuro organometallico caratterizzato da elevati coefficienti di estinzione e mobilità cellulare. La struttura perovskite è generalmente rappresentata dalla formula ABX3 e, nel caso di detto materiale alogenuro organometallico, A rappresenta un catione organico, B rappresenta un catione metallico, e X rappresenta un anione alogeno. In particolare, allo stato attuale il tipo di perovskite maggiormente utilizzato è quello basato su alogenuri di piombo in cui A (il catione organico) è il metilammonio CH3NH3<+>, B (il catione metallico) è lo ione piombo Pb2<+ >ed X (l’anione alogeno) è lo ione tri-ioduro I-, per cui la formula complessiva è CH3NH3PbI3. Il “band gap” di detto tipo di perovskite è pari a 1,57 eV che corrisponde ad una lunghezza d’onda pari a circa 790 nm riuscendo, quindi, ad assorbire tutto lo spettro visibile.
Inoltre, le celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite sono di facile produzione ed utilizzano materiali comuni e sono, quindi, vantaggiose anche dal punto di vista economico. Più specificamente, dette celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite combinano la cristallinità e l’alto trasferimento di carica [sia degli elettroni (-), sia delle lacune elettroniche (o buche) (+)] che si trova nei semiconduttori inorganici, con la produzione a basso costo di celle fotovoltaiche (o celle solari) basate su processi a bassa temperatura in presenza di solvente. Inoltre, a differenza delle tradizionali celle fotovoltaiche (o celle solari) a semiconduttore, le celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite possono, variando la tipologia di atomi della loro struttura cristallina, modulare il “band-gap” e, quindi, la capacità di assorbire in particolari porzioni dello spettro solare. Per contro, dette celle fotovoltaiche (o celle solari) solari a base di perovskite presentano una efficienza quantica esterna (EQE) inferiore rispetto alla efficienza quantica esterna (EQE) delle celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di silicio cristallino.
Maggiori dettagli relativi a celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite possono essere trovati, ad esempio in: Cui J. e altri, “Science and Technology of Advanced Materials” (2015), Vol. 16, 036004; Eperon G. E. e altri, “Energy & Environmental Science” (2014), Vol. 7, pag. 982-988; Li G. e altri, “Advanced Energy Materials” (2015), 1401775.
Lo studio di dispostivi fotovoltaici (o dispositivi solari) comprendenti concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) e celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite è quindi, di grande interesse.
La Richiedente si è quindi posta il problema di trovare un dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) comprendente concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” - LSCs) e celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite, in grado di mostrare buoni valori della densità di potenza elettrica ( p) e, di conseguenza, buone prestazioni.
La Richiedente ha ora trovato un dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) comprendente almeno un concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) ed almeno una cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite, in grado di mostrare buoni valori della densità di potenza elettrica ( p) e, di conseguenza, buone prestazioni. Inoltre, detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) mostra un rapporto tra la densità di potenza elettrica ( p) generata e la densità di potenza elettrica attesa ( pattesa) calcolata come sotto riportato, superiore a 1 e, di conseguenza una maggiore densità di potenza elettrica ( p)generata rispetto a quella attesa. Detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) può essere vantaggiosamente utilizzato in diverse applicazioni che richiedono la produzione di energia elettrica tramite sfruttamento dell’energia luminosa, in particolare dell’energia delle radiazioni solari quali, ad esempio: sistemi fotovoltaici architettonicamente integrati (“Building Integrated Photo Voltaic” - BIPV); finestre fotovoltaiche; serre; fotobioreattori; barriere antirumore; illuminotecnica; design; pubblicità; industria dell’automobile. Inoltre, detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) può essere utilizzato sia in modalità “stand alone”, sia in sistemi modulari.
Costituisce pertanto oggetto della presente invenzione un dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) comprendente:
- almeno un concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) avente una superficie superiore, una superficie inferiore ed uno o più lati esterni;
- almeno una cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite posta all’esterno di almeno uno dei lati esterni di detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC), detta perovskite essendo scelta tra trialogenuri organometallici.
Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni che seguono, le definizioni degli intervalli numerici comprendono sempre gli estremi a meno di diversa specificazione.
Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni che seguono, il termine “comprendente” include anche i termini “che consiste essenzialmente di” o “che consiste di”.
Come detto sopra, detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) ha una superficie superiore, una superficie inferiore ed uno o più lati esterni. Secondo una forma di attuazione, detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) può avere un lato esterno (e.g., può essere circolare), tre, quattro, cinque, sei, sette, o più lati. Secondo una forma di attuazione, detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) può avere una superficie inferiore distanziata dalla superficie superiore in cui il/i lato/i esterno/i si estende/ono dalla superficie superiore a quella inferiore. Secondo una forma di attuazione, detta superficie superiore è configurata per ricevere i fotoni da una fonte di fotoni ed è posizionata più vicino alla fonte di fotoni rispetto a detta superficie inferiore.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” -LSC) ha una superficie superiore configurata per ricevere i fotoni, una superficie inferiore configurata per ricevere i fotoni, detta superficie superiore essendo posizionata più vicino alla fonte di fotoni rispetto alla superficie inferiore e quattro lati esterni che si estendono dalla superficie superiore a quella inferiore.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” -LSC) è una lastra comprendente una matrice in materiale trasparente ed almeno un composto fotoluminescente.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto materiale trasparente può essere scelto, ad esempio, tra: polimeri trasparenti quali, ad esempio, polimetilmetacrilato (PMMA), policarbonato (PC), poliisobutil metacrilato, polietil metacrilato, poliallil diglicole carbonato, polimetacrilimmide, policarbonato etere, polietilentereftalato, polivinilbutirrale, copolimeri etilenevinilacetato, copolimeri etilene-tetrafluoroetilene, poliimmide, poliuretano, copolimeri stirene-acrilonitrile, copolimeri stirene-butadiene, polistirene, copolimeri metil-metacrilato stirene, polietere sulfone, polisulfone, triacetato di cellulosa, composizioni acriliche reticolate trasparenti e resistenti all’impatto che consistono di una matrice fragile (I) avente una temperatura di transizione vetrosa (Tg) superiore a 0°C e domini elastomerici aventi dimensioni inferiori a 100 nm che consistono di sequenze macromolecolari (II) aventi natura flessibile con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) inferiore a 0°C descritte, ad esempio, nella domanda di brevetto americano US 2015/0038650 (in seguito indicate, per maggior semplicità come PPMA-IR), o loro miscele; vetri trasparenti quali, ad esempio, silice, quarzo, allumina, titania, o loro miscele. Polimetilmetacrilato (PMMA), PMMA-IR, o loro miscele, sono preferiti. Preferibilmente detto materiale trasparente può avere un indice di rifrazione compreso tra 1,30 e 1,70.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto composto fotoluminescente può essere scelto, ad esempio, tra: composti perilenici quali, ad esempio, i composti noti con il nome commerciale di Lumogen<® >della Basf; composti acenici descritti, ad esempio, nella domanda di brevetto internazionale WO 2011/048458 a nome della Richiedente; composti benzotiadiazolici descritti, ad esempio, nella domanda di brevetto internazionale WO 2011/048458 a nome della Richiedente; composti comprendenti un gruppo benzoeterodiazolico e almeno un gruppo benzoditiofenico descritti, ad esempio, nella domanda di brevetto internazionale WO 2013/098726 a nome della Richiedente; composti naftotiadiazolici disostituiti descritti, ad esempio, nella domanda di brevetto europeo EP 2 789 620 a nome della Richiedente; composti benzoeterodiazolici disostituiti con gruppi benzoditiofenici descritti, ad esempio, nella domanda di brevetto europeo EP 2 789 620 a nome della Richiedente; composti benzoeterodiazolici disostituiti descritti, ad esempio, nella domanda di brevetto internazionale WO 2016/046310 a nome della Richiedente; composti diarilossibenzoeterodiazolici disostituiti descritti, ad esempio, nella domanda di brevetto internazionale WO 2016/046319 a nome della Richiedente; o loro miscele.
Esempi specifici di composti fotoluminescenti che possono essere vantaggiosamente utilizzati allo scopo della presente invenzione sono: N,N’-bis(2’,6’-di-iso-propilfenil)(1,6,7,12-tetrapenossi)(3,4,9,10-perilene-diimmide (Lumogen<® >F Red 305 - Basf), 9,10-difenilantracene (DPA), 4,7-di(tien-2’-il)-2,1,3-benzotiadiazolo (DTB), 5,6-difenossi-4,7-bis(2-tienil)-2,1,3-benzotiadiazolo (DTBOP), 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (MPDTBOP), 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,5-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (PPDTBOP), 4,7-bis[5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (MPDTB), 4,7-bis[5-(2,6-di-isopropilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (IPPDTB), 4,7-bis[4,5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (2MPDTB) 4,7-bis(7’,8’-dibutilbenzo[1’,2’-b’:4’,3’-b′’]ditien-5’-il)-benzo[c][1,2,5]tiadiazolo (F500), 4,9-bis(7’,8’-dibutilbenzo[1’,2’-b’:4’,3’-b′’]ditien-5’-il)-nafto[2,3-c][1,2,5]tiadiazolo (F521), 4,7-bis(5-(tiofen-2-il)tiofen-2-il)benzo[c][1,2,5]tiadiazolo (QTB), 4,9-bis(tien-2’-il)-nafto[2,3-c][1,2,5]tiadiazolo (DTN), o loro miscele. 9,10-5,6-Difenossi-4,7-bis[5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (MPDTBOP), 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,5-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (PPDTBOP), N,N’-bis(2’,6’-di-iso-propilfenil)(1,6,7,12-tetrapenossi)(3,4,9,10-perilene-diimmide (Lumogen<® >F Red 305 - Basf), o loro miscele, sono preferiti.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto composto fotoluminescente può essere presente in detta matrice trasparente in quantità compresa tra 0,1 g per unità di superficie e 3 g per unità di superficie, preferibilmente compresa tra 0,2 g per unità di superficie e 2,5 g per unità di superficie, detta unità di superficie essendo riferita alla superficie della matrice in materiale trasparente espressa in m<2>.
In accordo con una ulteriore forma di attuazione della presente invenzione, detto composto fotoluminescente può essere scelto, ad esempio, tra “quantum dots” (QDs) che possono essere composti da differenti elementi che possono essere scelti, ad esempio, tra gli elementi appartenenti ai gruppi 12-16, 13-15, 14-16, della Tabella Periodica degli Elementi. Preferibilmente, detti “quantum dots” (QDs) possono essere scelti, ad esempio tra: solfuro di piombo (PbS), solfuro di zinco (ZnS), solfuro di cadmio (CdS), seleniuro di cadmio (CdSe), telluluro di cadmio (CdTe), argento (Ag), oro (Au), alluminio (Al), o loro miscele.
Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni che seguono, il termine “Tabella Periodica degli Elementi” è riferito alla “IUPAC Periodic Table of the Elements”, versione datata 8 Gennaio 2016, riportata al seguente sito Internet: https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/.
Maggiori informazioni relative a detti “quantum dots” (QDs) possono essere trovate, ad esempio, nella domanda di brevetto americano US 2011/240960.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto composto fotoluminescente, quando scelto tra detti “quantum dots” (QDs), può essere presente in detta matrice trasparente in quantità compresa tra 0,05 g per unità di superficie e 100 g per unità di superficie, preferibilmente compresa tra 0,15 g per unità di superficie e 20 g per unità di superficie, detta unità di superficie essendo riferita alla superficie della matrice in materiale trasparente espressa in m<2>.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” -LSC) è una lastra avente uno spessore compreso tra 0,1 μm e 50 mm, preferibilmente compreso tra 0,5 μm e 20 mm.
I suddetti composti fotoluminescenti possono essere utilizzati in detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrators” - LSC), in diverse forme.
Ad esempio, nel caso in cui la matrice trasparente è di tipo polimerico, detto almeno un composto fotoluminescente può essere disperso nel polimero di detta matrice trasparente mediante, ad esempio, dispersione in fuso, o additivazione in massa, e successiva formazione di una lastra comprendente detto polimero e detto almeno un composto fotoluminescente, operando, ad esempio, secondo la tecnica chiamata “casting”. Alternativamente, detto almeno un composto fotoluminescente e il polimero di detta matrice trasparente possono essere solubilizzati in almeno un solvente adatto ottenendosi una soluzione che viene depositata su una lastra di detto polimero, formando un film comprendente detto almeno un composto fotoluminescente e detto polimero, operando, ad esempio, mediante l’utilizzo di un filmografo tipo “Doctor Blade”: successivamente detto solvente viene lasciato evaporare. Detto solvente può essere scelto, ad esempio, tra: idrocarburi quali, ad esempio, 1,2-diclorometano, 1,2-diclorobenzene, toluene, esano; chetoni quali, ad esempio, acetone, acetilacetone; o loro miscele.
Nel caso in cui la matrice trasparente è di tipo vetroso, detto almeno un composto fotoluminescente può essere solubilizzato in almeno un solvente adatto (che può essere scelto tra quelli sopra riportati) ottenendosi una soluzione che viene depositata su una lastra di detta matrice trasparente di tipo vetroso, formando un film comprendente detto almeno un composto fotoluminescente operando, ad esempio, mediante l’utilizzo di un filmografo tipo “Doctor Blade”: successivamente detto solvente viene lasciato evaporare.
Alternativamente, una lastra comprendente detto almeno un composto organico fotoluminescente e detto polimero, ottenuta come sopra descritto secondo la tecnica chiamata “casting”, può essere racchiusa tra due lastre di detta matrice trasparente di tipo vetroso (“a sandwich”) operando secondo la tecnica nota utilizzata per la preparazione di vetrocamera in atmosfera inerte.
Allo scopo della presente invenzione, detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrators” - LSC) può essere realizzato in forma di lastra per additivazione in massa e successivo “casting”, come sopra descritto: maggiori dettagli possono essere trovati negli esempi che seguono.
In accordo con una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, detta peroviskite può essere scelta, ad esempio, tra trialogenuri organometallici aventi formula generale ABX3 in cui:
- A rappresenta un catione organico quale, ad esempio, metilammonio (CH3NH3<+>), formammidinio [CH(NH2)2<+>], n-butilammonio (C4H12N<+>), tetra-butilammonio (C16H36N<+>);
- B rappresenta un catione metallico quale, ad esempio, piombo (Pb<+>), stagno (Sn<+>);
- X rappresenta uno ione alogenuro quale, ad esempio, iodio (I), cloro (Cl), bromo (Br).
In accordo con una ulteriore forma di realizzazione preferita della presente invenzione, detta perovskite può essere scelta, ad esempio tra: metilammonio piombo ioduro (CH3NH3PbI3), metilammonio piombo bromuro (CH3NH3PbBr3), metilammonio piombo cloruro (CH3NH3PbCl3), metilammonio piombo ioduro bromuro (CH3NH3PbIxBr3-x), metilammonio piombo ioduro cloruro (CH3NH3PbIxCl3-x), formammidinio piombo ioduro [CH(NH2)2PbI3], formammidinio piombo bromuro [CH(NH2)2PbBr3], formammidinio piombo cloruro [CH(NH2)2PbCl3], formammidinio piombo ioduro bromuro [CH(NH2)2PbIxBr3-x], formammidinio piombo ioduro cloruro [CH(NH2)2PbIxCl3-x], n-butilammonio piombo ioduro (C4H12NPbI3), tetra-butilammonio piombo ioduro (C16H36NPbI3), n-butilammonio piombo bromuro (C4H12NPbBr3), tetrabutilammonio piombo bromuro (C16H36NPbBr3), metilammonio stagno ioduro (CH3NH3SnI3), metilammonio stagno bromuro (CH3NH3SnBr3), metilammonio stagno ioduro bromuro (CH3NH3SnIxBr3-x), formammidinio stagno ioduro [CH(NH2)2SnI3], formammidinio stagno ioduro bromuro [CH(NH2)2SnIxBr3-x], nbutilammonio stagno ioduro (C4H12NSnI3), tetra-butilammonio stagno ioduro (C16H36NSnI3), n-butilammonio stagno bromuro (C4H12NSnBr3), tetrabutilammonio stagno bromuro (C16H36NSnBr3), metilammonio stagno ioduro (CH3NH3SnI3), o loro miscele. Metilammonio piombo ioduro (CH3NH3PbI3) è preferito.
Allo scopo della presente invenzione, detta cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite può essere scelta tra le cella fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite note nell’arte.
Allo scopo della presente invenzione, detta cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite comprende:
- un substrato in vetro ricoperto da uno strato di ossido trasparente e conduttivo (TCO), comunemente ossido di stagno drogato con fluoro (SnO2:F) (“Fluorinated Tin Oxide” -FTO), oppure ossido di indio drogato con stagno (“Indium Tin Oxide” - ITO) che costituisce l’anodo;
- un strato trasportatore di elettroni (“Electron Transport Material” - ETO) che ha lo scopo di estrarre gli elettroni fotogenerati dalla perovskite e trasferirli all’anodo; è detto anche “strato bloccante” in quanto blocca le lacune elettroniche (o buche) e, generalmente, è uno strato compatto di biossido di titanio (TiO2);
- opzionalmente, uno “scaffold” di biossido di titanio (TiO2) mesoporoso che ha lo scopo di fornire una maggiore area di interfaccia con la perovskite aumentando l’efficienza di raccolta degli elettroni, i quali devono percorrere un cammino più breve e vedono ridotta la probabilità di ricombinazione; può, inoltre, allungare il cammino ottico favorendo l’assorbimento delle radiazioni;
- uno strato di perovskite, preferibilmente di metilammonio piombo ioduro (CH3NH3PbI3), che è lo strato assorbente, il metilammonio piombo ioduro (CH3NH3PbI3), come detto sopra, è la struttura più utilizzata in quanto presenta un coefficiente di assorbimento elevato in tutto lo spettro UV e visibile, un “band-gap” pari a 1,57 eV, prossimo al valore ottimale per massimizzare l’efficienza di conversione ed una considerevole distanza di diffusione degli elettroni e delle lacune elettroniche (o buche) (oltre 100 nm);
- uno strato a base di un materiale trasportatore di lacune (“Hole Transport Material” - HTM), generalmente, di spiro-MeOTAD [2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-di-4-metossifenilammino)-9,9’-spirobifluorene];
- un contatto metallico noto come “back contact” che costituisce il catodo, generalmente uno strato di oro o di argento.
Detta cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite può essere costruita operando secondo procedimenti noti nell’arte come descritto, ad esempio, da Li G. e altri, in “Advanced Energy Materials” (2015), 1401775, sopra riportato: maggiori dettagli relativa alla costruzione di detta cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite possono essere trovati negli esempi che seguono.
Allo scopo di migliorare l’adesione tra detto almeno un concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) e detta almeno una cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite può essere utilizzato un opportuno gel ottico.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta almeno una cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite può essere accoppiata ad almeno uno dei lati esterni di detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) mediante un opportuno gel ottico. Detto gel ottico deve possedere un indice di rifrazione che permetta un buon accoppiamento ottico e può essere scelto, ad esempio, tra oli e grassi siliconici trasparenti, resine epossidiche.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, l’energia elettrica generata da detta almeno una cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite può essere trasportata utilizzando un sistema di cablaggio (“wiring system”) che è connesso con detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare).
Allo scopo della presente invenzione, una o più celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite possono essere poste all’esterno di almeno uno dei lati di detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” -LSC), preferibilmente dette celle fotovoltaiche (o celle solari) a base di perovskite possono ricoprire parzialmente, oppure completamente, il perimetro esterno di detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” -LSC).
Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni che seguono, con il termine “perimetro esterno” si intendono i lati esterni di detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC).
Come detto sopra detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) può essere vantaggiosamente utilizzato in diverse applicazioni che richiedono la produzione di energia elettrica tramite sfruttamento dell’energia luminosa, in particolare dell’energia delle radiazioni solari quali, ad esempio: sistemi fotovoltaici architettonicamente integrati (“Building Integrated Photo Voltaic” -BIPV); finestre fotovoltaiche; serre; foto-bioreattori; barriere antirumore; illuminotecnica; design; pubblicità; industria dell’automobile. Inoltre, detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) può essere utilizzato sia in modalità “stand alone”, sia in sistemi modulari.
Di conseguenza, è un ulteriore oggetto della presente invenzione, l’uso di detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in: sistemi fotovoltaici architettonicamente integrati (“Building Integrated Photo Voltaic” - BIPV); finestre fotovoltaiche; serre; foto-bioreattori; barriere antirumore; illuminotecnica; design; pubblicità; industria dell’automobile.
La presente invenzione sarà ora illustrata in maggior dettaglio attraverso forma realizzativa con riferimento alle Figure 1 e 2 sotto riportate.
In particolare, la Figura 1 rappresenta una vista in sezione rispetto al piano (A) di Figura 2, di un dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) (100) comprendente: un concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) (110) includente almeno un composto fotoluminescente (120) e una cella fotovoltaica (o cella solare) (110a) a base di perovskite comprendente i seguenti strati: un substrato in vetro (140) ricoperto da uno strato di ossido trasparente e conduttivo (TCO) (anodo) (150); uno strato trasportatore di elettroni (“Electron Transport Material” - ETO) (160); uno strato di perovskite (170); opzionalmente, uno “scaffold” di biossido di titanio (TiO2) mesoporoso (non rappresentato in Figura 1) posto tra detto strato trasportatore di elettroni (“Electron Transport Material” - ETO) (160) e detto strato di perovskite (170); uno strato a base di un materiale trasportatore di lacune (“Hole Transport Material” - HTM) (180), un contatto metallico noto come “back contact” (catodo) (190); opzionalmente, un opportuno gel ottico (non rappresentato in Figura 1) posto tra detto strato substrato in vetro (140) e detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” LSC) (110). In detta Figura 1, un fotone incidente (130) avente una prima lunghezza d’onda entra nel concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) (110) e viene assorbito dal composto fotoluminescente (120) ed emesso ad una seconda lunghezza d’onda diversa dalla prima. I fotoni incidenti vengono internamente riflessi e rifratti all’interno del concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) fino a quando giungono alla cella fotovoltaica (o cella solare) (110a) e convertiti in energia elettrica.
La Figura 2 rappresenta una vista tridimensionale di un dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) (100) comprendente un concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) (110) e una cella fotovoltaica (o cella solare) (110a) a base di perovskite.
Allo scopo di meglio comprendere la presente invenzione e per mettere in pratica la stessa, di seguito si riportano alcuni esempi illustrativi e non limitativi della stessa.
Negli esempi che seguono, per maggior semplicità, vengono utilizzati i termini “cella solare” e “dispositivo solare” che sono da intedersi avere lo stesso significato di “cella fotovoltaica” e “dispositivo fotovoltaico”.
ESEMPIO 1
Preparazione lastra 1 (“casting”) (LSC1)
In una beuta da 4 litri sono stati scaldati, sotto agitazione magnetica, 2500 ml di metilmetacrilato (MMA) (Sigma-Aldrich), precedentemente distillato allo scopo di rimuovere eventuali inibitori di polimerizzazione, portando la temperatura a 80°C, in 2 ore. Successivamente, sono stati aggiunti 250 mg di 2,2’-azo-bis[2-metilpropionammidina]dicloroidrato (AIBN) (iniziatore) disciolti in 250 ml di metilmetacrilato (MMA) (Sigma-Aldrich), precedentemente distillato: la temperatura della miscela ottenuta diminuisce di circa 3°C - 4°C. Detta miscela è stata scaldata portando la temperatura a 94°C in 1 ora: il tutto è stato lasciato a detta temperatura per 2 minuti e successivamente raffreddato in un bagno di ghiaccio ottenendo uno sciroppo di pre-polimero che, se non utilizzato immediatamente, può essere conservato per qualche settimana in frigorifero.
Successivamente, è stato preparato uno stampo assemblato con due lastre di vetro aventi dimensioni pari a 100x400x6 mm, separate da una guarnizione in polivinilcloruro (PVC) di diametro maggiore pari 6 mm, tenuto insieme da ganasce metalliche.
Successivamente, in un pallone di vetro da 4 litri sono stati caricati 2 litri di sciroppo di pre-polimero ottenuto come sopra descritto, 120 mg di lauroil perossido (Sigma-Aldrich) disciolti in 1 litro di metilmetacrilato (MMA) (SigmaAldrich), precedentemente distillato, una quantità di 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (MPDTBOP) pari a 200 ppm, 5000 ppm di Tinuvin<® >P (Basf) e 5000 ppm di Tinuvin<® >770 (Basf): la miscela ottenuta è stata mantenuta sotto agitazione magnetica e sotto vuoto (10 mm Hg), per 45 minuti, a temperatura ambiente (25°C), ottenendosi una soluzione degassata. La soluzione così ottenuta, è stata versata nello stampo preparato come sopra descritto il quale, dopo aver chiuso l’apertura della guarnizione, è stato immerso in un bagno ad acqua a 55°C, per 48 ore. Successivamente, lo stampo è stato posto in forno a 95°C, per 24 ore (“curing step”) quindi, tolto dal forno e lasciato raffreddare a temperatura ambiente (25°C). Successivamente, sono state tolte le ganasce metalliche e la guarnizione, e le lastre di vetro sono state separata isolando la lastra 1 (LSC1) (la lastra è stata tagliata così da avere dimensioni pari a 75x300x6 mm)
ESEMPIO 2
Preparazione lastra 2 (“casting”) (LSC2)
La lastra 2 (LSC2) è stata preparata operando come riportato nell’Esempio 1, ad eccezione del fatto che invece del 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (MPDTBOP) è stato utilizzato 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,5-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (PPDTBOP) in quantità pari a 200 ppm, ottenendosi la lastra 2 (LSC2) (dimensioni 75x300x6 mm).
ESEMPIO 3
Preparazione lastra 3 (“casting”) (LSC3)
La lastra 3 (LSC3) è stata preparata operando come riportato nell’Esempio 1, ad eccezione del fatto che invece del 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (MPDTBOP) è stato N,N’-bis(2’,6’-di-isopropilfenil)(1,6,7,12-tetrafenossi)(3,4,9,10-perilene-diimmide (Lumogen<® >F Red 305 - Basf) in quantità pari a 160 ppm, ottenendosi la lastra 3 (LSC3) (dimensioni 75x300x6 mm).
ESEMPIO 4
Preparazione cella solare a base di perovskite
Una cella solare a base di perovskite è stata preparata seguendo, con alcune modifiche, la procedura descritta da Li G. e altri, in “Advanced Energy Materials” (2015), 1401775, sopra riportato.
A tale scopo, una cella solare a base di perovskite è stata preparata su un substrato di vetro rivestito di FTO [ossido di stagno drogato con fluoro (SnO2:F) - (“Fluorinated Tin Oxide”) (Hartford Glass), precedentemente sottoposto ad una procedura di pulizia consistente in una pulitura manuale, strofinando con un panno che non lascia pelucchi (“lint-free”) imbevuto di un detergente diluito con acqua distillata. Il substrato è stato quindi risciacquato con acqua distillata. Successivamente, il substrato è stato pulito approfonditamente tramite i seguenti metodi in sequenza: bagni ultrasonici in (i) acqua distillata più detergente (seguito da asciugatura manuale con un panno che non lascia pelucchi (“lint-free”); (ii) acqua distillata [seguito da asciugatura manuale con un panno che non lascia pelucchi (“lint-free”)]; (iii) acetone (Aldrich) e (iv) iso-propanolo (Aldrich) in sequenza. In particolare, il substrato è stato sistemato in un becher contenente il solvente, posto in un bagno ultrasonico, mantenuto a 40°C, per un trattamento di 10 minuti. Dopo i trattamenti (iii) e (iv), il substrato è stato asciugato con un flusso di azoto compresso.
Successivamente, il vetro/FTO è stato ulteriormente pulito tramite trattamento in un dispositivo a ozono (UV Ozone Cleaning System EXPO3 -Astel), immediatamente prima di procedere alla fase successiva.
Il substrato così trattato era pronto per la deposizione dello strato trasportatore di elettroni (“Electron Transport Material” - ETO). A tale scopo, uno strato di biossido di titanio (TiO2) compatto è stato depositato tramite “sputtering” reattivo in corrente continua (DC), utilizzando biossido di titanio (TiO2) come target, in presenza di argon (Ar) (20 sccm) e di ossigeno (O2) (4 sccm) sul substrato. Lo spessore dello strato di biossido di titanio (TiO2) è risultato essere pari a 115 nm.
Sopra lo strato di biossido di titanio (TiO2) ottenuto è stato deposto uno strato di biossido di titanio (TiO2) mesoporoso operando come segue. A tale scopo, è stata preparata una soluzione di una pasta di biossido di titanio (TiO2) mesoporoso (Dyesol 18NRT - Aldrich) (2 g) in etanolo (Aldrich) (6 g) e terpineolo (2 g) (Aldrich): detta soluzione è stato depositata, tramite “spin coating” operando ad una velocità di rotazione pari a 2000 rpm (accelerazione pari a 1000 rpm/s), per 45 secondi. Lo spessore dello strato di biossido di titanio (TiO2) mesoporoso è risultato essere pari a 600 nm. Al termine della deposizione, il tutto è stato sottoposto ad “annealing” a 500°C, per 2 ore e successivamente nuovamente sottoposto a pulizia tramite trattamento in un dispositivo a ozono (UV Ozone Cleaning System EXPO3 - Astel), immediatamente prima di procedere alla fase successiva.
Sopra lo strato biossido di titanio (TiO2) mesoporoso così ottenuto, è stato depositato lo strato di perovskite, i.e. lo strato di metilammonio piombo ioduro (CH3NH3PbI3) operando come segue: i) lo ioduro di piombo (PbI2) (purezza 99% - Aldrich) è stato disciolto in N,N-dimetilformammide (purezza 99,8% - Aldrich) operando sotto agitazione, ad una temperatura di 75°C, per 30 minuti, ottenendosi una soluzione ad una concentrazione di ioduro di piombo (PbI2) pari a 462 mg/ml, detta soluzione è stata depositata, su detto strato biossido di titanio (TiO2) mesoporoso, tramite “spin coating” operando ad una velocità di rotazione pari a 6000 rpm (accelerazione pari a 1000 rpm/s), per 90 secondi ed il tutto è stato essiccato, a 100°C, per 15 minuti; ii) dopo aver raffreddato a temperatura ambiente, il tutto è stato sottoposto a “dip coating”, per 5 minuti, in una soluzione di metilammonio ioduro (MAI) (CH3NH3I) (purezza 98% - Aldrich) in isopropanolo (Aldrich) (concentrazione MAI pari a 10 mg/ml); iii) “spin coating” di una soluzione di metilammonio ioduro (MAI) (CH3NH3I) (purezza 98% -Aldrich) in isopropanolo (Aldrich) (concentrazione pari MAI pari a 5 mg/ml) operando ad una velocità di rotazione pari a 6000 rpm (accelerazione pari a 1000 rpm/s), per 30 secondi (celle solari di seguito indicate come “Tipo A”). Per quanto riguarda le celle solari di seguito indicate come “Tipo B” le soluzione di metilammonio ioduro (MAI) (CH3NH3I) (purezza 98% - Aldrich) utilizzate nello stadio ii) e nello stadio iii) sono state ottenute utilizzando detto metilammonio ioduro (MAI) (CH3NH3I) dopo cristallizzazione da eptano previa dissoluzione in isopropanolo (concentrazione di MAI pari a 10 mg/ml). Al termine della deposizione, il tutto è stato sottoposto ad essicazione, a 100°C, per 30 minuti e, successivamente raffreddato a temperatura ambiente (25°C). Lo spessore dello strato di perovskite è risultato essere pari a 300 nm.
Sopra lo strato di perovskite ottenuto, è stato depositato uno strato a base di un materiale trasportatore di lacune (“Hole Transport Material” - HTM). A tale scopo, 72,3 mg di spiro-MeOTAD [2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-di-4-metossifenilammino)-9,9’-spirobifluorene] (Aldrich) sono stati sciolti in 1 ml di clorobenzene (purezza 99,8% - Aldrich) e, successivamente, alla soluzione ottenuta, sono stati aggiunti 28,8 �l di 4-tert-butil piridina (purezza 96% -Aldrich) e 17,5 μl di una soluzione stock a concentrazione pari a 520 mg/ml di litio-bis(trifluorometilsulfonil)immide (purezza 98% - Alfa Aesar) in acetonitrile (purezza 99,8% - Aldrich): la soluzione così ottenuta è stata depositata, tramite “spin coating” operando ad una velocità di rotazione pari a 2000 rpm (accelerazione pari a 500 rpm/s), per 45 secondi. Lo spessore dello strato a base di un materiale trasportatore di lacune (“Hole Transport Material” - HTM) è risultato essere pari a 150 nm.
Sopra detto strato a base di un materiale trasportatore di lacune (“Hole Transport Material” - HTM) è stato depositato il “back contact” (catodo) d’oro (Au), avente uno spessore pari a 100 nm, tramite evaporazione sottovuoto, mascherando opportunamente l’area del dispositivo in modo da ottenere un’area attiva pari a 1,28 cm<2>.
La deposizione del catodo è stata effettuata in una camera di evaporazione sottovuoto standard contenente il substrato e un recipiente di evaporazione munito di una resistenza riscaldante contenente 10 palline (“shots”) d’oro (Au) (diametro 1 mm-3 mm) (Aldrich). Il processo di evaporazione è stato condotto sotto vuoto, a pressione di circa 1 x 10<-6 >bar. L’oro (Au), dopo evaporazione, è stato condensato nelle parti non-mascherate del dispositivo.
Gli spessori sono stati misurati tramite microscopia elettronica a scansione utilizzando un microscopio a scansione elettronica (“Scanning Electron Microscope” - SEM) Jeol 7600f, dotato di un cannone elettronico ad emissione di campo, operando con tensione acceleratrice compresa tra 1 kV e 5 kV, e sfruttando il segnale proveniente da elettroni secondari.
ESEMPIO 5
Preparazione dispositivo solare
Ad un lato della lastra 1 (LSC1) ottenuta come descritto nell’Esempio 1, è stata appoggiata, una cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) ottenuta come descritto nell’Esempio 4.
Allo scopo è stato realizzato un supporto con una stampante 3D in grado di mantenere vicino ed allineata la cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) lungo il lato corto di detta lastra 1 (LSC1) ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo PSC - Tipo A).
Successivamente, al termine della caratterizzazione elettrica del dispositivo solare (PSC - Tipo A), è stata sostituita la cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) con la cella solare a base di perovskite di “Tipo B” (PSC - Tipo B) ottenuta come descritto nell’Esempio 4, ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo PSC - Tipo B).
A scopo comparativo, al termine della caratterizzazione elettrica del dispositivo solare (PSC - Tipo B), la cella solare a base di perovskite di “Tipo B” (PSC - Tipo B) è stata sostituita con una cella solare al silicio (Cella Si) KXOB22-12X1 della IXYS avente dimensione 22x6 mm e una superficie pari a 1,22 cm<2>, ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo Cella Si).
La caratterizzazione elettrica dei dispositivi solari sopra riportati, i.e. (Dispositivo PSC - Tipo A), (Dispositivo PSC - Tipo B) e (Dispositivo Cella Si), è stata effettuata a temperatura ambiente (25°C). Le curve corrente-tensione (I-V) sono state acquisite con un sourcemeter Keithley<® >2601A collegato ad un personal computer per la raccolta dei dati. La fotocorrente è stata misurata esponendo il dispositivo alla luce di un simulatore solare ABET SUN<® >2000-4, posto ad una distanza di 10 mm da detta lastra 1 (LSC 1), in grado di fornire un irraggiamento AM 1,5G, utilizzando uno spot di illuminazione pari a 100 mm x 100 mm: in Tabella 1, sono riportati i parametri caratteristici come valori medi.
In Tabella 1 è altresì riportata la densità di potenza elettrica attesa ( ρattesa) dei dispositivi solari sopra riportati calcolata secondo la seguente equazione: ( ρattesa) = ( ρ Si) x ECPSC
in cui:
- ( ρ Si) è la densità di potenza elettrica (mWcm<-2>) del dispositivo solare comprendente la cella solare al silicio (Cella Si) ed il concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) (Dispositivo Cella Si);
- ECPSC è l’efficienza di conversione fotoelettrica del dispositivo solare comprendente la cella solare a base di perovskite ed il concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) (i.e. Dispositivo PSC - Tipo A e Dispositivo PSC - Tipo B).
Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni che seguono, detta efficienza di conversione fotoelettrica (ECPSC), è definita come il rapporto tra il numero di elettroni prodotti nel circuito esterno nel materiale semiconduttore del dispositivo solare ed il numero di fotoni incidenti sulla cella solare a base di perovskite attraverso il concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) ed è stata calcolata secondo la seguente equazione:
(ECPSC) = Jsc(PSC) x 6,24x10<15>/DFF
in cui:
- Jsc(PSC) [densità fotocorrente corto-circuito “short-circuit photocurrent density”] misurata in (mA/cm<2>) del dispositivo solare comprendente la cella solare a base di perovskite ed il concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) (i.e. Dispositivo PSC - Tipo A e Dispositivo PSC - Tipo B);
- DFF è la densità di flusso di fotoni calcolata come sotto riportato.
Allo scopo del suddetto calcolo è stata utilizzata l’efficienza quantica esterna [EQE (%)] della cella solare al silicio (Cella Si) KXOB22-12X1 della IXYS che come si vede dalla Figura 3 in cui in ordinata è riportata l’efficienza quantica esterna [EQE (%)] e in ascissa la lunghezza d’onda [ λ (nm)], ha un valore costante pari a 95% (dato fornito dalla IXYS), nell’intervallo di lunghezze d’onda di emissione (550 nnm - 600 nm), dei composti fotoluminescenti presenti nei diversi concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrators” -LSCs), i.e. nella lastra 1 (LSC1), o nella lastra 2 (LSC2), o nella lastra 3 (LSC3): questo permette di utilizzare il dispositivo solare comprendente la cella solare al silicio (Cella Si) ed il concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) (Dispositivo Cella Si) per il conteggio dei fotoni, i.e. della densità di flusso dei fotoni, che indica quanti fotoni al secondo per centimetro quadrato vengono trasportati dai suddetti concentratori solari luminescenti (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC).
La densità di flusso dei fotoni (DFF) è stata quindi calcolata secondo la seguente equazione:
(DFF) = Jsc x 6,24x10<15>/EQESi
in cui:
- Jsc [densità fotocorrente corto-circuito “short-circuit photocurrent density”] misurata in (mA/cm<2>) del dispositivo solare comprendente la cella solare al silicio (Cella Si) ed il concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) (Dispositivo Cella Si);
- EQESi è l’efficienza quantica esterna (%) della cella solare al silicio (Cella Si) KXOB22-12X1 della IXYS il cui valore, come sopra riportato, è pari a 95% (vedi Figura 3).
ESEMPIO 6
Preparazione dispositivo solare
Ad un lato della lastra 2 (LSC2) ottenuta come descritto nell’Esempio 2, è stata appoggiata, una cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) ottenuta come descritto nell’Esempio 4.
Allo scopo è stato realizzato un supporto con una stampante 3D in grado di mantenere vicino ed allineata la cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) lungo il lato corto di detta lastra 2 (LSC2) ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo PSC - Tipo A).
Successivamente, al termine della caratterizzazione elettrica del dispositivo solare (PSC - Tipo A), è stata sostituita la cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) con la cella solare a base di perovskite di “Tipo B” (PSC - Tipo B) ottenuta come descritto nell’Esempio 4, ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo PSC - Tipo B).
A scopo comparativo, al termine della caratterizzazione elettrica del dispositivo solare (PSC - Tipo B), la cella solare a base di perovskite di “Tipo B” (PSC - Tipo B) è stata sostituita con la cella al silicio (Cella Si) sopra riportata ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo Cella Si).
La caratterizzazione elettrica dei dispositivi solari ottenuti è stata effettuata come sopra descritto: in Tabella 1, sono riportati i parametri caratteristici come valori medi.
ESEMPIO 7
Preparazione dispositivo solare
Ad un lato della lastra 3 (LSC3) ottenuta come descritto nell’Esempio 3, è stata appoggiata, una cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) ottenuta come descritto nell’Esempio 4.
Allo scopo è stato realizzato un supporto con una stampante 3D in grado di mantenere vicino ed allineata la cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) lungo il lato corto di detta lastra 3 (LSC3) ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo PSC - Tipo A).
Successivamente, al termine della caratterizzazione elettrica del dispositivo solare (PSC - Tipo A), è stata sostituita la cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) con la cella solare a base di perovskite di “Tipo B” (PSC - Tipo B) ottenuta come descritto nell’Esempio 4, ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo PSC - Tipo B).
A scopo comparativo, al termine della caratterizzazione elettrica del dispositivo solare (PSC - Tipo B), la cella solare a base di perovskite di “Tipo B” (PSC - Tipo B) è stata sostituita con la cella al silicio (Cella Si) sopra riportata ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo Cella Si).
La caratterizzazione elettrica dei dispositivi solari ottenuti è stata effettuata come sopra descritto: in Tabella 1, sono riportati i parametri caratteristici come valori medi.
ESEMPIO 8
Preparazione dispositivo solare
Ad un lato della lastra 3 (LSC3) ottenuta come descritto nell’Esempio 3, è stata appoggiata utilizzando il gel ottico Norland Index Matching Liquid 150 (product No. 9006 - Norland), una cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) ottenuta come descritto nell’Esempio 4.
Allo scopo è stato realizzato un supporto con una stampante 3D in grado di mantenere vicino ed allineata la cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo A) lungo il lato corto di detta lastra 3 (LSC3) ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo PSC - Tipo A).
A scopo comparativo, al termine della caratterizzazione elettrica del dispositivo solare (PSC - Tipo A), la cella solare a base di perovskite di “Tipo A” (PSC - Tipo B) è stata sostituita con la cella al silicio (Cella Si) sopra riportata ottenendosi il dispositivo solare (Dispositivo Cella Si).
La caratterizzazione elettrica dei dispositivi solari ottenuti è stata effettuata come sopra descritto: in Tabella 1, sono riportati i parametri caratteristici come valori medi.
Tabella 1
<(1)>: densità fotocorrente corto-circuito (“short-circuit photocurrent density”); <(2)>: densità di flusso dei fotoni;
<(3)>: densità di potenza elettrica;
<(4)>: efficienza di conversione fotoelettrica;
<(5)>: densità di potenza elettrica attesa.
Dai dati riportati in Tabella 1 si evince che il dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) oggetto della presente invenzione mostra un rapporto tra la densità di potenza elettrica ( ρ) generata e la densità di potenza elettrica attesa ( ρattesa) definita come sopra riportato, superiore a 1 e, di conseguenza una maggiore densità di potenza elettrica ( ρ) generata rispetto a quella attesa.

Claims (14)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) comprendente: - almeno un concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) avente una superficie superiore, una superficie inferiore ed uno o più lati esterni; - almeno una cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite posta all’esterno di almeno uno dei lati esterni di detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC), detta perovskite essendo scelta tra trialogenuri organometallici.
  2. 2. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con la rivendicazione 1, in cui detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) ha una superficie superiore configurata per ricevere i fotoni, una superficie inferiore configurata per ricevere i fotoni, detta superficie superiore essendo posizionata più vicino alla fonte di fotoni rispetto alla superficie inferiore e quattro lati esterni che si estendono dalla superficie superiore a quella inferiore.
  3. 3. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con la rivendicazione 1 o 2, in cui detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) è una lastra comprendente una matrice in materiale trasparente ed almeno un composto fotoluminescente.
  4. 4. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con la rivendicazione 3, in cui detto materiale trasparente è scelto tra: polimeri trasparenti quali polimetilmetacrilato (PMMA), policarbonato (PC), poliisobutil metacrilato, polietil metacrilato, poliallil diglicole carbonato, polimetacrilimmide, policarbonato etere, polietilentereftalato, polivinilbutirrale, copolimeri etilene-vinilacetato, copolimeri etilenetetrafluoroetilene, poliimmide, poliuretano, copolimeri stirene-acrilonitrile, copolimeri stirene-butadiene, polistirene, copolimeri metil-metacrilato stirene, polietere sulfone, polisulfone, triacetato di cellulosa, composizioni acriliche reticolate trasparenti e resistenti all’impatto che consistono di una matrice fragile (I) avente una temperatura di transizione vetrosa (Tg) superiore a 0°C e domini elastomerici aventi dimensioni inferiori a 100 nm che consistono di sequenze macromolecolari (II) aventi natura flessibile con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) inferiore a 0°C (in seguito indicate, per maggior semplicità come PPMA-IR), o loro miscele; vetri trasparenti quali silice, quarzo, allumina, titania, o loro miscele; preferibilmente è scelto tra polimetilmetacrilato (PMMA), PMMA-IR, o loro miscele, sono preferiti; preferibilmente detto materiale trasparente ha un indice di rifrazione compreso tra 1,30 e 1,70.
  5. 5. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con la rivendicazione 3 o 4, in cui detto composto fotoluminescente è scelto tra composti perilenici quali i composti noti con il nome commerciale di Lumogen<® >della Basf; composti acenici; composti benzotiadiazolici; composti comprendenti un gruppo benzoeterodiazolico e almeno un gruppo benzoditiofenico; composti naftotiadiazolici disostituiti; composti benzoeterodiazolici disostituiti con gruppi benzoditiofenici; composti benzoeterodiazolici disostituiti; composti diarilossibenzoeterodiazolici disostituiti; o loro miscele; preferibilmente tra N,N’-bis(2’,6’-di-isopropilfenil)(1,6,7,12-tetrapenossi)(3,4,9,10-perilene-diimmide (Lumogen<® >F Red 305 - Basf), 9,10-difenilantracene (DPA), 4,7-di(tien-2’-il)-2,1,3-benzotiadiazolo (DTB), 5,6-difenossi-4,7-bis(2-tienil)-2,1,3-benzotiadiazolo (DTBOP), 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (MPDTBOP), 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,5-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (PPDTBOP), 4,7-bis[5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (MPDTB), 4,7-bis[5-(2,6-diiso-propilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (IPPDTB), 4,7-bis[4,5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (2MPDTB) 4,7-bis(7’,8’-dibutilbenzo[1’,2’-b’:4’,3’-b′’]ditien-5’-il)-benzo[c][1,2,5]-tiadiazolo (F500), 4,9-bis(7’,8’-dibutilbenzo[1’,2’-b’:4’,3’-b′’]ditien-5’-il)-nafto[2,3-c][1,2,5]tiadiazolo (F521), 4,7-bis(5-(tiofen-2-il)tiofen-2-il)-benzo[c][1,2,5]tiadiazolo (QTB), 4,9-bis(tien-2’-il)-nafto[2,3-c][1,2,5]-tiadiazolo (DTN), o loro miscele; più preferibilmente tra 9,10-5,6Difenossi-4,7-bis[5-(2,6-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]1,2,5-tiadiazolo (MPDTBOP), 5,6-difenossi-4,7-bis[5-(2,5-dimetilfenil)-2-tienil]benzo[c]-1,2,5-tiadiazolo (PPDTBOP), N,N’-bis(2’,6’-di-iso-propilfenil)(1,6,7,12-tetrapenossi)(3,4,9,10-perilene-diimmide (Lumogen<® >F Red 305 - Basf), o loro miscele.
  6. 6. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5, in cui detto composto fotoluminescente è presente in detta matrice trasparente in quantità compresa tra 0,1 g per unità di superficie e 3 g per unità di superficie, preferibilmente compresa tra 0,2 g per unità di superficie e 2,5 g per unità di superficie, detta unità di superficie essendo riferita alla superficie della matrice in materiale trasparente espressa in m<2>.
  7. 7. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con la rivendicazione 3, in cui detto composto fotoluminescente è scelto tra “quantum dots” (QDs) che possono essere composti da differenti elementi scelti tra gli elementi appartenenti ai gruppi 12-16, 13-15, 14-16 or 13, della Tabella Periodica degli Elementi; preferibilmente, tra: solfuro di piombo (PbS), solfuro di zinco (ZnS), solfuro di cadmio (CdS), seleniuro di cadmio (CdSe), telluluro di cadmio (CdTe), argento (Ag), oro (Au), alluminio (Al), o loro miscele.
  8. 8 . Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con la rivendicazione 7, in cui detto composto fotoluminescente scelto tra “quantum dots” (QDs) è presente in detta matrice trasparente in quantità compresa tra 0,05 g per unità di superficie e 100 g per unità di superficie, preferibilmente compresa tra 0,15 g per unità di superficie e 20 g per unità di superficie, detta unità di superficie essendo riferita alla superficie della matrice in materiale trasparente espressa in m<2>.
  9. 9. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) è una lastra avente uno spessore compreso tra 0,1�m e 50 mm, preferibilmente compreso tra 0,5 μm e 20 mm.
  10. 10. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta perovskite è scelta tra trialogenuri organometallici aventi formula generale ABX3 in cui: - A rappresenta un catione organico quale metilammonio (CH3NH3<+>), formammidinio [CH(NH2)2<+>], n-butilammonio (C4H12N<+>), tetrabutilammonio (C16H36N<+>); - B rappresenta un catione metallico quale piombo (Pb<+>), stagno (Sn<+>); - X rappresenta uno ione alogenuro quale iodio (I), cloro (Cl), bromo (Br).
  11. 11. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la perovskite è scelta tra: metilammonio piombo ioduro (CH3NH3PbI3), metilammonio piombo bromuro (CH3NH3PbBr3), metilammonio piombo cloruro (CH3NH3PbCl3), metilammonio piombo ioduro bromuro (CH3NH3PbIxBr3-x), metilammonio piombo ioduro cloruro (CH3NH3PbIxCl3-x), formammidinio piombo ioduro [CH(NH2)2PbI3], formammidinio piombo bromuro [CH(NH2)2PbBr3], formammidinio piombo cloruro [CH(NH2)2PbCl3], formammidinio piombo ioduro bromuro [CH(NH2)2PbIxBr3-x], formammidinio piombo ioduro cloruro [CH(NH2)2PbIxCl3-x], n-butilammonio piombo ioduro (C4H12NPbI3), tetrabutilammonio piombo ioduro (C16H36NPbI3), n-butilammonio piombo bromuro (C4H12NPbBr3), tetra-butilammonio piombo bromuro (C16H36NPbBr3), metilammonio stagno ioduro (CH3NH3SnI3), metilammonio stagno bromuro (CH3NH3SnBr3), metilammonio stagno ioduro bromuro (CH3NH3SnIxBr3-x), formammidinio stagno ioduro [CH(NH2)2SnI3], formammidinio stagno ioduro bromuro [CH(NH2)2SnIxBr3-x], n-butilammonio stagno ioduro (C4H12NSnI3), tetrabutilammonio stagno ioduro (C16H36NSnI3), n-butilammonio stagno bromuro (C4H12NSnBr3), tetra-butilammonio stagno bromuro (C16H36NSnBr3), metilammonio stagno ioduro (CH3NH3SnI3), o loro miscele; preferibilmente è metilammonio piombo ioduro (CH3NH3PbI3).
  12. 12. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta almeno una cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite è accoppiata ad almeno uno dei lati esterni di detto concentratore solare luminescente (“Luminescent Solar Concentrator” - LSC) mediante un opportuno gel ottico, detto gel ottico essendo preferibilmente scelto tra oli e grassi siliconici trasparenti, resine epossidiche.
  13. 13. Dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’energia elettrica generata da detta almeno una cella fotovoltaica (o cella solare) a base di perovskite è trasportata utilizzando un sistema di cablaggio (“wiring system”) che è connesso con detto dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare).
  14. 14. Uso del dispositivo fotovoltaico (o dispositivo solare) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in: sistemi fotovoltaici architettonicamente integrati (“Building Integrated Photo Voltaic” - BIPV); finestre fotovoltaiche; serre; foto-bioreattori; barriere antirumore; illuminotecnica; design; pubblicità; industria dell’automobile.
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