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 efficienza. E' infine prevista una attività di laboratorio orientata alla caratterizzazione elettro-ottica e morfologica di celle solari commerciali.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

l corso, erogato nel secondo semestre, guiderà gli studenti verso una comprensione approfondita del potenziale dell'energia solare per soddisfare il fabbisogno energetico dell'umanità, esplorando lo spettro delle tecnologie di conversione dell'energia solare, con un forte accento sul fotovoltaico (PV). Inizialmente, gli studenti acquisiranno conoscenze sui principi fisici dell'interazione luce-materia, collegando la risposta ottica alla struttura elettronica a bande dei materiali rilevanti per le tecnologie fotovoltaiche. Successivamente, apprenderanno il potenziale della radiazione solare e impareranno a utilizzare database di radiazione solare per valutare le prestazioni di un impianto fotovoltaico in una specifica località. Comprenderanno le basi fisiche dell'effetto fotovoltaico e delle tecnologie fotovoltaiche di prima generazione, che si basano principalmente su celle solari al silicio a giunzione singola e rappresentano il 90% del mercato fotovoltaico. Esploreranno inoltre i vincoli fisici e legati ai materiali che limitano l'efficienza di conversione del fotovoltaico, affrontando soluzioni all'avanguardia e nuovi materiali attualmente in fase di ricerca per dispositivi ad alta efficienza. Infine, gli studenti acquisiranno esperienza pratica di laboratorio, conducendo la caratterizzazione elettro-ottica delle celle fotovoltaiche. Nel terzo semestre, gli studenti interessati al fotovoltaico potranno frequentare il corso intitolato Materiali inorganici: dalla terra al fotovoltaico, in cui approfondiranno la chimica dei materiali inorganici per il fotovoltaico, con un focus che va oltre le tecnologie basate sul silicio.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

i) 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. Principi fisici dell'interazione luce-materia, collegando la risposta ottica alla struttura elettronica a bande dei materiali rilevanti per le tecnologie fotovoltaiche. 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. 

(ii) Lo studente sarà in grado di discutere in maniera critica i limiti fisici all'efficienza di conversione di dispositivi solari termici e fotovoltaici , e sarà in grado di descrivere l'effetto sull'efficienza dei parametri fisici e dei materiali costitutivi.   

(iii) Lo studente sarà inoltre in grado applicare le conoscenze acquisite per portare a termine il corretto dimensionamento di un impianto 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). 

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

Le specifiche attività formative e competenze (i-iv) sono indicate sia per il profilo "Scienziato dei Materiali: Specialista nella Ricerca"  sia per il profilo "Scienziato dei Materiali: Specialista nelle Tecnologie". Le attività (iii) e (iv) sono inoltre particolarmente inidicate per il profilo "Scienziato dei Materiali: Specialista nelle Tecnologie".

Il corso si propone di favorire l’acquisizione di competenze trasversali quali la competenza alfabetica funzionale, la competenza personale, quella sociale, la capacità di imparare ad imparare, la capacità di creazione progettuale.

PREREQUISITI

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

MODALITA' 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 degli strati antiriflesso, la loro risposta elettro-ottica sotto condizioni di illuminazione, tramite misura delle curve I-V e della efficienza quantica.  

L'esperienza di laboratorio è preceduta da una fase preparatoria/progettuale svolta in aula con il docente oppure dal gruppo. Gli studenti dovranno imparare a gestire il tempo limitato per svolgere le misure, l'analisi dati, e la stesura della relazione scritta. Ciascuna delle relazioni verrà valutata dai docenti di volta in volta in volta così da permettere agli studenti di prendere consapevolezza della propria preparazione. Questo permetterà di sviluppare le competenze trasversali menzionate nella sezione OBIETTIVI FORMATIVI.

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.

3- Funzione dielettrica e indice di rifrazione complesso di semiconduttori in regime di risposta lineare

Modelli per elettroni legati. Risonanze multiple.  Relazioni di Kramers- Kronig.  Dielettrici densi. Struttura a bande di semiconduttori. Soglia fondamentale di assorbimento in semiconduttori a gap diretto. Gap indiretto: transizioni assistite da fononi.  Transizioni lontane dalla soglia ed effetti di banda

4- Fisica delle celle solari:

Richiami di fisica dei semiconduttori con particolare riferimento al corso “Metals, Insulator, Semiconductors”, erogato nel primo semestre.   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;

5- Struttura base di una cella solare al Silicio:

Richiamo relativi alla fisica della giunzione p-n e p-i-n e all’equazione di Shockely .. Effetto fotovoltaico, 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;

6- 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; Limiti termodinamici all'efficienza di un convertitore solare termodinamico; Celle tandem (multigiunzione) (cenni).

7- 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

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Inizio secondo semestre come indicato nel calendario accademico.

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' 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.

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

Per gli studenti con disabilità o con DSA si rimanda alla sezione Altre Informazioni.

MODALITA' 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.

ALTRE INFORMAZIONI

Si ricorda alle studentesse e agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) che per poter richiedere adattamenti in sede d'esame occorre prima inserire la certificazione sul sito web di Ateneo alla pagina servizionline.unige.it nella sezione “Studenti”. La documentazione sarà verificata dal Settore servizi per l’inclusione degli studenti con disabilità e con DSA dell’Ateneo, come indicato sul sito federato al link: SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI 11430 | Studenti con disabilità e/o DSA | UniGe | Università di Genova | Corsi di Studio UniGe

Successivamente, con significativo anticipo (almeno 10 giorni) rispetto alla data di esame occorre inviare una e-mail al/alla docente con cui si sosterrà la prova di esame, inserendo in copia conoscenza sia il docente Referente di Scuola per l'inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (sergio.didomizio@unige.it) sia il Settore sopra indicato. Nella e-mail occorre specificare:

•            la denominazione dell’insegnamento

•            la data dell'appello

•            il cognome, nome e numero di matricola dello studente

•            gli strumenti compensativi e le misure dispensative ritenuti funzionali e richiesti.

Il/la referente confermerà al/alla docente che il/la richiedente ha diritto a fare richiesta di adattamenti in sede d'esame e che tali adattamenti devono essere concordati con il/la docente. Il/la docente risponderà comunicando se sia possibile utilizzare gli adattamenti richiesti.

Le richieste devono essere inviate almeno 10 giorni prima della data dell’appello al fine di consentire al/alla docente di valutarne il contenuto. In particolare, nel caso in cui si intenda usufruire di mappe concettuali per l’esame (che devono essere molto più sintetiche rispetto alle mappe usate per lo studio) se l’invio non rispetta i tempi previsti non vi sarà il tempo tecnico necessario per apportare eventuali modifiche.

Per ulteriori informazioni in merito alla richiesta di servizi e adattamenti consultare il documento: Linee guida per la richiesta di servizi, di strumenti compensativi e/o di misure dispensative e di ausili specifici