Insegnamento MATERIALS FOR RENEWABLE ENERGY SOURCES

Nome del corso Scienze chimiche
Codice insegnamento GP004032
Curriculum Energy and sustainability
Docente responsabile Daniela Lanari
Docenti
  • Daniela Lanari
Ore
  • 42 ore - Daniela Lanari
CFU 6
Regolamento Coorte 2021
Erogato Erogato nel 2021/22
Erogato altro regolamento
Attività Caratterizzante
Ambito Discipline chimiche organiche
Settore CHIM/06
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Tipo attività Attività formativa monodisciplinare
Lingua insegnamento INGLESE
Contenuti L’esame di Materials for Renewable Energy Sources introduce lo studente alla tecnologia del fotovoltaico organico. In modo particolare illustra quali sono i materiali organici adatti per il funzionamento di una cella fotovoltaica e ne spiega le metodologie più adatte per la loro sintesi.
Testi di riferimento Slides commentate durante le lezioni
Obiettivi formativi L’obiettivo di questo corso è quello di fornire allo studente
- un panorama aggiornato sull’utilizzo del fotovoltaico organico inserito nel contesto delle fonti di energia rinnovabile attualmente a disposizione
- nozioni sui costituenti base di una cella fotovoltaica organica con particolare attenzione alle componenti organiche presenti nell “active layer”
- esemplificazione di problematiche sintetiche nella preparazione di polimeri e molecole organiche utilizzabili nel fotovoltaico organico
- ruolo del chimico organico nell’ambito del fotovoltaico organico
Prerequisiti Al fine di seguire il corso con profitto è utile che lo studente possieda nozioni base di fisica quali conduzione elettrica e caratteristiche di materiali semiconduttori, inoltre è importante che abbia chiari concetti di chimica organica e che sappia quindi riconoscere i vari gruppi funzionali ed applicare alla sintesi dei semiconduttori organici le reazioni caratteristiche studiate.
Metodi didattici Tutte le lezioni svolte saranno di tipo frontale. Il docente illustrerà gli argomenti del corso con l'ausilio di presentazioni powerpoint, gli studenti saranno invitati ad intervenire attivamente durante la lezione commentando le problematiche affrontate, inoltre nella lezioni finali verrà loro chiesto di leggere un articolo di letteratura inerente al corso e di esporlo ai colleghi.Le sides del docente verranno pubblicate su UNistudium e/o piattaforma Teams.
La frequentazione delle lezioni non è obbligatoria ma comunque consigliata
Altre informazioni Risultati di Apprendimento

Al conseguimento della prova di esame lo studente avrà acquisito le seguenti conoscenze di base:

- panoramica dello stato dell'arte della tecnologia fotovoltaica in tutte le sue applicazioni
- funzionamento di una cella fotovoltaica inorganica e organica, in particolar modo saprà indicare i materiali che compongono l’active layer
- caratteristiche di polimeri e molecole organiche usate come donatori e accettori di elettroni in devices elettronici, strategie per modificare le proprietà elettroniche e la processabilità di tali materiali
- metodologie sintetiche per la l’assemblaggio di polimeri in particolar modo le tecniche di cross coupling, quella di eteroarilazione diretta e metodi che impiegano reazioni con catalizzatori supporti e in flusso.

Lo studente che avrà sostenuto in maniera positiva l’esame sarà in grado di esprimere le conoscenze acquisite tramite le seguenti abilità:

- Inquadrare in maniera critica la tecnologia fotovoltaica nel panorama delle energie rinnovabili indicandone i vantaggi e i punti di debolezza
- Distinguere il fotovoltaico inorganico da quello di tipo organico, a partire dal processo fisico di base fino ad arrivare ai materiali e moduli impiegati sul mercato
- Saper modulare le caratteristiche di un donatore di elettroni per devices elettronici attraverso strategie di tipo sintetico, inoltre saper ogni volta considerare l’importanza della processabilità del polimero accanto alle sue proprietà elettroniche.
- Individuare la metodologia sintetica più adatta per la sintesi di vari classi di polimeri impiegati nel fotovoltaico organico
- saper criticamente elencare i vantaggi e svantaggi di ogni metodologia sintetica anche in rapporto alla sostenibilità del processo sintetico.
- acquisire l'abilità di inquadrare il ruolo del chimico organico nel proporre sintesi e metodologie efficienti e sostenibili di molecole e polimeri da inserire in un device elettronico
Modalità di verifica dell'apprendimento L'esame prevede una sola prova di tipo orale. Allo studente verrà richiesto di esporre diversi argomenti illustrati durante il corso, per quelli di tipo discorsivo sarà sufficiente una chiara e puntuale esposizione, per quelli invece riguardanti ad esempio una particolare metodologia sintetica verrà richiesto di saper scrivere il meccanismo coinvolto. Lo studente inoltre dovrà saper esporre in maniera critica il ruolo e le problematiche affrontate da un chimico organico nella progettazione, sintesi e messa sul mercato di molecole e polimeri utili per il fotovoltaico organico. La durata dell'esame sarà di circa 30-40 minuti. Il voto finale della prova di esame terrà conto delle conoscenze acquisite dallo studente durante lo studio, il loro grado di approfondimento e la capacità critica di saper riconoscere vantaggi e svantaggi del fotovoltaico organico ed infine il giusto inquadramento del chimico organico nella tecnologia fotovoltaica.

Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Programma esteso Il Corso prevede lezioni di tipo frontale in cui il docente si confronterà spesso con gli studenti per verificare se i concetti esposti sono chiari e per stimolare un approccio critico dello studente alla materia di esame.
• Introduzione al Corso: Materiali per l’energia e importanza delle metodologie usate per la loro preparazione; l'Energia: analisi della produzione, del consumo e della conservazione; cenni sulle fonti di energia rinnovabile e non rinnovabile.
• L'Energia Solare: Generalità; l'effetto fotovoltaico, le tre generazioni fotovoltaiche.
• Cenni sulle celle fotovoltaiche inorganiche: Celle al silicio mono e poli-cristallino; celle a film sottile: silicio amorfo, CIGS, CIS, CdTe.
• Celle fotovoltaiche organiche: principi e limiti di funzionamento; celle ad eterogiunzione piana, ad eterogiunzione dispersa(BHJ), celle ibride.
• Materiali organici coniugati molecolari e polimerici per la conversione fotovoltaica.
• Strategie per la sintesi: Reazioni di policondensazione; Metodo del precursore solubile; processi di homocoupling ossidativo; reazioni di cross-coupling.
• Strategie sintetiche per modulare i valori di band-gap.
• Cross-coupling: generalità, meccanismi, ciclo catalitico, catalizzatori impiegati.
• Coupling di Suzuki, Heck, Sonogashira, Stille, Negishi: applicazioni alla sintesi di semiconduttori organici.
• Esempi di polimeri organici semiconduttori: metodi di preparazione ed applicazioni:
Poliparafenilenivinileni (PPV)Politiofeni (PT)
Policarbazoli (PC)
Polifluoreni (PF)
• Piccole molecole organiche impiegate nel fotovoltaico organico (smBHJ): confronto con i semiconduttori polimerici, sintesi ed applicazioni.
• Eteroarilazione diretta come approccio sintetico alternativo alle reazioni di cross-coupling: applicazioni e limiti.
• Sostenibilità dei processi chimici: principi generali ed applicazioni alla sintesi di semiconduttori organici
Reazioni di cross-coupling in flusso (reazioni in reattori e micro reattori).
o Sistemi catalitici eterogenei e recuperabili Palladio supportati
o Catalizzatori a base di metalli non preziosi
Cenni sugli sviluppi futuri di materiale fotovoltaico auto-assemblante