Materiali per schermatura e fotovoltaici

SHIELDING ELETTROMAGNETICO
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Schermatura onde elettromagnetiche
Problema nato da utilizzo alloggiamenti plastici
(stampaggio iniezione)
Assumendo il materiale isotropo, shielding effectiveness (SE):
(SE)mag = 20 log (H/Ho) opp. (SE)el = 20 log (E/Eo)
Nel caso generale, global shielding effectiveness (GSE):
(GSE)mag = 20 log ∫V all H dv/∫V all Ho dv
(GSE)el = 20 log ∫V all E dv/∫V all Eo dv
SE dipende dalla frequenza dell'onda elettromagnetica da
schermare
SCHERMATURA E FREQUENZA
(es.: strato schermante di rame 1 mm)
MATERIALI SCHERMANTI
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Normali conduttori
Materiali magnetici diversi
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−
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Ferrimagnetici
Ferroelettrici
Verniciature e trattamenti superficiali
Materiali strutturali (resi schermanti)
Compositi
Nanomateriali
Metamateriali
Polimeri conduttori
Superconduttori di tipo II (HTSC)
MATERIALI FERRIMAGNETICI
Sono materiali ferrimagnetici le ferriti, ossidi ceramici di
formula MFe2O4, dove M è un metallo bivalente (Mg,
Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd per avere magneti dolci o
Ba e Sr per avere magneti duri).
FERRITI E SHIELDING
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Alta permeabilità magnetica (fino a 5000 µN/A2 per un
campo magnetico <0.1T)
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Alta resistività (fino a 10-6 Ω*m a 20°C)
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Massima permittività dielettrica pari a circa 15.
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Proprietà isolanti anche a frequenze dell’ordine del
Mhz: impiego nei radar, telefonia mobile ed apparati a
microonde.
Schermatura: assorbimento di un campo
elettromagnetico incidente (alte perdite), utile per
ridurre il campo elettrico riflesso all'interno di
strutture cave.
MATERIALI FERROELETTRICI
Sono materiali in cui Il momento di dipolo
elettrico permanente può essere
riorientato dall'applicazione di un campo
elettrico.
In particolare, hanno una polarizzazione
rimanente Pr, che è il valore mantenuto
quando V = 0. Per ridurre la
polarizzazione a zero occorre applicare
un campo opposto.
Struttura titanato di bario (BaTiO3)
Molti perdono le loro proprietà alla
temperatura di Curie Tc.
SoSono caratterizzati da un tensore permittività complesso, essendo
materiali molto lontani dall'isotropia (a volte ortotropi), e da perdite di
carico molto variabili con la temperatura .
PROPRIETA' FERROELETTRICI
Materiale
Di-idrogeno fosfato di ammonio (ADP)
(NH4H2PO4)
Tc(K)
148
Ps (10-2Cm-2 )
0 (anti f.e.)
Cobalto fluoruro di bario (BaCoF4)
-
Titanato di bario (BaTiO 3)
183,278,393 ~20
Boracite (Mg3B7O13Cl)
538
0.05
Guanidinio solfato di alluminio esaidrato (GASH)
(C(NH2)3Al(SO4)2.6H20)
-
3.5
Titanato di piombo (PbTiO3)
763
~75
Zirconato di piombo (PbZrO3)
503
0 (anti f.e.)
Niobato di litio (LiNbO3)
1473
8
71
Tantalato di litio (LiTaO 3)
938
50
Di-idrogeno fosfato di potassio (KDP) (KH2PO4)
123
5
Sale di Rochelle (NaKC 4H406 .4H20)
Niobato di sodio (NaNbO3)
255,297
73,627
0.25
0 (anti f.e.)
Molibdato di terbio (TMO) (Tb2(MoO4)3)
436
0.2
Solfato di triglicina (TGS)
((NH2CH2COOH)3.H2SO4)
322
2.8
Alcuni ferroelettrici hanno varie Tcurie, perché cambiano struttura cristallina, ed hanno una transizione
da ferroelettrici a paramagnetici per ogni struttura
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Dove la temperatura di Curie non è indicata, i materiali fondono o si decompongono prima
● P è la polarizzazione spontanea a 20°C a meno che Tcurie non sia troppo vicina a 20°C, in quel caso
s
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viene data 15°C al di sotto di essa (numeri in grassetto)
METODI RIVESTIMENTO
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Film sottili (spessore 1-100 micron)
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Messa a terra più facile
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Buona schermatura soltanto sopra alcune decine di MHz
Tecnica di rivestimento
Resistività superficiale ρ Spessore (micron)
[ohm/]
Placcatura chimica col nichel 0.01--0.03
(ENP)
Verniciatura conduttiva
0.02--0.05
Metallizzazione a vuoto
0.05--0.1
Deposizione elettrolitica
0.007--0.02
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1--100
10--75
5--10
10--25
Nichelatura chimica (ENP) su un substrato
per contatto con conduttori d'oro
Placcatura chimica: rame (interno) e nichel (esterno) .
Verniciature conduttive: resine epossidiche, acriliche o uretaniche,
diluite in solvente od in acqua, e particelle di argento, rame o miste.
Metallizzazione a vuoto: alluminio o rame, quest'ultimo rivestito con
uno strato di cromo, di nichel o di stagno.
Placcatura elettrica: rame
VETRI CONDUTTIVI
Strati otticamente trasparenti ricoperti da un film sottile di metallo o
semiconduttore, per preservare la trasparenza dell'alloggiamento (es.
parabrezza schermati per aeromobili).
Film sottili possono essere realizzati per mezzo di vari metalli o
semiconduttori, es. oro, leghe d'argento, ossido d'indio drogato con
stagno (ITO) o zinco, od ossido di cerio.
Spessori tipici tra 10 e 100 nm, resistività superficiale tra 0.5 ohm/ e
10 ohm/, percentuale di luce trasmessa anche vicina al 90%.
COMPOSITI
Predire le proprietà schermanti in base a quelle (fibra + matrice, p.es.)
dei materiali costituenti.
Regola delle miscele: (SE)composito=(SE)matrice*vmatrice +(SE)fibra*vfibra
La regola delle miscele vale per un rinforzo isotropo (sferico) immerso in
una matrice isotropa con contatto perfetto ed uniforme e sotto condizioni
elettrostatiche o magnetostatiche (oppure quasi statiche).
Per avere sufficienti proprietà di schermatura elettromagnetica, il rinforzo
deve essere costituito da materiali conduttivi (p.es., fibre di carbonio
conduttive, grafite cristallina).
La classe di materiali che forma i composti più stabili con le fibre di
grafite sono gli alogeni, bromo (Br2), cloruro di iodio (ICl) e cloruro di
bromo (BrCl).
Le fibre di grafite sono di solito immerse in matrici isocianato, epossidica,
cianato e le poli-immidi.
METAMATERIALI
I metamateriali hanno valori negativi sia della
permittività elettrica che della permeabilità
magnetica in prossimità della risonanza.
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Questo vuol dire che c'è un'importante variazione
delle proprietà con la frequenza e quindi possono
offrire proprietà schermanti in intervalli specifici
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MATERIALI AUXETICI
I materiali auxetici hanno un rapporto di Poisson negativo, quindi
si espandono ed irrigidiscono quando sono tirati. Sono materiali
cellulari (di solito poliuretani) con celle a forma di farfalla.
Recentemente sono stati resi anche conduttivi, dando effetto
schermante a frequenze radar.
Materiali cellulari convenzionali (sx.) e auxetici (dx.)
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NANOTUBI DI CARBONIO
I nanotubi di carbonio possono avere teoricamente comportamento di
conduttore e semiconduttore a seconda dei valori dei numeri chirali m ed
n; se 2n + m=3q (q intero) il nanotubo è metallico.
Problema: controllo dimensionale
CONDUTTIVITA' POLIMERI
La conducibilità dipende dal drogaggio e dalla geometria del
polimero: la formazione in film sottili e fibre si è rivelata
particolarmente efficace per questo tipo di applicazioni.
EFFETTO FOTOVOLTAICO
Un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale
(generalmente semiconduttore) passa alla banda di conduzione a
causa dell'assorbimento di un fotone sufficientemente energetico
incidente sul materiale. La probabilità che questo avvenga
aumenta con la temperatura.
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In particolare, quando una radiazione elettromagnetica investe un
materiale può cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi
del materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di
allontanarsi dall'atomo di origine. L'assenza dell'elettrone viene
chiamata in questo caso lacuna.
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L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi
dall'atomo deve essere superiore alla band gap del materiale, p.es.
E = 1.1eV per il silicio, E = 0.66eV per il germanio.
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GIUNZIONE P-N
EROEI
Energy Return On Energy Investment
Rapporto fra l’energia che un impianto produrrà durante la sua vita
attiva e l'energia che è necessaria per costruire, mantenere, e poi
smantellare l'impianto
Tecnologia
EROEI
Idroelettrico
30-270
Petrolio (attuale)
5-15
Eolico
5-80
Fotovoltaico (film sottile)
25-80
Fotovoltaico (convenzionale)
3-9
Carbone
2-17
Gas naturale
5-6
Nucleare
5-100
Biomassa
0.6-1.2
TECNOLOGIE FOTOVOLTAICHE:
MODULI CRISTALLINI
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Silicio monocristallino, in cui ogni cella è
realizzata a partire da un wafer con struttura
cristallina omogenea, opportunamente drogato in
modo da realizzare una ·giunzione p-n
Silicio policristallino, in cui il wafer non è
strutturalmente omogeneo ma organizzato in
grani localmente ordinati
TECNOLOGIE FOTOVOLTAICHE:
MODULI A FILM SOTTILE
Silicio amorfo, tecnologia che impiega quantità molto esigue di silicio
(spessori dell'ordine del micron). I moduli in silicio amorfo hanno
efficienza meno costante delle altre tecnologie rispetto ai valori nominali,
ma valori dell'EROEI anche di 9, quindi maggior economicità.
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Solfuro di cadmio microcristallino (CdS), costi di produzione molto
bassi in quanto la tecnologia impiegata per la sua produzione non
richiede il raggiungimento delle temperature elevatissime necessarie
invece alla fusione e purificazione del silicio. Esso viene applicato ad un
supporto metallico per spray-coating. Tra gli svantaggi vi è la tossicità
del cadmio ed il basso rendimento del dispositivo.
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Arseniuro di gallio (GaAs), in grado di assicurare elevatissimi
rendimenti, tuttavia il costo del materiale monocristallino a partire dal
quale sono realizzate le celle lo ha destinato ad un impiego di nicchia
impiegata (applicazioni militari o scientifiche avanzate)
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VARIANTI TECNOLOGICHE
Eterogiunzione, in cui viene impiegato uno strato
di silicio cristallino come superficie di sostegno di
uno o più strati amorfi o cristallini, ognuno dei
quali ottimizzato per una specifica sotto-banda di
radiazioni;
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Silicio microsferico, in cui si impiega silicio
policristallino ridotto in sfere del diametro di circa
0,75 mm ingabbiate in un substrato di alluminio;
●
CELLA FOTOVOLTAICA
A Capsula di vetro o plastica trasparente
B Griglia di contatto di materiale conduttore, spesso stampata con un
adesivo d'argento
C Strato anti-riflessione: tipicamente costituito dal basso verso l'alto da
tre sottostrati: un materiale a medio indice di rifrazione (es. allumina),
un materiale ad alto indice di rifrazione (es. ossido di tantalio) ed un
materiale a basso indice di rifrazione (es. fluoruro di magnesio).
D Regione di tipo N: silicio drogato con fosforo o arsenico.
E Regione di tipo P: silicio drogato con boro o alluminio.
Superficie di contatto, metallica, copre l'intera superficie posteriore ed
agisce come conduttore.
PRESTAZIONI E RENDIMENTI
Dipendono da:
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Rendimento dei materiali;
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Tolleranza di fabbricazione percentuale rispetto ai valori di targa;
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Irraggiamento a cui le sue celle sono esposte;
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Angolazione con cui l'irradiazione giunge rispetto alla superficie;
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Temperatura di esercizio dei materiali;
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Composizione dello spettro di luce.
Efficienza di conversione per celle commerciali al silicio cristallino e'
in genere compresa tra il 10% e il 15%, mentre quelle in silicio
amorfo non superano un'efficienza del 6%.
Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere
inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella.
INNOVAZIONI
Drogare altre specie chimiche (non necessariamente silicio)
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Controllo nanostrutturale sviluppo della giunzione p-n
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Uso dei vetri conduttivi (ITO-coated glass)
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Regolazione di alcuni polimeri su una banda ridotta nell'infrarosso
rendendoli conduttivi (es. con cristalli di solfuro di piombo)
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Cristalli di ftalocianina di rame
su vetro conduttivo
(Yang-Shtein-Forrest, 2005)