CELLE SOLARI FUNZIONAMENTO E MATERIALI

CELLE SOLARI FUNZIONAMENTO E MATERIALI

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Codice
61933
ANNO ACCADEMICO
2021/2022
CFU
6 cfu al 1° anno di 9017 SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI (LM-53) GENOVA

6 CFU al 2° anno di 9012 FISICA (LM-17) GENOVA

6 CFU al 1° anno di 9012 FISICA (LM-17) GENOVA

SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE
FIS/03
LINGUA
Italiano
SEDE
GENOVA (SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI )
periodo
2° Semestre
materiale didattico

PRESENTAZIONE

Nel corso vengono descritti i meccanismi fisici alla base della conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica sfruttando l'effetto fotovoltaico. Si comprenderanno quindi i limiti termodinamici fondamentali all'efficienza e i vincoli sulla scelta di materiali e sui parametri costruttivi di dispositivi di alta efficenza. E' infine prevista una attività di laboratorio orientata alla caratterizzazione elettro-ottica e morfologica di celle solari commerciali.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

l' insegnamento si propone di illustrare le potenzialità della risorsa solare ed i meccanismi fisici alla base della conversione della radiazione solare in energia elettrica. Verranno introdotti gli elementi di fisica dei semiconduttori necessari a descrivere il funzionamento delle celle solari con particolare riferimento a quelle in Silicio. Si fornirà infine una panoramica sui nuovi concetti e materiali studiati per aumentare l'efficienza delle celle solari.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Gli obiettivi formativi del corso comprendono l'acquisizione di conoscenze teoriche relative a: Risorsa energetica solare e al dimensionamento della potenzialità di produzione fotovoltaica valutata tramite l'impiego di software di simulazione di riferimento (PVGIS) disponibili su piattaforme Open Access. Processi di assorbimento ottico nei semiconduttori. Fisica delle celle solari e dei semiconduttori, con particolare riferimento a dispositivi a giunzione in Silicio. Limiti termodinamici all'efficienza di un convertitore fotovoltaico e nuovi concetti e materiali per aumentare l'efficienza delle celle solari.

Lo studente sarà in grado applicare le conoscenze acquisite per portare a termine il corretto dimensionamento di un impiato fotovoltaico, per stimare la potenzialità di irraggiamento solare e di produzione fotovoltaica in una specifica località, anche utilizzando strumenti di simulazione software open source (PVGIS). Lo studente sarà in grado di discutere in maniera critica i limiti fisici all'efficienza di conversione di dispositii fotovoltaici , e l'effetto sull'efficienza dei parametri fisici e dei materiali costitutivi.   

Gli obiettivi formativi del coso prevedono anche l'acquisizione di competenze sperimentali reltivamente alla caratterizzazione elettro-ottica e morfologica di celle solari commerciali.

PREREQUISITI

Si considerano acquisite le nozioni di base relative alla Fisica dei Solidi con particolare riferimento al comportamento di elettroni nei metalli e nei semiconduttori e le nozioni di Fisica generale con particolare riferimento all'elettromagnetismo, all'ottica e alla interazione radiazione-materia. 

Modalità didattiche

Il corso prevede circa 42 ore di lezioni frontali in cui vengono presentati gli argomenti teorici. Sono anche previste circa 8 ore di attività in laboratorio in cui viene effettuata la caratterizzazione di alcune celle solari per quanto riguarda la loro risposta ottica, la morfologia e struttura, la loro risposta elettrica sotto condizioni di illuminazione.  

PROGRAMMA/CONTENUTO

1- Introduzione:

energie rinnovabili, riscaldamento globale, politica energetica

2- La risorsa energetica solare:

Radiazione solare. Spettro di corpo nero; Effetti dell'atmosfera solare e terrestre: assorbimento da atomi e molecole e distribuzione spettrale della radiazione solare. Assorbimento da semiconduttori; Processi ottici; Concentrazione di radiazione solare;

3- Fisica delle celle solari:

Richiami di fisica dei semiconduttori. Assorbimento di Fotoni e Generazione di coppie elettrone lacuna; Ricombinazione di elettroni e lacune (radiativa e non radiativa). Ricombinazione a bordi di grano, difetti e superfici; Diffusione di portatori minoritari; tempi di vita e lunghezze di diffusione;

4- Struttura base di una cella solare al Silicio:

Giunzione p-n e p-i-n. Separazione di elettroni e lacune; Caratteristica I-V di una cella solare. Celle solari monocristalline; Celle solari policristalline; Limiti teorici per la conversione di energia (approccio di Schockley-Queisser); Efficienza e gap di energia; Risposta spettrale; Effetto delle resistenze parassite; effetti di temperatura;

5- Nuovi concetti e materiali per aumentare l'efficienza delle celle solari:

Perdite per riflessione; Celle solari a concentrazione. Celle solari a film sottile; Amplificazione della Raccolta fotonica in celle nanostrutturate; Cenni ad altri materiali semiconduttori di interesse fotovoltaico; Limti termodinamici all'efficienza di un convertitore solare termodinamico; Celle tandem (multigiunzione) (cenni). Celle a banda intermedia (cenni); Celle a portatori caldi (cenni); Celle a ionizzazione ad impatto (cenni).

6- Attività di laboratorio

Caratterizzazione elettro-ottica e morfologica di celle solari commerciali

TESTI/BIBLIOGRAFIA

• “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering” Eds. A.Luque and S. Hegedus, Wiley
• “The Physics of Solar cells” by Jenny Nelson (Imperial College, UK) World Scientific Press
•  “Materials Concepts for Solar Cells” by Thomas Dittrich (Imperial College Press) 2nd edition

DOCENTI E COMMISSIONI

Ricevimento: L'orario di ricevimento è libero, previo appuntamento telefonico o via email. Francesco Buatier de Mongeot Dipartimento di Fisica, via Dodecaneso 33, 16146 Genova piano 7, studio 705 telefono: 010 3536324 email: buatier@fisica.unige.it  

LEZIONI

Modalità didattiche

Il corso prevede circa 42 ore di lezioni frontali in cui vengono presentati gli argomenti teorici. Sono anche previste circa 8 ore di attività in laboratorio in cui viene effettuata la caratterizzazione di alcune celle solari per quanto riguarda la loro risposta ottica, la morfologia e struttura, la loro risposta elettrica sotto condizioni di illuminazione.  

INIZIO LEZIONI

Di norma l'inizio delle lezioni è previsto nella prima settimana di marzo, secondo il calendario ufficiale pevisto dal corso di studi.

ORARI

L'orario di tutti gli insegnamenti è consultabile su EasyAcademy.

ESAMI

Modalità d'esame

L'esame consisterà in un colloquio orale della durata di circa 45 minuti, in una data che può essere concordata con il docente che va contattato con congruo  anticipo.

La prova orale verrà sostenuta in presenza di due professori  appartenenti alla commissione di cui uno almeno tra F.Buatier de Mongeot e  M.C. Giordano.

Durante la prova lo studente può illustrare uno degli argomenti del progrmma a sua scelta (circa 1/3 della prova) mentre il restante tempo della prova viene dedicato ad approfondire le restanti parti del programma.

 

Modalità di accertamento

Durante la prova orale verrà verificato l’effettivo raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi . Verrà verificata il livello delle conoscenze acquisite sui punti specifici del programma, il grado di comprensione rispetto al ruolo dei meccanismi fisici che determinano il funzionamento e l'efficienza di un dispositivo fotovoltaico, e la capacità critica nell'affrontare casi specifici posti dal docente. Sono inoltre valutati la qualità dell’esposizione, l’utilizzo corretto del lessico specialistico, la capacità di ragionamento critico rispetto a casi specifici posti dal docente.