[IMEM] Istituto dei materiali per l'elettronica ed il magnetismo

RIFERIMENTI

Massimo Mazzer (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

Sito web dell’Istituto: www.imem.cnr.it

PRINCIPALI ATTIVITA’ NEL SETTORE ENERGIA

A partire dal 2010 il CNR-IMEM a Parma, in collaborazione con 5 imprese dei settori edilizio, meccanico, manifatturiero ed energetico ha sviluppato una nuova tecnologia a basso costo per la deposizione e l'integrazione di celle e moduli fotovoltaici a film sottile su 4 tipologie diverse di materiali comunemente utilizzati per la realizzazione di componenti architettoniche. L'attività è stata avviata grazie ad un finanziamento nell'ambito del programma “Industria 2015” del Ministero dello sviluppo Economico.

Il cuore della tecnologia (brevettata) è una tecnica di deposizione denominata “Pulsed Electron Deposition” (PED) che permette di ottenere film sottili di qualità fotovoltaica a temperature molto basse rispetto alle tecniche alternative (250° invece che 500-600°C) e senza trattamenti termici o chimici successivi alla deposizione. Questa tecnologia, che in laboratorio con il CuInGaSe2 (CIGS) ha raggiunto efficienze di conversione fotovoltaica prossime al 20%, è in fase di scale-up industriale e ha raggiunto un TRL compreso fra 4 e 5.

Il CNR-IMEM, insieme ai suoi partner, è convolto non solo nello sviluppo del processo di produzione delle celle solari ma anche nella progettazione e nel test dei macchinari e soprattutto delle componenti innovative utilizzate per la deposizione dei film fotovoltaici mediante la nuova tecnologia.

Parallelamente all'attività su materiali fotovoltaici inorganici come il CIGS e le Kesteriti l'istituto sta investendo nello studio e nella sintesi di materiali ibridi innovativi come le perovskiti organo metalliche di alogeni sia a base di Pb che di metalli che consentano di ridurre l’impatto ambientale legato all’uso di piombo.  Molti laboratori in Europa e nel resto del mondo hanno recentemente dimostrato come questi materiali possano raggiungere efficienze fotovoltaiche confrontabili con quelle di CIGS e CdTe ma in presenza di problemi di stabilità e durata.

L'obiettivo dell'attività del CNR-IMEM sulle persovskiti è l'utilizzazione di questi materiali in combinazione con le tecnologie più mature sviluppate dall'istituto. Fra le soluzioni in fase di sperimentazione vi è anche la realizzazione e l'impiego di fotoanodi nanostrutturati innovativi. 

A complemento dell'attività di ricerca e sviluppo sulle celle fotovoltaiche a film sottile il CNR-IMEM è impegnata sul fronte delle applicazioni in collaborazione con partner industriali nel settore del risparmio energetico e della micro-cogenerazione.

Il primo esempio è la combinazione di moduli fotovoltaici, sviluppati per essere facilmente installati in strutture architettoniche, con componenti e sistemi elettronici innovativi in grado di consentire e gestire l'integrazione “plug&play” di micro-sistemi fotovoltaici in edifici residenziali o commerciali senza  ricorrere ad una connessione bidirezionale alla rete elettrica (come nel caso del vecchio “conto-energia”).

Il secondo esempio è la sperimentazione di sistemi termo-fotovoltaici per la micro-cogenerazione di energia elettrica e calore da un’unica sorgente termica. Una possibile applicazione in fase di studio è l'implementazione di una funzione termo-fotovoltaica in generatori a ciclo Rankine in collaborazione con l'Università di Bologna.

Nella pipeline della ricerca di base sui materiali innovativi per possibile impiego energetico il CNR-IMEM sta lavorando da tempo su numerosi fronti distribuiti su vari livelli di maturità tecnologica, dalla ricerca esplorativa al “proof of concept”.

Fra questi si segnalano lo sviluppo di:

  • Nuovi materiali ad alte prestazioni e di tecnologie abilitanti alla refrigerazione magnetica, nuova tecnologia eco-compatibile (eliminazione dei gas serra) e ad alta efficienza energetica alle convenzionali tecnologie del freddo (TRL 3);
  • Sensori magnetici di corrente per l’auto elettrica ad alta efficienza energetica (TRL 3);
  • Materiali magnetici multifunzionali per il recupero di energia termica e vibrazionale dispersa (TRL 2);
  • Materiali per magneti permanenti ad alta efficienza energetica e privi di elementi critici per la realizzazione di generatori eolici e di motori per l’auto ibrida e elettrica (TRL 2);
  • Film sottili nanostrutturati con proprietà termoelettriche ad alta cifra di merito. Questo filone di ricerca è uno spin-off dell'importante attività di ricerca del CNR-IMEM sui dispositivi opto-elettronici a bassa dimensionalità (dai quantum well ai quantum dot) realizzati mediante epitassia a fascio molecolare (TRL 2);
  • Materiali ibridi, ossidi di metalli di transizione, Titanio e Zinco e coloronati organici, porfirine e ftalocianine prevalentemente per la realizzazione di dispositivi ed architetture fotovoltaiche ibridizzate alla nanoscala (TRL2).

INFRASTRUTTURE E STRUMENTAZIONE

Il CNR-IMEM dispone di una filiera completa che va dalla sintesi dei materiali, alla deposizione dei film sottili, alla realizzazione dei dispositivi prototipali e alla loro caratterizzazione. Questa filiera, che comprende competenze, laboratori e apparecchiature progettate e sviluppate “in casa”, copre non solo il settore dell'energia (celle solari) ma anche quello della sensoristica ambientale (sensori di gas e di radiazione). Fra le apparecchiature si segnalano:

  • Macchine per la deposizione di film sottili mediante PED dalla scala di 1 pollice quadro fino a 20x20cm;
  • Impianti per la deposizione CVD e MBE di strutture epitassiali e nanostrutture per dispositivi prototipali;
  • Microscopi elettronici ad altissima risoluzione dotati di strumentazione per la mappatura chimica dei materiali su scala atomica;
  • Apparecchiatura a fasci ionici focalizzati utilizzabile per la preparazione di provini per la microscopia e per la realizzazione di dispositivi di test di dimensione nanometrica.

TEMATICHE/SETTORI DI INTERVENTO

TEMATICHE CNR-IMEM in ordine di person-effort dedicato:

  1. Produzione di energia da fonti rinnovabili
  2. Ricerca energetica di frontiera
  3. Efficienza energetica