Course Syllabus
Obiettivi
L’obiettivo dell’insegnamento è la descrizione della struttura, proprietà, funzioni e caratterizzazione di materiali per applicazioni solari e tecnologie rinnovabili. Il corso comprenderà anche la descrizione dei corrispondenti dispositivi.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conosce:
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i principali dispositivi solari (fotovoltaico, fotosintesi artificiale, fotoelettrochimici) sia commerciali che in fase di ricerca e sviluppo;
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i principali materiali in essi utilizzati e le loro principali caratteristiche e proprietà.
-
le principali tecnologie di produzione di energia da fonti rinnovabili (fotovoltaico, applicazioni particolari di fotovoltaico(Agrivoltaico, Floating PV, BIPV) cenni di eolico, idroelettrico e produzione di e-fuels)
Applicazione delle conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso, lo studente è in grado di:
-applicare le conoscenze acquisite per valutare in modo critico la scelta dei materiali nei diversi dispositivi per l’energia solare, considerando le loro proprietà strutturali, elettroniche e funzionali;
-selezionare materiali e tecnologie adeguati per specifiche applicazioni nel campo delle energie rinnovabili, come i sistemi fotovoltaici, fotoelettrochimici e la fotosintesi artificiale;
-interpretare e analizzare i dati di caratterizzazione dei materiali per valutare le prestazioni e l’affidabilità dei componenti utilizzati nelle tecnologie solari ;
-integrare le conoscenze sui materiali e sui dispositivi per proporre soluzioni innovative o miglioramenti nei sistemi di conversione energetica;
-applicare i principi appresi a scenari reali di produzione di energia da fonti rinnovabili, inclusi il vento, l’idroelettrico e la produzione di e-fuel.
Autonomia di giudizio
Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di
-
comprendere il principio di funzionamento di una cella solare e le relazioni tra efficienza del dispositivo e proprietà chimico fisiche dei materiali impiegati nel dispositivo stesso;
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comprendere le principali caratteristiche strutturali e altre proprietà dei materiali utilizzati nei dispositivi solari;
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analizzare delle tecnologia energetica rinnovabile trattate i vantaggi e gli svantaggi e il relativo impatto ambientale.
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analizzare criticamente la letteratura di riferimento;
Abilità comunicative
Esporre oralmente e per iscritto con proprietà di linguaggio argomenti scientifici di materiali per l’energia rinnovabile .
Capacità di apprendere
Al termine del corso, lo studente è in grado di:
-approfondire in modo autonomo le conoscenze sui materiali e dispositivi per l’energia rinnovabile attraverso la letteratura scientifica e risorse specialistiche;
-aggiornarsi costantemente sugli sviluppi della ricerca e sull’evoluzione tecnologica nel campo dell’energia solare e delle altre fonti rinnovabili;
-valutare criticamente nuove informazioni e dati nel settore, a supporto del processo decisionale e della risoluzione di problemi;
-sviluppare un approccio multidisciplinare allo studio e alla comprensione dei sistemi per l’energia rinnovabile, integrando principi di scienza dei materiali, chimica e ingegneria;
-proseguire efficacemente il proprio percorso di apprendimento sia in ambito accademico che professionale, in particolare nel settore delle tecnologie per l’energia sostenibile.
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 (e-fuels).
Descrizione di altre rilevanti tecnologie di produzione di energia da fonti rinnovabili.
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:
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Celle solari a silicio mono- e multi cristallino (processi di crescita e di realizzazione del dispositivo)
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Celle solari inorganiche a film sottile (silicio amorfo, CdTe e CIGS): metodi di deposizione e proprietà
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Celle solari ad alta efficienza: celle a multi giunzione e sistemi a concentrazione
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Celle solari di concezione avanzata
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Celle solari organiche e ibride a film sottile (dye-sensitized solar cells, celle organico-polimeriche, celle a perovskiti)
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Materiali e dispositivi per la generazione fotocatalitica e fotoelettrochimica di combustibili e prodotti chimici per via solare o elettrochimica (fotosintesi artificiale, fotolisi dell’acqua, riduzione della CO2).
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Energia eolica
Prerequisiti
Per seguire in maniera ottimale gli argomenti trattati e affrontare l’esame finale sono richieste conoscenze di base di chimica (chimica generale, inorganica, organica, fisica) e fisica dello stato solido e struttura della materia come quelle acquisite nel corso di studio di I ciclo di Scienza dei materiali. Per la seconda parte è opportuno conoscere la struttura , la nomenclatura le principali proprietà e struttura dei principali composti chimici.
Modalità didattica
Lezioni frontali in aula, integrate da strumenti multimediali di supporto funzionali ad una miglior comprensione degli argomenti trattati. In alcune lezioni saranno invitati anche esperti provenienti dal mondo industriale
23 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa
1 visita Laboratorio MIBSOLAR da 2 ore in presenza, Didattica Interattiva
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 Prof. 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
COLLOQUIO SUGLI ARGOMENTI SVOLTI A LEZIONE E SUI TESTI DI ESAME
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 delle tecnologie e dispositivi presentati a lezione.
Viene applicato il seguente grado di giudizio in relazione ai seguenti parametri:
- Conoscenza concettuale e capacità di comprensione
- Capacità di applicare conoscenza e comprensione
- Capacità comunicative e argomentative
- Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Votazione < 18
Conoscenza e Comprensione
Lo studente identifica solo parzialmente le caratteristiche dei concetti. Le connessioni tra i concetti risultano frammentarie e scarsamente supportate da conoscenze teoriche.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente individua solo alcuni elementi rilevanti in un fenomeno, senza riuscire a integrarli in un’analisi organica.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione essenziale, priva di articolazione logica e caratterizzata da numerose imprecisioni espositive.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente riesce a ricostruire solo alcuni aspetti del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale.
Votazione 18-22
Conoscenza e Comprensione
Lo studente riconosce e restituisce la maggior parte delle caratteristiche concettuali e riesce a fornirne una spiegazione relativamente coerente, sebbene con qualche imprecisione. I riferimenti teorici sono presenti ma non sempre in modo rigoroso.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente è in grado di riconoscere un numero significativo di elementi e di fornire una spiegazione parziale, pur evidenziando alcune lacune nell’analisi.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente costruisce un’argomentazione di base, dotata di una struttura minima ma con alcune imprecisioni.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente dimostra una consapevolezza di base del proprio percorso di apprendimento, riuscendo a tracciare collegamenti essenziali tra le esperienze formative, sebbene con alcune imprecisioni.
Votazione 23-27
Conoscenza e Comprensione
Lo studente dimostra una comprensione approfondita delle caratteristiche concettuali. Nella prova orale le spiegazioni risultano ben articolate e supportate da un uso adeguato dei riferimenti teorici.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente individua con precisione gli elementi essenziali di un fenomeno. L’applicazione delle conoscenze avviene con un rigore metodologico non sempre solido.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente sviluppa un’argomentazione coerente e ben organizzata, dimostrando una buona padronanza del linguaggio e una struttura logico-argomentativa solida. La comunicazione risulta chiara ed efficace.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente analizza il proprio percorso di apprendimento in modo chiaro e strutturato, mettendo in evidenza relazioni significative tra le diverse tappe evolutive e dimostrando una buona capacità di riflessione critica.
Votazione 28-30
Conoscenza e Comprensione
Lo studente evidenzia una padronanza completa dei concetti, articolando connessioni complesse e fornendo spiegazioni esaustive. I riferimenti teorici sono utilizzati con pertinenza e rigore.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente evidenzia una capacità avanzata di analisi di un fenomeno, individuando e interpretando in modo esaustivo tutti gli elementi salienti. L’applicazione delle conoscenze avviene con rigore metodologico, supportato da un’argomentazione solida e articolata.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione solida e articolata, con un impianto logico rigoroso e un elevato livello di coerenza testuale. Il discorso è fluido e ben strutturato.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente evidenzia una capacità avanzata di autoriflessione, elaborando un’analisi articolata e approfondita del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale. Le connessioni tra esperienze formative e concetti teorici risultano chiare, coerenti e rigorose.
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 and main renewable technologies. 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, and photoelectrochemical) both commercial and in the research and development stage ;
• the main materials used in them and their main characteristics and properties.
• the main energy production technologies from renewable sources (peculiar photovoltaic applications, wind and e-fuels production , hydropower )****
Applying knowledge and understanding
At the end of the course, the student is able to:
• apply the acquired knowledge to critically evaluate the choice of materials for different solar energy devices, considering their structural, electronic, and functional properties;
• select suitable materials and technologies for specific renewable energy applications, such as photovoltaics, photoelectrochemical systems, and artificial photosynthesis;
• interpret and analyze material characterization data to assess the performance and reliability of components used in solar and renewable energy technologies;
• integrate knowledge of materials and devices to propose innovative solutions or improvements for energy conversion systems;
• apply the principles learned to real-world scenarios involving renewable energy production, including wind, hydro, and e-fuel technologies.
Making judgments
At the end of this 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 physical and chemistry 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 the discussed renewable energy technology.
Communication skills
Speaking orally with language properties of scientific topics of energy materials and renewable sources.
Learning skills
At the end of the course, the student is able to:
• autonomously deepen their knowledge of materials and devices for renewable energy through scientific literature and specialized resources;
• keep up with ongoing research and technological advancements in solar energy and other renewable energy sources;
• critically assess new information and data in the field to support decision-making and problem-solving;
• develop a multidisciplinary approach to studying and understanding renewable energy systems, combining principles of materials science, chemistry, and engineering;
• effectively continue learning in both academic and professional contexts, particularly in the field of sustainable energy technologies.
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 (e-fuels).
Description of other relevant energy production technologies from renewable sources.
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:
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Mono and multi-crystalline silicon solar cells (processes of growth and realization of the device)
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Thin film inorganic solar cells (amorphous silicon, CdTe and CIGS): deposition methods and property
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High efficiency solar cells: multi-junction solar cells and concentration systems
-
Advanced design solar cells
-
Organic and hybrid thin film solar cells (dye-sensitized solar cells, organic-polymeric cells, perovskite cells)
-
Materials and devices for photocatalytic and (photo)electrochemical generation of e-fuels and chemical products (artificial photosynthesis, water photolysis, reduction of CO2).
-
Wind Energy
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 . In some classes experts coming from industrial sector will be present
23 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics
1 two-hour MIBSOLAR laboratory visits, in person, Interactive Teaching
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 Prof. 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
INTERVIEW ON THE TOPICS DEVELOPED DURING LESSONS AND ON THE EXAM TEXTBOOKS
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 technoloy and or devices presented during the lessons will also be required.
The following level of judgment is applied in relation to the following parameters:
- Conceptual knowledge and understanding ability
- Ability to apply knowledge and understanding
- Communication and argumentation skills
- Learning, self-assessment and self-regulation skills
Grade < 18
Knowledge and Understanding
The student only partially identifies the characteristics of the concepts. The connections between the concepts are fragmented and poorly supported by theoretical knowledge.
Ability to apply knowledge and understanding
The student identifies only some relevant elements in a phenomenon, without being able to integrate them into an organic analysis.
Communication and argumentation skills
In the oral exam, the student develops an essential argument, lacking logical articulation and characterized by numerous expository inaccuracies.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student is able to reconstruct only some aspects of his/her learning and professional development path.
Score 18-22
Knowledge and Understanding
The student recognizes and returns most of the conceptual characteristics and is able to provide a relatively coherent explanation, although with some inaccuracies. Theoretical references are present but not always rigorously.
Ability to apply knowledge and understanding
The student is able to recognize a significant number of elements and provide a partial explanation, although highlighting some gaps in the analysis.
Communication and argumentation skills
In the oral exam, the student constructs a basic argument, with a minimal structure but with some inaccuracies.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student demonstrates a basic awareness of his/her learning path, managing to trace essential connections between the formative experiences, although with some inaccuracies.
Score 23-27
Knowledge and Understanding
The student demonstrates an in-depth understanding of the conceptual characteristics. In the oral exam, the explanations are well-structured and supported by an adequate use of theoretical references.
Ability to apply knowledge and understanding
The student accurately identifies the essential elements of a phenomenon. The application of knowledge occurs with a methodological rigor that is not always solid.
Communication and argumentative skills
In the oral exam, the student develops a coherent and well-organised argument, demonstrating good command of the language and a solid logical-argumentative structure. Communication is clear and effective.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student analyses his/her learning path in a clear and structured way, highlighting significant relationships between the different evolutionary stages and demonstrating a good capacity for critical reflection.
Score 28-30
Knowledge and Understanding
The student demonstrates a complete mastery of the concepts, articulating complex connections and providing exhaustive explanations. Theoretical references are used
with relevance and rigor.
Ability to apply knowledge and understanding
The student demonstrates an advanced ability to analyze a phenomenon, identifying and interpreting all the salient elements in an exhaustive manner. The application of knowledge occurs with methodological rigor, supported by a solid and articulated argument.
Communication and argumentative skills
In the oral exam, the student develops a solid and articulated argument, with a rigorous logical structure and a high level of textual coherence. The speech is fluid and well-structured.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student demonstrates an advanced ability to self-reflect, developing a detailed and in-depth analysis of his/her own learning and professional development path. The connections between training experiences and theoretical concepts are clear, coherent and rigorous.
Office hours
All days from Monday to Friday upon e-mail request
Sustainable Development Goals
Staff
-
Simona Olga Binetti
-
Norberto Manfredi
