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CODICE 61933
ANNO ACCADEMICO 2023/2024
CFU
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE FIS/03
LINGUA Italiano
SEDE
  • GENOVA
PERIODO 2° Semestre
MATERIALE DIDATTICO AULAWEB

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

(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. 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 dispositii solari termici e fotovoltaici , e sarà in grado di descrvere 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 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). 

(iv) Gli obiettivi formativi del coso prevedono anche l'acquisizione di competenze sperimentali reltivamente 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 inidcate 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 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. 

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 efficenza 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 gestiere 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. 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

Commissione d'esame

FRANCESCO BUATIER DE MONGEOT (Presidente)

MATTEO BARELLI

MARIA CATERINA GIORDANO (Presidente Supplente)

CORRADO BORAGNO (Supplente)

DAVIDE COMORETTO (Supplente)

LEZIONI

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 delle lezioni

L'orario di tutti gli insegnamenti è consultabile all'indirizzo 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 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.

 

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.

Calendario appelli

Dati Ora Luogo Tipologia Note
16/02/2024 09:00 GENOVA Esame su appuntamento
03/04/2024 09:00 GENOVA Esame su appuntamento
13/09/2024 09:00 GENOVA Esame su appuntamento