MIUR - PRIN 2008

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MIUR- PRIN 2008: Programmi di Ricerca scientifica di rilevante Interesse Nazionale.

Progettazione e sviluppo di nuovi componenti per celle solari a semiconduttori sensibilizzati ad alta efficienza.

Recentemente si è assistito ad un crescente interesse per lo sfruttamento dell'energia solare mediante sistemi alternativi alla già consolidata tecnologia fotovoltaica basata sul silicio. Lo sviluppo di celle foto-elettrochimiche, di tipo Graetzel o DSSC, basate su semiconduttori sensibilizzati può offrire una interessante ed economica alternativa ad esso. Il presente progetto di ricerca intende portare un contributo innovativo su questo tema, tramite un approccio sinergico tra le attività sperimentali, che verranno sviluppate nelle UdR di Ferrara e Roma e nelle UdR di Milano e Milano-Bicocca e le attività teoriche della UdR di Perugia. Saranno presi in considerazione nuovi sensibilizzatori a base di composti organici, organometallici e di coordinazione e nuovi mediatori elettronici. In particolare la ricerca verrà focalizzata sullo sviluppo di: 1) porfirine e metalloporfirine, 2) complessi polipiridinici di Ru(II) e Os(II) , 3) cromofori organici, 4) nuovi mediatori elettronici a base di complessi di Cobalto (II) e Ferro (II), 5) fabbricazione di celle fotoelettrochimiche basate sui componenti realizzati ai punti 1-4) con elettroliti liquidi ed allo stato solido, contenti sensibilizzatori e mediatori elettronici con unità polimerizzabili. Nelle prime due linee di ricerca le UdR di Milano, Milano-Bicocca e Perugia saranno impegnate nel design e nella sintesi di porfirine e metalloporfirine push-pull, caratterizzate da un elevato assorbimento nel rosso e vicino infrarosso con un forte trasferimento direzionale di carica e con energia e distribuzione spaziale dei LUMOs compatibili con la banda di conduzione del semiconduttore (TiO₂). Si studieranno nuove diarilporfirine e metalloporfirine con struttura push-pull dipolare D-Π -A, recanti nelle posizioni meso spaziatori planari e rigidi Π-coniugati. Verranno inoltre sintetizzati e caratterizzati complessi polipiridinici di Ru(II) e Os(II), con leganti sostituiti con gruppi eteroaromatici -delocalizzati elettrondonatori o elettronattratori o con leganti tetrapiridinici allo scopo di estendere la sensibilità spettrale al vicino infrarosso. La terza linea di ricerca (UdR Milano-Bicocca), sarà focalizzata su nuovi fotosensibilizzatori organici multiramificati in grado di assorbire fotoni a bassa energia. La quarta linea di ricerca (UdR di Ferrara), prevede lo sviluppo di mediatori elettronici non corrosivi alternativi al ben noto sistema I3-/I- : si prevede di caratterizzare miscele costituite da due componenti, il primo contraddistinto da una piccola energia di riorganizzazione e il secondo basato su complessi di Co(II), in grado di rigenerare la forma ossidata della prima, impedendone la ricombinazione elettronica. La quinta ed ultima linea (UdR di Roma e Ferrara), riguarderà la realizzazione di celle solari basate su elettroliti liquidi ed a stato solido. L'UdR di Roma sarà coinvolta nella realizzazione ed il testing di dispositivi prototipali realizzati con i materiali sviluppati dai partners. Verranno in particolare affrontati i seguenti aspetti: a) la ottimizzazione della deposizione dei nanocompositi di TiO2; b) testing del comportamento del dye nel dispositivo finito; 3) testing dell'elettrolita; 4) strategie innovative per l'incapsulamento delle DSSC; 5) misure del comportamento delle celle in condizioni outdoor. In questo ambito la ricerca della UdR di Ferrara prevede: a) lo studio della risposta elettrochimica di materiali contro-elettrodici alternativi al platino, come polimeri conduttori (PEDOP, PEDOT ecc.) depositati o elettropolimerizzati su FTO; b) lo sviluppo di mediatori elettronici auto-assemblanti. Il lavoro sperimentale verrà sostenuto e guidato da un'approfondita indagine teorica (UdR di Perugia), realizzata mediante una procedura computazionale integrata basata sulla Teoria del Funzionale della Densità (DFT), sulla sua estensione dipendente dal tempo (TDDFT) e su simulazioni di dinamica molecolare Car-Parrinello, includendo gli effetti di solvatazione. Scopo di tali studi saranno la progettazione e la previsione dei processi di trasferimento elettronico di strutture organiche, organometalliche, di coordinazione o polimeriche che agiscono come fotosensibilizzatori o come mediatori elettronici, per indicare in maniera predittiva quali rispondono ai requisiti necessari per applicazioni in DSSCs. I fotosensibilizzatori più promettenti verranno caratterizzati con metodi elettrochimici e fotofisici dalla UdR di Ferrara attraverso misure di assorbimento ed emissione transienti nell'intervallo da nano a femto secondi. L'integrazione delle misure fotofisiche e dei modelli teorici consentirà infine di evidenziare i fattori responsabili delle efficienze osservate nei dispositivi prototipali, permettendo un'ottimizzazione iterativa dei componenti sviluppati e delle efficienze globali di conversione dell'energia solare.