Course Syllabus
Obiettivi
L’obiettivo dell’insegnamento è la descrizione della struttura, proprietà, funzioni e caratterizzazione di materiali per applicazioni solari. Il corso comprenderà anche la descrizione dei corrispondenti dispositivi.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conosce:
- i principali dispositivi solari (fotovoltaico, fotosintesi artificiale, fotocatalisi e fotoelettrochimici) sia commerciali che in fase di ricerca e sviluppo;
- i principali materiali in essi utilizzati, sia di valenza storica sia di recente letteratura, e le loro principali caratteristiche e proprietà.
Autonomia di giudizio
Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di
- comprendere il principio di funzionamento di un dispositivo solare e le relazioni tra efficienza del dispositivo e proprietà chimiche dei materiali impiegati nel dispositivo stesso;
- comprendere le principali caratteristiche strutturali e altre proprietà dei materiali utilizzati nei dispositivi solari;
- analizzare criticamente la letteratura di riferimento;
- analizzare di ogni tecnologia solare i vantaggi e gli svantaggi e il relativo impatto ambientale.
Abilità comunicative
Esporre oralmente e per iscritto con proprietà di linguaggio argomenti scientifici di materiali per l’energia.
Capacità di apprendere
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite sulle relazioni tra proprietà dei materiali ed efficienza del dispositivo solare ad esempi differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante i materiali per applicazioni energetiche
Contenuti sintetici
Descrizione dei principi di funzionamento di una cella fotovoltaica e delle proprietà dei principali materiali assorbitori e dispostivi fotovoltaici attualmente in commercio e in fase di avanzata ricerca e sviluppo.
Descrizione dei principali processi fotocatalitici e fotoelettrochimici per la produzione di combustibili e composti chimici da energia solare.
Programma esteso
Fonti di energia e fonti rinnovabili: uno sguardo d’insieme. Effetto fotovoltaico. Dispositivi fotovoltaici: funzionamento e parametri fotovoltaici, limiti teorici della conversione fotovoltaica. Tecniche di misure e relativa metodologia di analisi di dispositivi fotovoltaici (curve I/V sotto illuminazione, risposte spettrali)
Classi di materiali e dispositivi fotovoltaici:
- Celle solari a silicio mono- e multi cristallino (processi di crescita e di realizzazione del dispositivo)
- Celle solari inorganiche a film sottile (silicio amorfo, CdTe e CIGS): metodi di deposizione e proprietà
- Celle solari ad alta efficienza: celle a multi giunzione e sistemi a concentrazione
- Celle solari di concezione avanzata
- Celle solari organiche e ibride a film sottile (dye-sensitized solar cells, celle organico-polimeriche, celle a perovskiti)
- Materiali e dispositivi per la generazione fotocatalitica e fotoelettrochimica di combustibili e prodotti chimici per via solare (fotosintesi artificiale, fotolisi dell’acqua, riduzione della CO2 e dell’azoto).
Prerequisiti
Per seguire in maniera ottimale gli argomenti trattati e affrontare l’esame finale sono richieste, come condizione necessaria, conoscenze di base di chimica (chimica generale, inorganica, organica, fisica) e fisica dello stato solido come quelle acquisite nel corso di studio di I ciclo di Scienza dei materiali. In particolare è richiesta la conoscenza dei principali concetti di chimica presentati nei corsi a carattere scientifico del I ciclo e le principali conoscenze di base (struttura, nomenclatura, principali proprietà, ecc.) relative ai composti chimici che vengono descritti nell’insegnamento.
Modalità didattica
Lezioni frontali in aula, integrate da strumenti multimediali di supporto funzionali ad una miglior comprensione degli argomenti trattati.
Materiale didattico
Per la prima parte dell'insegnamento
sono fondamentali i seguenti testi reperibili in Ebook in biblioteca
O. Isabella, K. Jäger, A. Smets , R. van Swaaij,M.Zeman "Solar Energy: The Physics and Engineering of Photovoltaic Conversion, Technologies and Systems " UIT ISBN-13: 978-1906860325 ; ISBN-10: 1906860327 (gratis in EBOOK)
Antonio Luque,Steven Hegedus “ Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, 2ⁿᵈ edition 2011 John and Wiley & Sons;
(verranno indicati i capitoli)
Comunque data la natura del corso, che ha come oggetto contenuti anche molti recenti di natura scientifica e tecnologica, non esistono testi esaustivi comprendenti tutti gli argomenti. Il materiale utile consiste anche nelle slides che il docente presenta e discute a lezione e che vengono messe il giorno stesso della lezione a disposizione degli studenti nella piattaforma e-learning dedicata all’insegnamento. Le slides contengono anche riferimenti di fonti primarie e secondarie di letteratura (reviews, articoli scientifici, libri) che lo studente può utilizzare per un approfondimento della materia. L’utilizzo di questo materiale addizionale tuttavia non è richiesto per il superamento dell’esame.
Per la seconda parte dell'insegnamento, tenuta dal Dott. Manfredi , si consiglia il testo "Tian H., Boschloo G., Hagfeldt A. (eds) Molecular Devices for Solar Energy Conversion and Storage. Green Chemistry and Sustainable Technology. Springer, Singapore, 2018. "
Si rammenta che le slides contengono sia il contenuto la cui conoscenza è ritenuta fondamentale per la conoscenza della materia e il superamento dell’esame sia contenuti di dettaglio che vengono forniti dai docenti allo scopo di meglio illustrare la materia e supportare la comprensione dei concetti esposti. La distinzione tra le due tipologie è chiaramente espressa durante le lezioni in aula. In caso di dubbi si consiglia fortemente di rivolgersi ai docenti per conoscere le parti obbligatorie per lo studio nell’ambito del materiale reso disponibile nella pagina e-learning dell’insegnamento.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
II anno primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L’esame consiste in una prova orale su tutti gli argomenti trattati a lezione e riportati nel materiale (diapositive delle lezioni e testi di riferimento) forniti agli studenti tramite la piattaforma Moodle.
Durante l’esame il docente può chiedere allo studente di scrivere su un foglio o alla lavagna le risposte, soprattutto laddove questo venga ritenuto necessario (strutture dei materiali, meccanismi e processi, configurazione dei dispositivi, ecc.).
Data la natura del corso di laurea l’esame verterà soprattutto sui materiali (struttura, proprietà, funzioni e caratterizzazione) ma saranno richieste anche conoscenze sulla struttura generale e caratterizzazione dei dispositivi presentati a lezione.
In caso di appelli ravvicinati e nel caso in cui l’esito dell’esame fosse di forte insufficienza, anche in presenza di numerose lacune nelle conoscenze di base richieste per il superamento dell'esame, il docente può chiedere allo studente di non iscriversi all’appello successivo al fine di consentire il raggiungimento di una preparazione adeguata.
Orario di ricevimento
Tutti i giorni su prenotazione tramite e-mail
Sustainable Development Goals
Aims
The aim of the course is the description of the structure, properties, functions and characterization of materials for solar applications. The course will also include the description of the corresponding devices.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student knows:
-
the main solar devices (photovoltaic, artificial photosynthesis, photocatalysis and photoelectrochemical) both commercial and in the research and development stage ;
-
the main materials used in them, both of historical value and of recent literature, and their main characteristics and properties.
Autonomy of judgment
At the end of this formative activity, the student will have to demonstrate to be able to
-
understand the operating principle of a solar device and the relationships between the efficiency of the device and the chemical properties of the materials used in the device itself;
-
understand the main structural characteristics and other properties of the materials used in solar devices;
-
critically analyze the reference literature;
-
to analyze the advantages and disadvantages and the relative environmental impact of each solar technology.
Communication skills
Speaking orally and in writing with language properties of scientific topics of energy materials.
Ability to learn
To be able to apply the acquired knowledge on the relationships between material properties and solar device efficiency to examples other than those presented during the course, and to understand the topics covered in the scientific literature concerning materials for energy applications
Contents
Description of the operating principles of a photovoltaic cell and the properties of the main photovoltaic absorbers and photovoltaic devices currently on the market and in an advanced research and development phase.
Description of the main photocatalytic and photoelectrochemical processes for the production of fuels and chemical compounds from solar energy.
Detailed program
Sources of energy and renewable sources: an overview. Photovoltaic effect Photovoltaic devices: operation and photovoltaic parameters, theoretical limits of photovoltaic conversion. Measurement techniques and related methodology of analysis of photovoltaic devices (I / V curves under illumination; spectral responses)
Classes of photovoltaic materials and devices:
-
Mono and multi-crystalline silicon solar cells (processes of growth and realization of the device)
-
Thin film inorganic solar cells (amorphous silicon, CdTe and CIGS): deposition methods and property
-
High efficiency solar cells: multi-junction solar cells and concentration systems
-
Advanced design solar cells
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Organic and hybrid thin film solar cells (dye-sensitized solar cells, organic-polymeric cells, perovskite cells)
-
Materials and devices for photocatalytic and photoelectrochemical generation of fuels and chemical products via the sun (artificial photosynthesis, water photolysis, reduction of CO2 and nitrogen).
Prerequisites
To optimally follow the course and pass the final exam, basic knowledge of chemistry (general chemistry, inorganic, organic, physical) and solid state physics such as those acquired in the I° study course of materials science are required . In particular, for the 2° part of the class the knowledge of the main chemistry concepts presented in the scientific courses of the first cycle and basic knowledge (structure, nomenclature, main properties, etc.) of the main chemical compounds are required.
Teaching form
Lectures in the classroom
Standard lessons supplemented by supporting multimedia tools functional to a better understanding of the practical aspects
Textbook and teaching resource
The main texts are for the Prof. Binetti part are
-O. Isabella, K. Jäger, A. Smets , R. van Swaaij,M.Zeman "Solar Energy: The Physics and Engineering of Photovoltaic Conversion, Technologies and Systems " UIT ISBN-13: 978-1906860325 ; ISBN-10: 1906860327 (free of charge in EBOOK
-Antonio Luque, Steven Hegedus "Handbook of Photovoltaic Science and Engineering", 2nd edition 2011 John and Wiley & Sons;
Given the nature of the course, which has scientific and technological content very recent there are no exhaustive texts including all the topics.
The students should refer to the slides that the teachers discuss during lectures and which are made available to students in the e-learning platform. The slides also contain references to primary and secondary literature sources (reviews, scientific articles, books) that the student can use to deepen the subject. However, the use of this additional material is not required for passing the exam.
For the second part, held by dr. Manfredi, the suggested textbook is "Tian H., Boschloo G., Hagfeldt A. (eds) Molecular Devices for Solar Energy Conversion and Storage. Green Chemistry and Sustainable Technology. Springer, Singapore, 2018. " and the relevant literature provided on the e-learning page of the course. It is recalled that the slides contain both the content whose knowledge is considered fundamental for the knowledge of the subject and the passing of the exam and detailed contents that are provided by the teachers in order to better illustrate the subject and support the understanding of the concepts presented. The distinction between the two types is clearly expressed during classroom lessons. In case of doubt it is strongly advised to contact the teachers to know the mandatory parts for the study within the material made available on the e-learning page of the course.
Semester
Second year, first (fall) semester
Assessment method
The exam consists of an oral test on all the topics covered in class and reported in the material (slides of the lessons and reference texts) provided to students through the Moodle platform.
During the exam, the teacher can ask the student to write the answers on a piece of paper or on the blackboard, especially if this is necessary (material structures, mechanisms and processes, device configuration, etc.).
Given the nature of the degree course, the exam will focus on materials (structure, properties, functions and characterization) but knowledge on the general structure and characterization of the devices presented during the lessons will also be required.
In the case of close sessions in the event that the outcome of the exam is highly inadequate, or in the presence of numerous gaps in the basic knowledge required for passing the exam, the teacher can ask the student not to enroll in the subsequent appeal in order to achieve an adequate preparation .
Office hours
All days from Monday to Friday upon e-mail request
Sustainable Development Goals
Staff
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Simona Olga Binetti
-
Norberto Manfredi
