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Caratterizzazione spettroscopica di materiali ibridi organici-inorganici per la conversione dell'energia solare

Informazioni tesi

  Autore: Annalisa Volpe
  Tipo: Tesi di Laurea Magistrale
  Anno: 2011-12
  Università: Università degli Studi di Bari
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Fisica
  Relatore: Raffaele Tommasi
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 164

Il presente lavoro di tesi si inquadra in un contesto storico-sociale in cui il tema energia assume un ruolo sempre piu rilevante. L'aumento dei consumi, la sempre maggiore attenzione posta al tema ambientale fanno delle cosiddette energie alternative una valida controproposta alle soluzioni piu inquinanti quali carbone e petrolio.
Tra le varie fonti alternative di energia un ruolo preponderante e stato assunto dal solare fotovoltaico, che dagli anni '80 ad oggi ha conosciuto un rapido sviluppo sia in termini di ricerca che di utilizzo su larga scala. Il materiale attualmente piu utilizzato per la conversione solare e il silicio; tuttavia gli alti costi che esso comporta hanno fatto pensare a nuovi sistemi che sfruttino comunque l'effetto fotovoltaico per produrre energia.
Tra questi hanno recentemente guadagnato molta attenzione, e sono sul punto di essere commercializzate, anche le celle ibride organiche-inorganiche in cui alla matrice polimerica vengono aggiunti nanocristalli inorganici.
Le proprietà elettroniche del nanocristalli (NCs) sono strettamente dipendenti dalla loro forma e dimensione. Tale caratteristica li rende estremamente attraenti come nuovi elementi strutturali per costruire materiali innovativi e dispositivi a stato solido. Recenti sviluppi nel campo della chimica hanno permesso la sintesi di nanocristalli colloidali in un ampio range di composizioni, con un preciso controllo sulla loro forma e dimensione. Incorporando queste strutture nei polimeri, si possono ottenere materiali nanocompositi dalle dimensioni mesoscopiche di cui e possibile controllare le proprietà tramite scelta opportuna di composizione e forma del NCs e della matrice organica, tenendo conto dell'interazione tra questi e l'ambiente circostante.
Il lavoro svolto per questa tesi è stato indirizzato alla preparazione di un materiale ibrido da utilizzare per la conversione di energia solare. In particolare in questo lavoro si studierà il sistema ibrido composto da polimero coniugato PCPDTBT e da NCs di CdSe. Nel primo capitolo si parte dal capire cosa ha portato la comunità scientifica a fare ricerca nel campo delle energie alternative e in particolare del solare, per passare poi a studiare l'effetto fotovoltaico (PV) responsabile della conversione dell'energia solare in energia elettrica. Segue un excursus sulle varie generazioni di solare fotovoltaico, dai pannelli in silicio a quelli di ultima generazione basati sui composti ibridi nanocristalli inorganici (polimeri). Nel secondo capitolo si fa quindi il punto sulle proprieta chimico-fisiche dei materiali nanostrutturati e dei polimeri coniugati, nonche dei materiali nanocompositi ponendo maggiore riguardo al loro utilizzo nella tecnologia PV.
Il terzo capitolo concentra l'attenzione sulle tecniche di sintesi dei nanocristalli di CdSe che saranno presi in esame in questo lavoro di tesi. Segue quindi l'analisi delle tecniche utilizzate per l'indagine spettroscopica dei campioni. Si descrivono sia tecniche spettroscopiche stazionarie di assorbimento e fotoluminescenza, che risolte nel tempo. Largo spazio e dedicato alla descrizione della tecnica Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) per lo studio del decadimento dell'emissione e alla descrizione della tecnica pump{probe per lo studio dello spettro di assorbimento transiente (TA) dei campioni. La tecnica maggiormente indagata sarà quella dell'assorbimento transiente utile per studiare l'eventuale interazione nanocristallo-polimero.
Il quarto capitolo raccoglie i risultati sperimentali ottenuti da misure stazionarie e TCSPC prima per il polimero, poi per i NCs di CdSe, quindi per il nanocomposito. La quinta e ultima parte si dedica esclusivamente allo studio dello spettro TA dei campioni per capire a fondo le interazioni che intercorrono tra il polimero e i NCs.

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Capitolo 1 Il solare fotovoltaico: dal silicio ai materiali nanocompositi 1.1 Introduzione all’energia solare Il susseguirsi delle epoche ha visto le condizioni di vita dell’uomo cresce- re di pari passo ai consumi energetici pro capite: consumare molta energia e quindi avere a disposizione buoni ospedali, buone scuole, buon cibo, case riscaldate signica avere una vita pi u confortevole e quindi pi u lunga. Con- sumare poca energia signica privarsi di tutto questo: vivere male e quindi di meno. Il XXI secolo e iniziato con un vero e proprio periodo di crisi per quan- to riguarda il settore energetico; gi a dalla seconda met a del secolo scorso i consumi annuali di energia su scala mondiale hanno subito un aumento consi- stente, dovuto soprattutto allo sviluppo tecnologico e all’entrata in scena dei paesi in via di sviluppo. I combustibili fossili, che a partire dal diciottesimo secolo si sono rivelati le fonti primarie di energia, non possono pi u soddisfare la domanda attuale per due ragioni: possibile esaurimento delle scorte; impatto negativo sul clima del globo. 1

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Parole chiave

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