Descrizione del modulo "Sintesi e caratterizzazione di molecole organiche e complessi metallorganici con specifiche proprietà ottiche (PM.P04.012.002)"

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  • Descrizione del modulo "Sintesi e caratterizzazione di molecole organiche e complessi metallorganici con specifiche proprietà ottiche (PM.P04.012.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • La Road Map tracciata dall'Unione Europea in materia di energie rinnovabili prevede che il 38% dell'energia elettrica prodotta nel 2020 sarà di tipo rinnovabile. Tra le varie fonti di energia rinnovabile il fotovoltaico avrà il più alto tasso di crescita annuale, intorno al 30% e andrà a coprire circa il 9% dell'elettricità prodotta da tutte le sorgenti di energia. Questo risultato potrà essere raggiunto solo se la ricerca avrà la possibilità di sviluppare nuove soluzioni sia per i materiali che per le tecnologie, mettendo a punto dispositivi semplici, efficienti ed economici quali sono le celle di ultima generazione. (literal)
Tematiche di ricerca
  • I dispositivi fotovoltaici di ultima generazione (DSSC ed HJSC), sono fra i più promettenti sistemi alternativi o complementari alla tecnologia basata sul silicio. Entrambi i tipi di cella sono costituiti da molecole o materiali, organici ed ibridi metallorganici, in grado di assorbire la radiazione solare (cromofori), le cui proprietà ottiche ed elettroniche possono essere governate attraverso la sintesi chimica attingendo ad un'enorme varietà di strutture molecolari. L'ottenimento di nuovi e più efficienti cromofori per celle fotovoltaiche, è ancora obiettivo di grande importanza ed in questo ambito si inserisce l'argomento di ricerca del modulo che prevede la progettazione e la sintesi di nuovi materiali: organici, ibridi e metallorganici, da utilizzare come foto sensibilizzatori in celle di ultima generazione. Nell'ambito di studio e sviluppo di molecole e materiali avanzati dotati di proprietà fotoniche, una parte della ricerca è altresì articolata verso la realizzazione di materiali fotoemissivi per OLED e semiconduttori con l'obiettivo di investigare i meccanismi di degradazione di dispositivi multistrato attraverso indagini analitico strumentali. (literal)
Competenze
  • I partecipanti al modulo possiedono un'esperienza pluriennale nel campo della progettazione, sintesi e purificazione di molecole organiche ed organometalliche anche molto sofisticate, e una provata competenza nella caratterizzazione analitica e spettroscopica di tali materiali. La sintesi di nuove molecole viene progettata anche con l'ausilio di banche dati on-line, per l'acquisizione della letteratura pertinente, e realizzata impiegando le più moderne metodologie sintetiche ed analitiche. Le competenze del gruppo vengono integrate dalla collaborazione con l'UR di Perugia esperta nel modeling predittivo, che risulta fondamentale per una scelta mirata delle molecole con le caratteristiche stereo-elettroniche più adeguate. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • I potenziali impieghi sono in generale quelli descritti nella parte introduttiva della commessa. Varie società hanno iniziato un percorso di industrializzazione della tecnologia DSSC. La possibilità di agire, attraverso la sintesi chimica, sulle proprietà del cromoforo permette di controllare alcuni parametri, come il colore, che risultano fondamentali in molte applicazioni quali ad esempio quelle nell'ambito del fotovoltaico integrato negli edifici (Building-Integrated Photovoltaics, BIPV) o dei dispositivi OLED. Nelle tecnologie OLED, invece, industrie quali Samsung sono attualmente molto interessate alla realizzazione di dispositivi stabili a lungo termine per cui puntano all'identificazione dei problemi che nascono a seguito di degradazione dei materiali dei dispositivi funzionali. (literal)
Tecnologie
  • Le tecnologie impiegate dal modulo di Milano riguarderanno essenzialmente gli aspetti sintetici del progetto e relativi alla preparazione dei nuovi cromofori organici, metallo-porfirinici o ibridi inorganici-organici. La selezione delle strutture con le proprietà più favorevoli verrà effettuata anche con l'ausilio di \"modeling predittivo\" eseguito dal modulo di Perugia. La struttura delle molecole e la loro sintesi verrà progettata nella maniera più innovativa possibile così da garantirne un'eventuale brevettazione. La valutazione dell'efficienza dei cromofori in celle prototipo, determinante per la costruzione di dispositivi più complessi quali moduli e pannelli, verrà eseguita per mezzo delle tecnologie disponibili presso i laboratori SmartMatLab ed eventualmente in altri laboratori CNR. Si utilizzeranno altresì tecniche complementari per la realizzazione di dispositivi. Le tecnologie implementate tramite SmartMatLab consentiranno anche di valutare materiali per applicazione in OLED e crescere film o architetture con energetiche atte a studiare e proporre modelli di degradazione. (literal)
Obiettivi
  • Progettazione e sintesi di nuove molecole organiche, organometalliche ed ibride da impiegare come fotosensibilizzatori in celle solari di ultima generazione con l'obiettivo di ottenere dispositivi con alta efficienza, basso costo e lunga durata. Tali cromofori sono costituiti da: 1) molecole organiche (metal-free dyes) a base triarilamminica estesamente coniugate, contenenti sistemi aromatici policiclici a base tiofenica. 2) complessi Zn-arilporfirinici variamente sostituiti. 3) Strutture ibride organiche-inorganiche 4) Valutazione dell'efficienza in cella o in dispositivi optoelettronici delle molecole sintetizzate. 5) Eventuale ottimizzazione e scale-up delle metodologie sintetiche per l'ottenimento delle molecole più efficienti al fine di estendere i test nei dispositivi su più larga scala. 6) Progettazione di dispositivi modello per la valutazione di stabilità a lungo termine e la degradazione di OLED 7) Brevettazione delle strutture più promettenti (literal)
Stato dell'arte
  • Sebbene l'efficienza dei dispositivi fotovoltaici organici possa competere con quella di celle tradizionali inorganiche, il loro uso su vasta scala risulta ancora limitato da alcuni svantaggi quali la stabilità nel tempo del cromoforo e alcuni requisiti strutturali. Nel campo delle DSSC, importanti avanzamenti sono stati introdotti dalle celle \"a Perovskiti\", che non necessitano di fotosensibilizzatore, e dall'introduzione di nuovi ossidi conduttori; tuttavia il miglioramento delle prestazioni e della stabilità del dye è ancora prioritario per questa ricerca, anche in considerazione del fatto che la presenza di piombo nelle Perovskiti ne limita l'uso su larga scala. A questo scopo sono oggetto di intenso studio molecole organiche, metallo organiche o materiali ibridi \"inorganici-organici\" che offrono la possibilità di combinare le proprietà della componente inorganica a quelle della componente organica, migliorando le prestazioni di quest'ultima all'interno dei dispositivi. Nel campo degli OLED, attualmente i meccanismi di degradazione e di roll-off sono oggetto di intensa ricerca industriale e lo studio di tali meccanismi è di grande rilevanza applicativa. (literal)
Tecniche di indagine
  • Oltre a possedere adeguate competenze scientifiche, il personale coinvolto opera in laboratori ben equipaggiati per affrontare e risolvere i problemi relativi alla sintesi, purificazione e caratterizzazione delle molecole di interesse attraverso le più avanzate metodologie della sintesi organica e della analisi chimico-fisica. Grazie anche alla collaborazione con gruppi e strutture universitarie, è disponibile una vasta gamma di strumentazioni (vedi sessione apparecchiature) molte delle quali disponibili in self service o utilizzabili grazie alla presenza di personale tecnico dedicato. Dal 2015 saranno inoltre disponibili le strumentazioni all'interno dei laboratori dello SmartMatLab Centre, un centro multifunzionale per la caratterizzazione e sperimentazione preapplicativa di smart material realizzato dal Dipartimento di Chimica dell'Università di Milano ed ISTM-CNR in partnership con alcune industrie lombarde (CISI scrl, Laboratori Alchemia, Petroceramics spa ed Industrie DeNORA). Lo SmartMatLab Centre è dotato di tutte le strumentazioni necessarie per la realizzazione di celle solari di ultima generazione e della loro completa caratterizzazione fotoelettrochimica. (literal)
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