IT202100031412A1 - COMPOSITE COATING MATERIAL, ESPECIALLY FOR SOLAR CELLS - Google Patents
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Description
Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo: ?MATERIALE COMPOSITO DI RIVESTIMENTO, PARTICOLARMENTE PER CELLE SOLARI?. Description of Patent for Industrial Invention with title: "COMPOSITE COATING MATERIAL, PARTICULARLY FOR SOLAR CELLS".
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un materiale composito di rivestimento, particolarmente per celle solari. The present invention refers to a composite coating material, particularly for solar cells.
Nel settore energetico ? noto l?uso di impianti fotovoltaici, installati sui tetti di edifici o direttamente al suolo, in corrispondenza di idonee aree esposte alla luce solare. In the energy sector? The use of photovoltaic systems is known, installed on the roofs of buildings or directly on the ground, in suitable areas exposed to sunlight.
Gli impianti fotovoltaici sono costituiti da una pluralit? di pannelli fotovoltaici collegati tra loro e composti da moduli fotovoltaici, a loro volta costituiti da celle solari, in grado di convertire l?energia solare in energia elettrica. Photovoltaic systems are made up of a plurality? of photovoltaic panels connected to each other and composed of photovoltaic modules, in turn made up of solar cells, capable of converting solar energy into electricity.
Come noto, l?esposizione alla luce solare e agli agenti atmosferici determina una diminuzione dell?efficienza delle celle solari oltre che un rapido deterioramento delle stesse. Tali effetti sono causati principalmente dall?esposizione all?acqua/umidit?, all?ossigeno e ad altre sostanze presenti nell?aria. As is known, exposure to sunlight and atmospheric agents causes a decrease in the efficiency of solar cells as well as a rapid deterioration of the same. These effects are mainly caused by exposure to water/humidity, oxygen and other substances present in the air.
I suddetti inconvenienti sono particolarmente sentiti in relazione alle emergenti celle solari a struttura perovskitica (PSC). The aforementioned drawbacks are particularly felt in relation to the emerging perovskite solar cells (PSC).
Le celle solari a struttura perovskitica sono tra le tecnologie emergenti che hanno segnato il maggior sviluppo negli ultimi anni, grazie alla potenziale alta efficienza, al basso costo di produzione e alla semplice processabilit?, che le rendono potenzialmente molto appetibili dal punto di vista industriale. Le celle solari a struttura perovskitica rappresentano la pi? recente e promettente tecnologia di celle fotovoltaiche mostrando una percentuale di efficienza di conversione dell?energia solare in elettricit? fino al 25.6% per singola giunzione su scala di laboratorio e toccano il 15-20% su scala di modulo. In confronto, le celle a base di silicio generalmente utilizzate nei comuni pannelli fotovoltaici sono provviste di un tasso di conversione medio compreso tra 15?20% e possono arrivare al massimo ad un 26.7% su scala di laboratorio (secondo quanto stimato dall?azienda Oxford PV, Oxford OX5 1QU, UK e riportato dal grafico ufficiale dell?NREL -https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html). Solar cells with a perovskite structure are among the emerging technologies that have marked the greatest development in recent years, thanks to their potentially high efficiency, low production cost and simple processability, which make them potentially very attractive from an industrial point of view. Perovskite solar cells represent the most recent and promising photovoltaic cell technology showing a percentage of efficiency of converting solar energy into electricity? up to 25.6% per single junction on a laboratory scale and reach 15-20% on a module scale. In comparison, the silicon-based cells generally used in common photovoltaic panels have an average conversion rate of between 15-20% and can reach a maximum of 26.7% on a laboratory scale (as estimated by the Oxford company PV, Oxford OX5 1QU, UK and reported by the official NREL graph - https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html).
Tuttavia, il passaggio alla produzione industriale di pannelli fotovoltaici provvisti di celle solari a struttura perovskitica non ? ancora stato possibile in quanto tali celle solari presentano notevoli problematiche di degradazione, arrivando a perdere anche l?80% dell?efficienza iniziale nelle prime 1000 ore di utilizzo (in condizioni di invecchiamento accelerato). However, the transition to the industrial production of photovoltaic panels equipped with solar cells with a perovskite structure is not achievable. This was still possible as these solar cells present significant degradation problems, losing up to 80% of their initial efficiency in the first 1000 hours of use (in accelerated aging conditions).
Per ovviare almeno in parte ai suddetti inconvenienti ? noto l?uso di appositi materiali di rivestimento per l?incapsulamento delle celle solari. To at least partially overcome the aforementioned inconveniences? The use of special coating materials for the encapsulation of solar cells is known.
Lo sviluppo di innovativi incapsulanti ? fondamentale per fornire un?eccellente durata ai pannelli fotovoltaici e consentire la produzione su scala commerciale delle nuove tecnologie correlate alle celle solari perovskitiche. The development of innovative encapsulants? fundamental for providing excellent durability to photovoltaic panels and enabling the commercial-scale production of new technologies related to perovskite solar cells.
? stato dimostrato che, in realt?, l?incapsulamento svolge un ruolo fondamentale nell?evitare il degrado e/o nel migliorare la stabilit? per svariate tipologie di sistemi fotovoltaici (J. Phys. Energy 2 (2020) 031002). Se opportunamente progettati, film o rivestimenti di incapsulamento possono fungere da strati barriera limitando la diffusione di ossigeno e umidit?, impedendo la penetrazione delle radiazioni UV, riducendo la sensibilit? alle forti fluttuazioni termiche e anche inibendo la fuoriuscita irreversibile di prodotti di decomposizione volatili eventualmente formatisi dai componenti della cella solare, con conseguente protezione dell?interfaccia dell?elettrodo e dello strato attivo. ? It has been demonstrated that, in reality, encapsulation plays a fundamental role in avoiding degradation and/or improving stability. for various types of photovoltaic systems (J. Phys. Energy 2 (2020) 031002). If properly designed, encapsulation films or coatings can act as barrier layers, limiting the diffusion of oxygen and moisture, preventing the penetration of UV radiation, reducing sensitivity to radiation. to strong thermal fluctuations and also by inhibiting the irreversible escape of volatile decomposition products possibly formed by the solar cell components, with consequent protection of the electrode interface and the active layer.
Idealmente, i materiali di incapsulamento dovrebbero possedere una buona lavorabilit?, un?eccellente inerzia chimica ed elevate propriet? di barriera per ossigeno e umidit?. Inoltre, gli incapsulanti dovrebbero mostrare una elevata trasmissione della luce totale (>90% della luce incidente) e un?eccellente resistenza alla degradazione UV e all?ossidazione termica. Infine, altre caratteristiche importanti sono una buona resistenza meccanica, un?eccellente adesione alla cella solare per ridurre al minimo il rischio di delaminazione, coefficienti di espansione termica vicini a quelli dei componenti PSC per evitare danni meccanici durante i test di stabilit? e un?elevata flessibilit? per adattarsi alle variazioni di tensione angolare durante la flessione o legate all?andamento dei cicli di temperatura (J. Phys. Energy 2 (2020) 031002). Ideally, encapsulation materials should possess good processability, excellent chemical inertness and high chemical properties. barrier for oxygen and humidity. Furthermore, encapsulants should exhibit high total light transmission (>90% of incident light) and excellent resistance to UV degradation and thermal oxidation. Finally, other important characteristics are good mechanical resistance, excellent adhesion to the solar cell to minimize the risk of delamination, thermal expansion coefficients close to those of PSC components to avoid mechanical damage during stability tests. and high flexibility? to adapt to variations in angular tension during bending or linked to the trend of temperature cycles (J. Phys. Energy 2 (2020) 031002).
Ad oggi, sono stati sviluppati vari metodi di incapsulamento per celle solari. Uno degli approcci pi? diffusi si basa sull?incapsulamento vetro-vetro, in cui la cella solare ? inserito tra due lastre di vetro mediante l?uso di sigillanti termoindurenti (ad esempio etilene vinil acetato (EVA), ionomero Surlyn, gomma butilica e poliisobutilene (PIB)) o a polimerizzazione UV (ad esempio resina E132, resina epossidica, colla epossidica). Inoltre, opportuni sigillanti (principalmente gomma butilica e adesivi PIB o epossidici UV) devono essere applicati ai bordi della cella solare per prevenire, o almeno ritardare, l?ingresso di umidit? e ossigeno dal perimetro laterale, prolungando cos? la durata delle celle solari. Questa tecnica ? molto conveniente, relativamente semplice ed estremamente efficiente poich? il vetro ha le migliori propriet? di blocco dell?acqua e dell?ossigeno come materiale trasparente, ma ?, tuttavia, incompatibile con le applicazioni flessibili, quest?ultimo essendo un mercato cresciuto notevolmente negli ultimi anni ( 2018 IEEE Int Symp Circuits Syst.1-5). To date, various encapsulation methods for solar cells have been developed. One of the most popular approaches? widespread is based on glass-glass encapsulation, in which the solar cell is inserted between two sheets of glass using thermosetting sealants (e.g. ethylene vinyl acetate (EVA), Surlyn ionomer, butyl rubber and polyisobutylene (PIB)) or UV-curing sealants (e.g. E132 resin, epoxy resin, epoxy glue). Furthermore, appropriate sealants (mainly butyl rubber and PIB adhesives or UV epoxies) must be applied to the edges of the solar cell to prevent, or at least delay, the entry of moisture. and oxygen from the lateral perimeter, thus prolonging? the lifespan of solar cells. This technique? very convenient, relatively simple and extremely efficient since? does glass have the best properties? of water and oxygen blocking as a transparent material, but is, however, incompatible with flexible applications, the latter being a market that has grown significantly in recent years ( 2018 IEEE Int Symp Circuits Syst.1-5).
Recentemente, sono stati sviluppati alcuni metodi alternativi in cui il vetro ? sostituito da pellicole flessibili. Tra questi, ? stato proposto un approccio di incapsulamento utilizzando lastre di vetro flessibile ultrasottili. Questo processo di solito richiede alte temperature (~140 ?C) per reticolare l?incapsulante, che possono essere dannose per la cella solare, inducendo una degradazione termica del materiale attivo. Recently, some alternative methods have been developed in which glass is replaced by flexible films. Between these, ? An encapsulation approach using ultrathin flexible glass sheets has been proposed. This process usually requires high temperatures (~140 ?C) to cross-link the encapsulant, which can be harmful to the solar cell, inducing thermal degradation of the active material.
Altri approcci di incapsulamento pi? diffusi per applicazioni flessibili fanno uso di laminati polimerici e nastri polimerici rivestiti con barriera a film sottile. Queste strategie di incapsulamento si sono distinte per la loro versatilit? in termini di scelta dei materiali polimerici (polimetilmetacrilato (PMMA) (Sol. Energy 139 426-32), polietilene tereftalato (PET) ( Other more encapsulation approaches? popular for flexible applications make use of polymer laminates and polymer tapes coated with a thin film barrier. Have these encapsulation strategies stood out for their versatility? in terms of choice of polymeric materials (polymethyl methacrylate (PMMA) (Sol. Energy 139 426-32), polyethylene terephthalate (PET) (
Appl. Phys. 50 033001), politetrafluoroetilene (PTFE) (Appl. Mater. Interfaces 7 17330?6), policarbonato (PC) (Sol. Energy 139 426?32), polidimetilsilossano (PDMS) (J. Mater. Chem. A 4 10700-9), copolimero etilene-alcool vinilico (EVOH) ( Appl. Phys. 50 033001)), nonch? multistrati ibridi flessibili sempre a base polimerica. Appl. Phys. 50 033001), polytetrafluoroethylene (PTFE) (Appl. Mater. Interfaces 7 17330?6), polycarbonate (PC) (Sol. Energy 139 426?32), polydimethylsiloxane (PDMS) (J. Mater. Chem. A 4 10700-9 ), ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) ( Appl. Phys. 50 033001)), as well as? flexible hybrid multilayers always polymer-based.
Altri rivestimenti di tipo noto prevedono la combinazione di una matrice polimerica a particelle di ossido di grafene. Tali rivestimenti sono facilmente applicabili a vari substrati (Nano Energy 18 118? 25, J. Energy Chem. 27 673-89), ad esempio mediante laminazione o applicati tramite laminazione roll-to-roll per ottenere celle solari flessibili. Tuttavia, nessuno studio ha riportato finora un processo facile, scalabile ed efficace per incapsulare celle solari che mantengono la loro efficienza per lungo tempo. Inoltre, la fondamentale incorporazione con l?ossido di grafene causa inevitabili problemi di trasparenza e uniformit?. Other known types of coatings involve the combination of a polymer matrix with graphene oxide particles. Such coatings are easily applied to various substrates (Nano Energy 18 118? 25, J. Energy Chem. 27 673-89), for example by lamination or applied by roll-to-roll lamination to obtain flexible solar cells. However, no study has so far reported an easy, scalable and effective process for encapsulating solar cells that maintain their efficiency for a long time. Furthermore, the fundamental incorporation with graphene oxide causes inevitable problems of transparency and uniformity.
Tra le tecniche di deposizione, attualmente, la tecnologia pi? utilizzata ? l?incapsulamento a film sottile (TFE). Tale tecnologia consiste nella deposizione diretta di un singolo strato protettivo flessibile ultrasottile (es. Al2O3, SiOx, SiN, TiO2, Zn2SnO4, Parylene-C, film polimerico plasma ultrasottile o strati polimerici ibridi organico-inorganico o uno stack multistrato, composto da pi? coppie di strati organici e inorganici chiamati diade (Chem. Mater. 27 5122-30 e Adv. Energy Mater. 8 1-8)), che prevedono un?applicazione del materiale di rivestimento sottovuoto come la deposizione chimica o fisica da vapore, deposizione chimica al plasma da vapore potenziata, deposizione di strati atomici e altre tecniche di rivestimento sottovuoto. Tuttavia, tutte le tecniche menzionate sono costose poich? richiedono apparecchiature e processi ad alto costo basati sul vuoto, nonch? una comprensione dettagliata dell?interazione tra il processo di deposizione, il materiale dello strato barriera e la struttura del dispositivo. Among the deposition techniques, currently, the most used? thin film encapsulation (TFE). This technology consists in the direct deposition of a single ultra-thin flexible protective layer (e.g. Al2O3, SiOx, SiN, TiO2, Zn2SnO4, Parylene-C, ultra-thin plasma polymer film or organic-inorganic hybrid polymer layers or a multilayer stack, composed of multiple pairs of organic and inorganic layers called dyads (Chem. Mater. 27 5122-30 and Adv. Energy Mater. 8 1-8)), which involve an application of the coating material under vacuum such as chemical or physical vapor deposition, enhanced vapor plasma chemistry, atomic layer deposition and other vacuum coating techniques. However, all the techniques mentioned are expensive because require high-cost vacuum-based equipment and processes, as well as a detailed understanding of the interaction between the deposition process, the barrier layer material and the device structure.
Per questo motivo la sua applicabilit? su larga scala ? ancora ostacolata. Riassumendo, nonostante le grandi dimensioni del mercato dell?incapsulamento solare, le attuali tecnologie sono obsolete rispetto alle moderne esigenze emerse con lo sviluppo di nuove tecnologie fotovoltaiche presentando numerosi inconvenienti. For this reason its applicability? on a large scale ? still hindered. In summary, despite the large size of the solar encapsulation market, current technologies are obsolete compared to the modern needs that have emerged with the development of new photovoltaic technologies, presenting numerous drawbacks.
Uno di questi ? senz?altro legato ad una difficolt? nel realizzare materiali di rivestimento provvisti di propriet? meccaniche e chimiche ideali. I comuni materiali di rivestimento e relativi rivestimenti ottenuti sono altamente rigidi (fragili, non pieghevoli), pesanti, con bassa conduttivit? termica (cio? non ideali per dispositivi di grandi dimensioni) One of these ? certainly linked to a difficulty? in creating covering materials with properties? ideal mechanics and chemistry. Common cladding materials and resulting coatings are highly rigid (brittle, non-bendable), heavy, with low conductivity? thermal (i.e. not ideal for large devices)
Inoltre, i materiali di rivestimento noti prevedono processi di produzione complessi, che comportano un elevato consumo di energia, lavorazione ad alte temperature (ad esempio, alta temperatura di laminazione per adesivi hot-melting) che aumenta il costo di fabbricazione del pannello fotovoltaico finale e non sono adatti per materiali sensibili, come le celle solari a struttura perovskitica. Furthermore, known coating materials involve complex production processes, which involve high energy consumption, processing at high temperatures (e.g., high lamination temperature for hot-melting adhesives) which increases the manufacturing cost of the final photovoltaic panel and they are not suitable for sensitive materials, such as perovskite solar cells.
Inoltre, i materiali di rivestimento noti prevedono processi di produzione costosi e ad elevato impatto ambientale e non permettono un?applicazione su larga scala. Furthermore, known coating materials require expensive production processes with a high environmental impact and do not allow large-scale application.
Il compito principale della presente invenzione ? quello di escogitare un materiale composito di rivestimento, particolarmente per celle solari, che consenta di ottenere un rivestimento ad elevata schermatura nei confronti di umidit?, ossigeno, e altre sostanze potenzialmente dannose per la cella solare. The main task of the present invention is? that of devising a composite coating material, particularly for solar cells, which allows to obtain a coating with high shielding against humidity, oxygen, and other substances potentially harmful to the solar cell.
Un altro scopo del presente trovato ? quello di escogitare un materiale composito di rivestimento, particolarmente per celle solari, che permetta di ottenere rivestimenti altamente trasparenti, leggeri, omogenei e flessibili, adattabili a diverse superfici come quelle flessibili e pieghevoli. Another purpose of the present invention? that of devising a composite coating material, particularly for solar cells, which allows to obtain highly transparent, light, homogeneous and flexible coatings, adaptable to different surfaces such as flexible and foldable ones.
Un ulteriore scopo del presente trovato ? quello di escogitare un materiale composito di rivestimento, particolarmente per celle solari, che sia ottenibile mediante processi semplici, a basso costo e con un alto potenziale di scalabilit?. A further purpose of the present invention? is to devise a composite coating material, particularly for solar cells, which is obtainable through simple, low-cost processes and with a high potential for scalability.
Ancora uno scopo del presente trovato ? quello di escogitare un materiale composito di rivestimento, particolarmente per celle solari, che consenta di ridurre l?ingombro complessivo del pannello fotovoltaico finale e dunque il relativo costo. Another purpose of the present invention? that of devising a composite covering material, particularly for solar cells, which allows to reduce the overall size of the final photovoltaic panel and therefore the relative cost.
Altro scopo del presente trovato ? quello di escogitare un materiale composito di rivestimento, particolarmente per celle solari, che consenta di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota nell?ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto. Other purpose of the present invention? that of devising a composite coating material, particularly for solar cells, which allows the aforementioned drawbacks of the known art to be overcome within the context of a simple, rational solution that is easy and effective to use and has a low cost.
Gli scopi sopra esposti sono raggiunti dal presente materiale composito di rivestimento, particolarmente per celle solari, avente le caratteristiche di rivendicazione 1. The above objectives are achieved by the present composite coating material, particularly for solar cells, having the characteristics of claim 1.
Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un materiale composito di rivestimento, particolarmente per celle solari, in combinazione alle unite tavole di disegni in cui: Other characteristics and advantages of the present invention will be more evident from the description of a preferred, but not exclusive, embodiment of a composite coating material, particularly for solar cells, in combination with the attached drawings in which:
le figure da 1 a 6 mostrano dati sperimentali rilevati per un materiale composito di rivestimento secondo il trovato in accordo con una prima forma di attuazione; figures 1 to 6 show experimental data recorded for a composite covering material according to the invention in accordance with a first embodiment;
la figura 7 mostra dati sperimentali rilevati per un materiale composito di rivestimento secondo il trovato in accordo con una seconda forma di attuazione; figure 7 shows experimental data recorded for a composite covering material according to the invention in accordance with a second embodiment;
la figura 8 mostra dati sperimentali rilevati per un materiale composito di rivestimento secondo il trovato in accordo con una terza forma di attuazione. Il materiale composito di rivestimento secondo il trovato ? previsto per l?uso nel rivestimento di celle solari. figure 8 shows experimental data recorded for a composite covering material according to the invention in accordance with a third embodiment. The composite covering material according to the invention is intended for use in coating solar cells.
In particolare, nel seguito della presente trattazione si far? riferimento a celle solari a struttura perovskitica. In particular, in the remainder of this discussion we will reference to perovskite solar cells.
Le celle solari a struttura perovskitica rappresentano la pi? recente e promettente tecnologia di celle fotovoltaiche mostrando una percentuale di efficienza di conversione dell?energia solare in elettricit? fino al 25.6% per singola giunzione su scala di laboratorio e toccano il 15-20% su scala di modulo. In confronto, le usuali celle solari a base di silicio utilizzate nei comuni pannelli fotovoltaici sono provviste di un tasso di conversione medio compreso tra 15?20% e possono arrivare al massimo ad un 26.7%. Tuttavia, le strutture perovskitiche sono soggette ad un rapido degrado in presenza di acqua/umidit?, radiazioni UV, ossigeno, temperature elevate, ecc. e necessitano, pertanto, di essere protette. Perovskite solar cells represent the most recent and promising photovoltaic cell technology showing a percentage of efficiency of converting solar energy into electricity? up to 25.6% per single junction on a laboratory scale and reach 15-20% on a module scale. In comparison, the usual silicon-based solar cells used in common photovoltaic panels have an average conversion rate between 15-20% and can reach a maximum of 26.7%. However, perovskite structures are subject to rapid degradation in the presence of water/moisture, UV radiation, oxygen, high temperatures, etc. and therefore need to be protected.
Non si esclude, tuttavia, che il presente materiale composito di rivestimento possa essere utilizzato per celle solari di tipo differente. Altres? non si esclude che il presente materiale composito di rivestimento possa essere impiegato in differenti applicazioni optoelettroniche a base di perovskite, per esempio nei dispositivi emettitori di luce come i LED. It is not excluded, however, that the present composite coating material could be used for solar cells of different types. Others? it is not excluded that the present composite coating material could be used in different perovskite-based optoelectronic applications, for example in light-emitting devices such as LEDs.
Il materiale composito di rivestimento comprende almeno una matrice polimerica e almeno una struttura metallo-organica (MOF ? Metal-organic frame) incorporata nella matrice polimerica stessa. The composite coating material comprises at least one polymer matrix and at least one metal-organic structure (MOF - Metal-organic frame) incorporated into the polymer matrix itself.
Come noto al tecnico del settore, le strutture metallo-organiche, anche dette nano-spugne, sono materiali cristallini costituiti da ioni o cluster metallici coordinati a leganti organici rigidi in modo da formare strutture tridimensionali con porosit? molto elevata. Lo spazio vuoto all?interno del materiale pu? raggiungere il 90% del volume del materiale, con aree superficiali interne molto elevate, anche oltre i 6000 m?/g. As is known to those skilled in the art, metal-organic structures, also called nano-sponges, are crystalline materials made up of metal ions or clusters coordinated with rigid organic ligands in order to form three-dimensional structures with porosity. very high. The empty space inside the material can reach 90% of the volume of the material, with very high internal surface areas, even above 6000 m?/d.
All?interno degli spazi vuoti, la struttura a MOF ? in grado di contenere e trattenere piccole molecole, come appunto, acqua, ossigeno, anidride carbonica, ecc. Inside the empty spaces, the MOF structure is capable of containing and retaining small molecules, such as water, oxygen, carbon dioxide, etc.
Le MOF possono essere sintetizzate a partire da una gran variet? di componenti organici e inorganici, ottenendo geometrie differenti a seconda degli specifici precursori e della determinata applicazione. Can MOFs be synthesized from a large variety? of organic and inorganic components, obtaining different geometries depending on the specific precursors and the specific application.
La struttura metallo-organica si presenta sotto forma di nano-particelle disperse nella matrice polimerica. The metal-organic structure occurs in the form of nanoparticles dispersed in the polymer matrix.
La matrice polimerica funge da supporto per la struttura metallo-organica e consente la stesura e l?applicazione del materiale composito di rivestimento all?oggetto di interesse, nel presente caso specifico, alla cella solare. The polymer matrix acts as a support for the metal-organic structure and allows the laying and application of the composite coating material to the object of interest, in this specific case, to the solar cell.
In particolare, la matrice polimerica ? provvista di una elevata resistenza alle radiazioni UV e di una elevata trasparenza. In particular, the polymer matrix? provided with high resistance to UV radiation and high transparency.
Utilmente, la matrice polimerica ? scelta tra polimetilmetacrilato (PMMA) e polistirene (PS). Usefully, the polymer matrix is choice between polymethylmethacrylate (PMMA) and polystyrene (PS).
Non si esclude che la matrice polimeria sia di tipo differente, ad esempio, polivinilidenfluoruro, policarbonato, etilenvinil alcool, polietilentereftalato, politetraflluoroetilene, polidimetilsilossano, o simili materiali polimerici provvisti di analoga resistenza alle radiazioni UV e trasparenza. It is not excluded that the polymer matrix is of a different type, for example, polyvinylidene fluoride, polycarbonate, ethylene vinyl alcohol, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethylene, polydimethylsiloxane, or similar polymeric materials with similar resistance to UV radiation and transparency.
Utilmente, la struttura metallo-organica ? comprende: Helpfully, the metal-organic framework ? comprehends:
- almeno uno ione di un metallo scelto dall?elenco comprendete: Zn, Fe, Cr; e - at least one ion of a metal chosen from the list including: Zn, Fe, Cr; And
- almeno un legante organico scelto dall?elenco comprendente: 2-metilimidazolo, acido trimesico e acido tereftalico. - at least one organic binder chosen from the list including: 2-methylimidazole, trimesic acid and terephthalic acid.
Non si esclude tuttavia, che la struttura metallo-organica comprenda ioni di metalli differenti come, ad esempio, Cu, Mg, Al, eventualmente combinati tra loro. However, it cannot be excluded that the metal-organic structure includes ions of different metals such as, for example, Cu, Mg, Al, possibly combined with each other.
Altres? non si esclude che la struttura metallo organica comprenda leganti organici differenti come, ad esempio, amminoacidi, ammine aromatiche, derivati azolici, acidi policarbossilici, derivati fosfonati. Others? it is not excluded that the metal organic structure includes different organic ligands such as, for example, amino acids, aromatic amines, azole derivatives, polycarboxylic acids, phosphonate derivatives.
Lo ione metallico e il legante organico formano tra loro legami di coordinazione che portano alla formazione della struttura porosa tridimensionale. The metal ion and the organic ligand form coordination bonds between each other which lead to the formation of the three-dimensional porous structure.
In accordo con una prima forma di attuazione del materiale composito di rivestimento secondo il trovato, lo ione di un metallo ? Zn<2+>. In accordance with a first embodiment of the composite coating material according to the invention, the ion of a metal is Zn<2+>.
Sempre con riferimento a tale soluzione realizzativa, il legante organico ? 2-metilimidazolo. Again with reference to this manufacturing solution, the organic binder is 2-methylimidazole.
Vantaggiosamente, la struttura metallo-organica ? ZIF-8. Advantageously, the metal-organic structure is ZIF-8.
ZIF-8 ? una struttura metallo-organica in cui i cationi di zinco in presenza di anioni imidazolati si assemblano in una struttura tridimensionale altamente porosa. ZIF-8? a metal-organic structure in which zinc cations in the presence of imidazolate anions assemble into a highly porous three-dimensional structure.
In accordo con la prima forma di attuazione, la matrice polimerica ? PMMA. Il materiale composito di rivestimento che si ottiene combina le propriet? del PMMA, un materiale trasparente, robusto, che non altera le propriet? di assorbimento dello strato attivo di perovskite e che allo stesso tempo pu? offrire protezione UV e migliorarne il comportamento idrofobo, con reticoli di ZIF-8 che possono respingere l?acqua e aumentare il carattere di barriera d?acqua del rivestimento. In accordance with the first embodiment, the polymeric matrix is PMMA. The composite covering material obtained combines the properties of PMMA, a transparent, robust material that does not alter the properties? of absorption of the active perovskite layer and which at the same time can? offer UV protection and improve its hydrophobic behavior, with ZIF-8 lattices that can repel water and increase the water barrier character of the coating.
Questa soluzione non solo offre una barriera all?umidit?, ma preserva la struttura chimica del materiale attivo della cella solare e la funzionalit? del dispositivo fotovoltaico. This solution not only offers a barrier to humidity, but preserves the chemical structure of the solar cell's active material and the functionality of the solar cell. of the photovoltaic device.
Il materiale composito di rivestimento in accordo con la prima forma di attuazione consente una elevata trasmissione della luce visibile e resistenza ai raggi UV, una ottima omogeneit? e conseguente stabilit? meccanica e una semplicit? di fabbricazione attraverso processi di produzione in soluzione a basse temperature e costi ridotti. The composite covering material in accordance with the first embodiment allows a high transmission of visible light and resistance to UV rays, excellent homogeneity and consequent stability? mechanics and simplicity? of manufacturing through solution production processes at low temperatures and reduced costs.
In particolare, il materiale composito di rivestimento consente una laminazione sottovuoto a temperature inferiori ai 100?C, evitando cos? possibili degradazioni della cella solare. In particular, the composite coating material allows vacuum lamination at temperatures below 100°C, thus avoiding possible degradation of the solar cell.
La deposizione del materiale composito di rivestimento ? eseguibile mediante tecniche quali spin coating, drop casting, spray, ecc., e pu? essere facilmente implementata in qualsiasi processo di produzione in soluzione. Il rivestimento che si ottiene ? in forma di film sottile. The deposition of the composite covering material? can be performed using techniques such as spin coating, drop casting, spray, etc., and can? be easily implemented into any solution manufacturing process. The coating you get? in thin film form.
In particolare, il rivestimento ha uno spessore dell?ordine delle centinaia di nanometri (usando la tecnica dello spin coating) fino anche all?ordine delle centinaia di micrometri (usando una tecnica di deposizione a spray). In particular, the coating has a thickness of the order of hundreds of nanometers (using the spin coating technique) up to the order of hundreds of micrometers (using a spray deposition technique).
Esempio 1. Example 1.
Sintesi del materiale composito di rivestimento: Summary of composite cladding material:
Due soluzioni metanoliche di precursori dello ione del metallo e del legante organico vengono preparate in due distinte beute di Erlenmeyer. Two methanolic solutions of metal ion precursors and organic ligand are prepared in two separate Erlenmeyer flasks.
Una prima soluzione A viene preparata miscelando 1,467g di Zn(NO3)2?6H2O in 100mL di metanolo, ottenendo una soluzione ad una concentrazione pari a 49 mM. A first solution A is prepared by mixing 1.467g of Zn(NO3)2?6H2O in 100mL of methanol, obtaining a solution at a concentration of 49 mM.
Una seconda soluzione B viene preparata miscelando 3,245 g di 2-metilimidazolo in 100 mL di metanolo, ottenendo una soluzione ad una concentrazione pari a 395 mM. A second solution B is prepared by mixing 3.245 g of 2-methylimidazole in 100 mL of methanol, obtaining a solution at a concentration of 395 mM.
Ciascuna soluzione viene miscelata a temperatura ambiente mediante agitazione magnetica fino a completa dissoluzione dei componenti. Each solution is mixed at room temperature by magnetic stirring until the components are completely dissolved.
La soluzione A viene poi versata rapidamente nella soluzione B e la miscela risultante viene mantenuta in agitazione vigorosa a temperatura ambiente fino ad intorbidimento (ca. 5 minuti). Solution A is then quickly poured into solution B and the resulting mixture is kept under vigorous stirring at room temperature until cloudy (approx. 5 minutes).
La sospensione viene rapidamente suddivisa in quattro diverse fiale Falcon da 50 ml e centrifugata a 9000 giri/min per 30 minuti. The suspension is quickly divided into four different 50 ml Falcon vials and centrifuged at 9000 rpm for 30 minutes.
Il surnatante viene eliminato e il precipitato solido (ZIF-8), in forma di pellet, viene lavato due volte con metanolo fresco (60 ml e 30 ml) e centrifugato ogni volta a 9000 giri/min per 60 minuti. The supernatant is discarded and the solid precipitate (ZIF-8), in pellet form, is washed twice with fresh methanol (60 ml and 30 ml) and centrifuged each time at 9000 rpm for 60 minutes.
Dopo l?ultima centrifugazione, il prodotto in pellet viene lavato con 30 ml di 1-butanolo, centrifugato a 9000 giri/min e disperso in 1-butanolo ad ottenere una concentrazione pari a 30 mg/mL (ca. 5-10 mL di 1-butanolo). La concentrazione dell?ultimo campione viene determinata facendo cadere un piccolo volume della sospensione (0,3 ml) in una fiala e calcolando la massa residua all?evaporazione del solvente. After the last centrifugation, the pellet product is washed with 30 ml of 1-butanol, centrifuged at 9000 rpm and dispersed in 1-butanol to obtain a concentration equal to 30 mg/mL (approx. 5-10 mL of 1-butanol). The concentration of the last sample is determined by dropping a small volume of the suspension (0.3 ml) into a vial and calculating the residual mass upon evaporation of the solvent.
La miscela di ZIF-8 in 1-butanolo viene poi miscelata 1:1 ad una soluzione di PMMA in toluene ad una concentrazione pari a 10 mg/mL, ottenendo una miscela finale di 5 mg/mL PMMA e 15 mg/mL ZIF -8 in 1-butanolo/toluene 1:1. The mixture of ZIF-8 in 1-butanol is then mixed 1:1 with a solution of PMMA in toluene at a concentration of 10 mg/mL, obtaining a final mixture of 5 mg/mL PMMA and 15 mg/mL ZIF - 8 in 1-butanol/toluene 1:1.
Preparazione del rivestimento: Preparation of the coating:
Il rivestimento viene preparato in forma di film sottile mediante spin coating (Polos Spin105i spin coater) della soluzione di materiale composito di rivestimento ottenuta. The coating is prepared in the form of a thin film by spin coating (Polos Spin105i spin coater) of the obtained composite coating material solution.
Analogamente, le singole soluzioni di struttura metallo organica (ZIF-8 10 mg/mL in 1-butanolo) e di matrice polimerica (PMMA 10 mg/mL in toluene) vengono depositate come riferimento. Similarly, individual solutions of metal organic framework (ZIF-8 10 mg/mL in 1-butanol) and polymer matrix (PMMA 10 mg/mL in toluene) are deposited as a reference.
A tale scopo, un supporto in vetro viene montato sullo spin coater, viene applicato il vuoto per garantire una rotazione stabile, e 100 ?L della soluzione desiderata vengono depositati sulla superficie del supporto in vetro. For this purpose, a glass holder is mounted on the spin coater, vacuum is applied to ensure stable rotation, and 100 ?L of the desired solution is deposited on the surface of the glass holder.
Infine, viene azionata la rotazione dello spin coater al fine di distribuire la soluzione in modo omogeneo. Finally, the rotation of the spin coater is activated in order to distribute the solution homogeneously.
I film vengono depositati con una velocit? di centrifugazione di 4000 rpm per 30 secondi e con un?accelerazione di 200 rpm/s. The films are deposited with a speed? centrifugation of 4000 rpm for 30 seconds and with an acceleration of 200 rpm/s.
In seguito, il rivestimento ? stato analizzato e i relativi parametri fisicochimici sono stati confrontati con i relativi film di riferimento. Afterwards, the covering? was analyzed and the related physicochemical parameters were compared with the relevant reference films.
Analisi dei risultati: Analysis of the results:
In figura 1 sono riportati i diffrattogrammi ottenuti mediante analisi di diffrattometria ai raggi X su polvere (PXRD - Powder X-ray diffractometry). Nel diffrattogramma vengono riportati in offset i valori di intensit? della radiazione diffratta in funzione dell?angolo di diffrazione 2?, per i film sottili di PMMA e di PMMA/ZIF-8 (in offset). Per confermare la presenza della struttura metallo organica ZIF-8 sono riportati anche i picchi calcolati per tale materiale (ZIF-8 calcd.). Figure 1 shows the diffractograms obtained by powder X-ray diffractometry (PXRD - Powder X-ray diffractometry) analysis. In the diffractogram are the intensity values reported in offset? of the diffracted radiation as a function of the diffraction angle 2?, for thin films of PMMA and PMMA/ZIF-8 (in offset). To confirm the presence of the ZIF-8 metal organic structure, the peaks calculated for this material are also reported (ZIF-8 calcd.).
Oltre a mostrare l?effettiva presenza di ZIF-8, tale confronto dimostra anche l?elevata qualit? cristallina della struttura metallo-organica sintetizzata e come questa venga preservata a seguito dell?inglobazione nella matrice polimerica. In addition to showing the actual presence of ZIF-8, this comparison also demonstrates the high quality crystalline structure of the synthesized metal-organic structure and how this is preserved following incorporation into the polymer matrix.
In figura 2 sono riportati i dati di assorbimento UV-Vis dei film sottili PMMA/ZIF-8 rispetto all?assorbimento di un tipico materiale perovskitico attivo. Figure 2 shows the UV-Vis absorption data of PMMA/ZIF-8 thin films compared to the absorption of a typical active perovskite material.
Dal confronto si evince come non vi sia alcun assorbimento da parte del rivestimento, ad indicare una totale trasparenza del rivestimento stesso. In figura 3 sono mostrate immagini eseguite mediante tecnica SEM (Scanning Electron Microscopy). The comparison shows that there is no absorption by the coating, indicating total transparency of the coating itself. Figure 3 shows images taken using the SEM (Scanning Electron Microscopy) technique.
L?analisi del campione con solo PMMA (a sinistra) mostra a entrambi gli ingrandimenti indagati (5,0K X e 50,0K X) una sostanziale omogeneit? del rivestimento di solo PMMA, a meno di piccoli fori dell?ordine dei nanometri. The analysis of the sample with only PMMA (on the left) shows substantial homogeneity at both enlargements investigated (5.0K of the PMMA-only coating, except for small holes in the order of nanometers.
L?analisi del campione PMMA/ZIF-8 (a destra) mostra, ad un ingrandimento di 5,0K X, ma ancor pi? di 50K X, la presenza di una distribuzione omogenea di nanoparticelle di ZIF-8 e una loro possibile aggregazione tra le nanoparticelle di ZIF-8 e la matrice polimerica che dipende dalla velocit? della deposizione di spin coating. The analysis of the PMMA/ZIF-8 sample (right) shows, at a magnification of 5.0K of 50K of spin coating deposition.
In figura 4 sono mostrate misurazioni dell?angolo di contatto eseguite su campioni di rivestimento in solo PMMA e in PMMA/ZIF-8. Figure 4 shows contact angle measurements performed on PMMA-only and PMMA/ZIF-8 coating samples.
Le misurazioni mostrano un forte aumento del comportamento idrofobico del rivestimento contenente la struttura metallo-organica (angolo di contatto di 116,2?) rispetto alla sola matrice polimerica (angolo di contatto di 61,5?). Tale comportamento risulta ulteriormente evidente dall?osservazione dell?immagine di una goccia d?acqua depositata al di sopra dei rivestimenti e dal suo andamento nel tempo. The measurements show a strong increase in the hydrophobic behavior of the coating containing the metal-organic framework (contact angle of 116.2?) compared to the polymer matrix alone (contact angle of 61.5?). This behavior is further evident from the observation of the image of a drop of water deposited on top of the coverings and its trend over time.
L?efficacia del rivestimento ottenuto in accordo con la prima forma di attuazione ? stata dimostrata attraverso misurazioni J-V effettuate su celle solari perovskitiche ad alta efficienza parzialmente incapsulate depositando un rivestimento a film sottile della matrice PMMA/ZIF-8 e confrontando i risultati con quelli ottenuti da una cella di riferimento ricoperta di solo PMMA e da una terza cella di riferimento senza alcun rivestimento specifico. In particolare, i campioni sono stati conservati in una camera climatica ad umidit? controllata (umidit? relativa 50%) e le propriet? fotovoltaiche sono state misurate periodicamente per studiare il comportamento protettivo contro l?umidit? del rivestimento a film sottile. The effectiveness of the coating obtained in accordance with the first embodiment? was demonstrated through J-V measurements performed on partially encapsulated high-efficiency perovskite solar cells by depositing a thin film coating of the PMMA/ZIF-8 matrix and comparing the results with those obtained from a reference cell covered with PMMA only and from a third reference without any specific coating. In particular, the samples were stored in a humidity climatic chamber. controlled (relative humidity 50%) and the properties? photovoltaic cells were measured periodically to study the protective behavior against humidity. of the thin film coating.
Un secondo esperimento simile viene eseguito effettuando le misurazioni J-V su una cella solare perovskitica parzialmente rivestita di solo ZIF-8 e confrontandola nuovamente con una cella solare senza alcun rivestimento specifico. A second similar experiment is performed by taking J-V measurements on a perovskitic solar cell partially coated with ZIF-8 only and comparing it again to a solar cell without any specific coating.
La camera climatica con umidit? relativa del 50% ? preparata all?interno di una scatola di plastica chiusa. Per un ambiente al 50% di umidit? relativa, una soluzione acquosa satura di nitrato di magnesio viene preparata all?interno di un becher e posta all?interno della scatola. La scatola viene lasciata per una notte e l?umidit? interna viene poi controllata pi? volte nei giorni successivi. Una volta ottenute misurazioni stabili dell?umidit?, la scatola viene utilizzata appositamente senza ulteriori interventi. The climatic chamber with humidity? relative by 50%? prepared inside a closed plastic box. For an environment with 50% humidity? relative, a saturated aqueous solution of magnesium nitrate is prepared inside a beaker and placed inside the box. The box is left overnight and the humidity internal is then checked more? times in the following days. Once stable humidity measurements are obtained, the box is used specifically without further intervention.
I parametri fotovoltaici di PCE (Power Conversion Efficiency ? Efficienza di conversione energetica), FF (Fill Factor ? Coefficiente di riempimento), Jsc (short-circuit current density ? Densit? di corrente in corto-circuito) e Voc (open-circuit Voltage ? Voltaggio a circuito aperto) dei campioni vengono studiati eseguendo misurazioni JV su PSC incapsulate da 0,12 cm<2 >(area attiva) sotto illuminazione 1 SUN, spettro solare AM 1,5 G (lampada LED, Wavelab Sinus-70). La tensione ? applicata con un misuratore di alimentazione (Sourcemeter Keithley 2410). The photovoltaic parameters of PCE (Power Conversion Efficiency), FF (Fill Factor), Jsc (short-circuit current density) and Voc (open-circuit Voltage) ?Open-circuit voltage) of the samples are studied by performing JV measurements on 0.12 cm<2 >(active area) encapsulated PSCs under 1 SUN, 1.5 G AM solar spectrum illumination (LED lamp, Wavelab Sinus-70). The tension? applied with a power meter (Sourcemeter Keithley 2410).
Per l?analisi vengono testate celle solari perovskitiche n-i-p ((Cs0.05(MA0.15FA0.85)0.95Pb(I0.85Br0.15)3) For the analysis, n-i-p perovskite solar cells ((Cs0.05(MA0.15FA0.85)0.95Pb(I0.85Br0.15)3) are tested
(FTO/TiO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au). (FTO/TiO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au).
Prima di effettuare le misurazioni, viene regolata la posizione verticale della piattaforma mediante calibrazione rispetto a una cella di riferimento (Centronics LCE-50 dotata di filtro KG-3) per individuare esattamente le proprie specifiche per il valore di corrente sotto illuminazione. Before taking measurements, the vertical position of the platform is adjusted by calibration against a reference cell (Centronics LCE-50 equipped with KG-3 filter) to exactly find its specifications for the current value under illumination.
In figura 5 sono mostrate le analisi dei parametri fotovoltaici eseguite su campioni di cella solare perovskitica non rivestita, rivestita con solo PMMA e rivestita con PMMA/ZIF-8, in camere climatiche con umidit? al 50% RH. Ogni deposizione sopra le PSC viene eseguita sul lato del vetro, con deposizione mediante spin coating (Spin Coater Polos Spin105i) a 4000 rpm di una soluzione di PMMA (10mg/mL in toluene) e di una soluzione PMMA/ZIF-8 (5 mg/mL in toluene 10 mg/mL in 1-butanolo). Figure 5 shows the analyzes of the photovoltaic parameters performed on samples of uncoated perovskite solar cells, coated with PMMA only and coated with PMMA/ZIF-8, in climatic chambers with humidity at 50% RH. Each deposition on top of the PSCs is performed on the glass side, with deposition by spin coating (Spin Coater Polos Spin105i) at 4000 rpm of a PMMA solution (10mg/mL in toluene) and a PMMA/ZIF-8 solution (5 mg /mL in toluene 10 mg/mL in 1-butanol).
I parametri fotovoltaici di ogni campione vengono misurati prima e dopo la deposizione. Successivamente, i campioni vengono trasferiti nella camera a umidit? controllata 50% RH. The photovoltaic parameters of each sample are measured before and after deposition. Subsequently, the samples are transferred to the humidity chamber. controlled 50% RH.
I parametri fotovoltaici di ciascun campione vengono monitorati dopo 3 giorni, 7 giorni, 14 giorni, 21 giorni e 28 giorni. The photovoltaic parameters of each sample are monitored after 3 days, 7 days, 14 days, 21 days and 28 days.
I dati acquisiti sono stati raccolti, normalizzati ai dati della PSC non incapsulata e riportati nei grafici di figura 5. The acquired data were collected, normalized to the non-encapsulated PSC data and reported in the graphs of Figure 5.
Dai grafici risulta evidente che il rivestimento PMMA/ZIF-8 offre una protezione incredibile in condizioni di forte umidit? relativa (HR=50%). In particolare, osservando l?andamento della curva PCE si nota come la cella solare rivestita in PMMA/ZIF-8 subisca un decadimento inferiore al 20% in 28 giorni. Al contrario, la cella solare non incapsulata (Ref) mostra una drastica diminuzione dei valori di PCE fino ad una completa perdita di funzionamento nella finestra temporale indagata. From the graphs it is clear that the PMMA/ZIF-8 coating offers incredible protection in very humid conditions. relative (HR=50%). In particular, observing the trend of the PCE curve we can see how the solar cell coated in PMMA/ZIF-8 undergoes a decay of less than 20% in 28 days. On the contrary, the non-encapsulated solar cell (Ref) shows a drastic decrease in PCE values up to a complete loss of operation in the investigated time window.
Nelle celle solari incapsulate solo con PMMA, sebbene meno pronunciato, si osserva un chiaro degrado, in particolare nei parametri Jsc, riducendo le prestazioni complessive del dispositivo fotovoltaico. In solar cells encapsulated only with PMMA, although less pronounced, a clear degradation is observed, particularly in the Jsc parameters, reducing the overall performance of the photovoltaic device.
In figura 6 sono mostrate le misurazioni effettuate su celle solari perovskitiche rivestite con solo ZIF-8. Figure 6 shows measurements performed on perovskite solar cells coated with only ZIF-8.
La deposizione sopra la PSC viene eseguita sul lato del vetro, con deposizione mediante spin coating (Spin Coater Polos Spin105i) a 2.500 rpm di una soluzione di ZIF-8 (10 mg/mL in 1-butanolo). The deposition on top of the PSC is performed on the glass side, with deposition by spin coating (Spin Coater Polos Spin105i) at 2,500 rpm of a ZIF-8 solution (10 mg/mL in 1-butanol).
I parametri fotovoltaici di ogni campione vengono misurati prima e dopo la deposizione. Successivamente, i campioni vengono trasferiti nella camera a umidit? controllata 50% RH. The photovoltaic parameters of each sample are measured before and after deposition. Subsequently, the samples are transferred to the humidity chamber. controlled 50% RH.
I parametri fotovoltaici di ciascun campione vengono monitorati dopo 1 giorno, 3 giorni e 7 giorni. The photovoltaic parameters of each sample are monitored after 1 day, 3 days and 7 days.
I dati acquisiti sono stati raccolti, normalizzati ai dati della cella a perovskite di riferimento non incapsulata e riportati nei grafici di figura 6. The acquired data were collected, normalized to the data of the non-encapsulated reference perovskite cell and reported in the graphs of figure 6.
Come risulta evidente dall?osservazione dei grafici, il rivestimento in sola ZIF-8 non ? sufficiente per proteggere le celle solari perovskitiche dall?umidit? elevata, confermando l?effetto sinergico della combinazione tra struttura metallo-organica e matrice polimerica al fine di raggiungere una efficace protezione. As is evident from the observation of the graphs, the ZIF-8 coating alone is not enough to protect perovskite solar cells from humidity? high, confirming the synergistic effect of the combination between metal-organic structure and polymer matrix in order to achieve effective protection.
In accordo con una seconda forma di attuazione del materiale composito di rivestimento secondo il trovato, la struttura metallo-organica ? ZIF-8 e la matrice polimerica ? PS. In accordance with a second embodiment of the composite covering material according to the invention, the metal-organic structure is ZIF-8 and the polymer matrix? PS.
La struttura metallo organica viene preparata analogamente a quanto sopra e, in seguito, miscelata ad una soluzione di PS. The metal organic structure is prepared similarly to the above and, subsequently, mixed with a PS solution.
La miscela risultante viene depositata mediante spin coating e analizzata rispetto ai campioni di riferimento. The resulting mixture is deposited by spin coating and analyzed against reference samples.
Le misurazioni di angolo di contatto hanno mostrato un aumento dell?idrofobicit? nei campioni rivestiti con PS/ZIF-8, portando l?angolo di contatto ad un valore di circa 90?. Contact angle measurements showed an increase in hydrophobicity? in the samples coated with PS/ZIF-8, bringing the contact angle to a value of approximately 90?.
In figura 7 ? mostrato il grafico di comparazione tra i valori di angolo di contatto di un rivestimento con solo PS e di un rivestimento PS/ZIF-8, ottenuto da una soluzione a concentrazione pari a 1 mg/mL. In figure 7? shown is the comparison graph between the contact angle values of a coating with PS only and a PS/ZIF-8 coating, obtained from a solution with a concentration of 1 mg/mL.
In accordo con una terza forma di attuazione del materiale composito di rivestimento secondo il trovato, lo ione di un metallo ? Fe<3+>. In accordance with a third embodiment of the composite coating material according to the invention, the ion of a metal is Fe<3+>.
Sempre con riferimento a tale soluzione realizzativa, il legante organico ? acido trimesico. Again with reference to this manufacturing solution, the organic binder is trimesic acid.
Vantaggiosamente, la struttura metallo-organica ? MIL-100. Advantageously, the metal-organic structure is MIL-100.
MIL-100 viene sintetizzata in forma di nanoparticelle mediante un processo in soluzione che prevede la miscelazione di una miscela di reazione tra ioni metallici e legante organico a 95?C per 12h. Il precipitato viene centrifugato e lavato pi? volte con acqua ed etanolo ed infine essiccato. MIL-100 is synthesized in the form of nanoparticles through a solution process that involves mixing a reaction mixture between metal ions and organic binder at 95°C for 12h. The precipitate is centrifuged and washed more? times with water and ethanol and finally dried.
In alternativa, la preparazione della struttura metallo-organica pu? essere eseguita mediante riscaldamento a microonde. In tal caso, la miscela di reazione tra ioni metallici e legante organico viene posta in un reattore a microonde e agitata a 130?C per 6 min. Il precipitato viene centrifugato e lavato pi? volte con acqua ed etanolo. Alternatively, the preparation of the metal-organic framework can? be performed by microwave heating. In this case, the reaction mixture between metal ions and organic ligand is placed in a microwave reactor and stirred at 130?C for 6 min. The precipitate is centrifuged and washed more? times with water and ethanol.
La formazione del prodotto desiderato ? confermata in entrambi i casi mediante analisi PXRD a confronto con dati sperimentali riportati in letteratura. The formation of the desired product? confirmed in both cases by PXRD analysis compared with experimental data reported in the literature.
Anche in questo caso, la matrice polimerica ? PMMA. Also in this case, the polymer matrix is PMMA.
I rivestimenti in film sottile vengono preparati a partire da soluzioni a concentrazione pari a 1 mg/mL e 10 mg/mL depositate mediante spin coating. Thin film coatings are prepared starting from solutions with concentrations of 1 mg/mL and 10 mg/mL deposited by spin coating.
Analogamente a quanto descritto per le precedenti forme di attuazione, i rivestimenti vengono poi sottoposti a misurazioni dell?angolo di contatto su campioni ottenuti dalle soluzioni a entrambe le concentrazioni. Similarly to what has been described for the previous embodiments, the coatings are then subjected to contact angle measurements on samples obtained from the solutions at both concentrations.
In figura 8 sono mostrate le immagini di una goccia d?acqua su campioni di PMMA/MIL-100 ottenuti per deposizione delle soluzioni alle due concentrazioni indicate sottoposte a spin coating ad una velocit? di 2.500rpm per 10 secondi, 60 secondi, 180 secondi e 300 secondi. Figure 8 shows the images of a drop of water on PMMA/MIL-100 samples obtained by deposition of the solutions at the two indicated concentrations subjected to spin coating at a speed of 2,500rpm for 10 seconds, 60 seconds, 180 seconds and 300 seconds.
Il campione ottenuto dalla soluzione a concentrazione pari a 10mg/mL conferisce una migliore resistenza all?acqua e un carattere idrofobico. Tale risultato ? attribuibile ad una maggiore omogeneit? del film sottile ottenuto a tale concentrazione. The sample obtained from the solution at a concentration of 10mg/mL gives better water resistance and a hydrophobic character. This result? attributable to greater homogeneity? of the thin film obtained at this concentration.
In accordo con una quarta forma di attuazione del materiale composito di rivestimento secondo il trovato, lo ione di un metallo ? Cr<6+>. In accordance with a fourth embodiment of the composite coating material according to the invention, the ion of a metal is Cr<6+>.
Sempre con riferimento a tale soluzione realizzativa, il legante organico ? acido tereftalico. Again with reference to this manufacturing solution, the organic binder is terephthalic acid.
Vantaggiosamente, la struttura metallo-organica ? MIL-101. Advantageously, the metal-organic structure is MIL-101.
MIL-101 viene sintetizzato in forma di nanoparticelle mediante un processo a microonde che prevede l?agitazione di una miscela di reazione tra ioni metallici e legante organico in un reattore a microonde a 200?C per 5 min. Il precipitato nanoparticellare viene centrifugato e lavato pi? volte con acqua ed etanolo. MIL-101 is synthesized in nanoparticle form using a microwave process that involves stirring a reaction mixture between metal ions and organic binder in a microwave reactor at 200?C for 5 min. The nanoparticle precipitate is centrifuged and washed more? times with water and ethanol.
La formazione del prodotto desiderato ? confermata in entrambi i casi mediante analisi PXRD a confronto con dati sperimentali riportati in letteratura. The formation of the desired product? confirmed in both cases by PXRD analysis compared with experimental data reported in the literature.
Anche in questo caso, la matrice polimerica ? PMMA. Also in this case, the polymer matrix is PMMA.
I rivestimenti in film sottile vengono preparati a partire da soluzioni a concentrazione pari a 1 mg/mL, 10 mg/mL e 30 mg/mL depositate mediante spin coating. Thin film coatings are prepared from solutions with concentrations of 1 mg/mL, 10 mg/mL and 30 mg/mL deposited by spin coating.
Secondo un ulteriore aspetto, la presente invenzione si riferisce anche ad un pannello fotovoltaico. According to a further aspect, the present invention also refers to a photovoltaic panel.
Il pannello fotovoltaico secondo il trovato comprende almeno una cella solare e almeno un rivestimento secondo una o pi? delle forme di attuazione sopra descritte. The photovoltaic panel according to the invention includes at least one solar cell and at least one coating according to one or more of the embodiments described above.
Utilmente, il rivestimento ? disposto sulla superficie esterna della cella solare. Helpfully, the lining ? placed on the external surface of the solar cell.
In alternativa o in combinazione, il rivestimento ? disposto interposto tra almeno due strati della cella solare. In altre parole, il rivestimento pu? essere applicato alla cella solare in modo da proteggere ogni singolo strato della cella solare. Alternatively or in combination, the covering? arranged between at least two layers of the solar cell. In other words, the coating can? be applied to the solar cell so as to protect every single layer of the solar cell.
Si ? in pratica constatato come l?invenzione descritta raggiunga gli scopi proposti e in particolare si sottolinea il fatto che il materiale composito di rivestimento secondo il trovato consente di ottenere un rivestimento ad elevata schermatura nei confronti di umidit?, ossigeno, anidride carbonica e altre sostanze potenzialmente dannose per la cella solare. Yes ? in practice it has been observed that the invention described achieves the proposed purposes and in particular it is underlined that the composite covering material according to the invention allows to obtain a coating with high shielding against humidity, oxygen, carbon dioxide and other potentially harmful to the solar cell.
Il presente materiale composito di rivestimento consente di combinare sinergicamente le propriet? chelanti della struttura metallo-organica nei confronti delle piccole molecole disciolte nell?aria, con le propriet? di trasparenza e resistenza meccanica della matrice polimerica. This composite covering material allows you to synergistically combine the properties chelators of the metal-organic structure towards small molecules dissolved in the air, with the properties of transparency and mechanical resistance of the polymer matrix.
Tale combinazione di materiali permette di ottenere rivestimenti altamente trasparenti, leggeri, omogenei e flessibili, adattabili a diverse superfici come quelle flessibili e pieghevoli, adattandosi quindi anche alle recenti tecnologie relative alle celle solari flessibili. This combination of materials allows to obtain highly transparent, light, homogeneous and flexible coatings, adaptable to different surfaces such as flexible and foldable ones, therefore also adapting to recent technologies relating to flexible solar cells.
Inoltre, il presente materiale composito di rivestimento ? ottenibile mediante processi semplici, a basso costo e con un alto potenziale di scalabilit?. Infatti, la struttura metallo-organica ? sintetizzabile in forma di nanoparticelle mediante un processo in soluzione che prevede la semplice miscelazione di due soluzioni di precursori (ioni di metallo e legante organico) a temperatura ambiente e, in seguito, miscelate con la matrice polimerica. Furthermore, this composite covering material is achievable through simple processes, at low cost and with a high potential for scalability. In fact, the metal-organic structure is synthesizable in the form of nanoparticles through a solution process which involves the simple mixing of two precursor solutions (metal ions and organic binder) at room temperature and, subsequently, mixed with the polymer matrix.
Infine, il presente materiale composito di rivestimento consente una pratica deposizione in forma di film sottili che consente di ridurre l?ingombro complessivo del pannello fotovoltaico finale. Finally, the present composite coating material allows for practical deposition in the form of thin films which allows the overall size of the final photovoltaic panel to be reduced.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023111940A1 (en) | 2023-06-22 |
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