PRESENTAZIONE

Questo insegnamento offre una trattazione avanzata dei materiali inorganici per applicazioni fotovoltaiche (PV), con particolare attenzione ai solidi cristallini e alle tecnologie a film sottile. Basandosi su conoscenze pregresse relative alla conversione dell’energia solare e ai fondamenti del fotovoltaico, l'insegnamento adotta una prospettiva orientata ai materiali per analizzare le relazioni tra composizione, struttura cristallina, legame chimico e proprietà elettroniche. L'insegnamento esamina come tali fattori determinino il comportamento funzionale dei semiconduttori inorganici impiegati nelle tecnologie fotovoltaiche di seconda generazione. Particolare attenzione è dedicata ai difetti, al drogaggio e ai processi di fabbricazione, con enfasi sugli assorbitori a base di calcogenuri e perovskiti, sugli ossidi conduttivi trasparenti e sui concetti fotovoltaici avanzati oltre le convenzionali celle a singola giunzione.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Le/i discenti apprezzeranno il potenziale del fotovoltaico (PV) come paradigma valido per la conversione dell'irraggiamento solare in elettricità, al fine di soddisfare il fabbisogno energetico dell'umanità. Dopo aver affrontato le basi del fotovoltaico e le tecnologie fotovoltaiche di prima generazione nell'insegnamento intitolato ""Energia Solare e Celle Solari"" (secondo semestre), le/i discenti di questo insegnamento, al terzo semestre, impareranno a classificare e analizzare i materiali cristallini inorganici in base alla loro composizione e al legame chimico. Comprenderanno e applicheranno le teorie del legame e della struttura elettronica sia classiche che basate sulla meccanica quantistica a materiali fotovoltaici inorganici selezionati. Descriveranno la relazione tra la struttura cristallina, il tipo di legame e le proprietà fisiche. Apprezzeranno l'impatto e la rilevanza dei difetti puntuali ed estesi in tali materiali durante la loro fabbricazione e il loro funzionamento, con particolare attenzione alle tecnologie di seconda generazione, note come film sottili. Sulla base della natura chimica dei vari materiali fotovoltaici, apprenderanno alcuni principi fondamentali per la progettazione di metodi di fabbricazione efficaci.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L'insegnamento si propone di approfondire la comprensione dei principi fondamentali che governano i materiali inorganici impiegati nelle tecnologie fotovoltaiche, con particolare enfasi sull’interazione tra struttura, legame chimico, difetti e proprietà dei materiali. L'insegnamento mira inoltre a sviluppare la capacità di analizzare criticamente e progettare materiali e processi rilevanti per sistemi fotovoltaici avanzati ed emergenti.

Al termine dell'insegnamento, le persone partecipanti saranno in grado di:

• classificare e confrontare criticamente materiali cristallini inorganici sulla base di composizione, legame chimico e struttura cristallina;
• interpretare strutture cristalline complesse utilizzando concetti cristallografici e appropriati strumenti di visualizzazione;
• applicare modelli classici e quantomeccanici per spiegare il legame chimico e la struttura elettronica nei solidi inorganici;
• analizzare e razionalizzare le relazioni tra struttura, legame chimico e proprietà optoelettroniche dei materiali fotovoltaici;
• valutare l’impatto dei difetti intrinseci ed estrinseci sulle prestazioni dei semiconduttori inorganici;
• applicare principi termodinamici e cinetici all’analisi e alla progettazione di processi di fabbricazione per materiali fotovoltaici a film sottile;
• valutare criticamente le proprietà e il potenziale tecnologico dei principali materiali inorganici, inclusi calcogenuri, perovskiti e ossidi conduttivi trasparenti;
• discutere e valutare architetture fotovoltaiche avanzate e la loro rilevanza per le tecnologie di conversione solare di nuova generazione.

PREREQUISITI

La partecipazione all'insegnamento “Solar Energy and Solar Cells” è raccomandata.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni e sessioni woekshop in classe.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Lo stato cristallino: sistemi cristallini e reticoli di Bravais, gruppi spaziali, posizioni di Wyckoff e simboli di Pearson. Utilizzo di software per la visualizzazione e l’interpretazione delle strutture cristalline.

Il triangolo dei legami di van Arkel–Ketelaar. Struttura cristallina ed elettronica di materiali metallici, ionici e covalenti tipici. Approcci classici al legame chimico: raggi ionici e regole di Pauling, energia di Madelung, equazioni di Born–Mayer e Kapustinskii, incrementi di volume, metodo della valenza di legame e principi di simmetria. Introduzione ai principali approcci quantomeccanici per la descrizione del legame chimico nei solidi cristallini.

Drogaggio intrinseco ed estrinseco e ruolo dei difetti puntuali ed estesi nelle proprietà optoelettroniche dei materiali fotovoltaici oltre il silicio. Processi di fabbricazione degli strati assorbitori e finestra per celle solari fotovoltaiche interpretati alla luce di considerazioni termodinamiche e cinetiche, con particolare enfasi sulla natura del bulk e delle interfacce nei semiconduttori calcogenuri (CIGS, CdTe, CZTS), nelle perovskiti e negli ossidi conduttivi trasparenti.

Concetti avanzati di fotovoltaico: architetture oltre la singola giunzione, fotovoltaico a (micro)concentrazione e fotovoltaico “segmentato”.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

1. Antony R. West, Basic Solid State Chemistry, Wiley-VCH

2. Ulrich Müller, Inorganic Structural Chemistry, Wiley-VCH

3. Richard Dronskowski, Computational Chemistry of Solid State Materials, Wiley-VCH

4. Peter Würfel, Physics of Solar Cells: From Principles to New Concepts, Wiley-VCH

5. Arthur J. Nozik et al., Advanced Concepts in Photovoltaics, RSC Energy and Env. Series

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Secondo l'orario riportato qui

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 basato sugli argomenti trattati nel programma dell'insegnamento.

Per le persone con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento (DSA), si rimanda alla sezione “Ulteriori informazioni”.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Grazie alla prova orale e all’esperienza pluriennale dei docenti nello svolgimento di esami nell’ambito disciplinare dell'insegnamento, la commissione è in grado di valutare con elevato grado di accuratezza il raggiungimento degli obiettivi formativi previsti. Qualora tali obiettivi non risultino pienamente acquisiti, i/le discenti saranno incoraggiati/e ad approfondire ulteriormente gli argomenti trattati e a richiedere chiarimenti aggiuntivi ai docenti dell'insegnamento.

ALTRE INFORMAZIONI

Le misure dispensative e gli strumenti compensativi sono finalizzati a consentire a tutti/e i/le discenti di raggiungere gli stessi obiettivi formativi, e non a facilitare lo svolgimento dell’esame.

L’utilizzo degli strumenti compensativi e l’applicazione delle misure dispensative devono essere autorizzati in anticipo dal docente, in accordo con il Referente.

Per usufruire degli adattamenti durante l’esame, occorre compilare il modulo di richiesta di adattamento; la richiesta verrà automaticamente inviata dal sistema al docente titolare dell’insegnamento, al Referente della propria Scuola/Area/Dipartimento e, per conoscenza, al Settore competente; si riceverà inoltre una copia della richiesta inviata via e-mail.

Le modifiche disponibili per gli studenti sono le seguenti:
• Tempo aggiuntivo (+30% DSA)
• Tempo aggiuntivo (+50% disabilità/invalidità)
• Tempo aggiuntivo durante le prove orali per organizzare la risposta
• Calcolatrice (non sono ammesse calcolatrici programmabili e grafiche)
• Mappe concettuali
• Tabelle e/o formulari
• Sostenere l’esame in forma scritta
• Sostenere l’esame in forma orale
• Tutor lettore (solo per prove scritte)
• Tutor scrivente (solo per prove scritte)

La richiesta di adattamenti deve essere presentata almeno 7 giorni lavorativi prima della data prevista dell’esame.

Tutte le informazioni per studenti con disabilità e DSA sono disponibili alla pagina: Servizi per studenti con disabilità o DSA | University of Genoa

Referente per l’inclusione: Sergio Di Domizio - sergio.didomizio@unige.it