[IOM] Istituto officina dei materiali

RIFERIMENTI

Massimo Tormen, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Stefano Fabris Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Alessandro Mattoni, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Alberto Morgante, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.">

 

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

PRINCIPALI ATTIVITA’ NEL SETTORE ENERGIA

L’istituto IOM-CNR svolge attività di ricerca sperimentale e teorica nell’ambito delle tecnologie e dei sistemi fotovoltaici e termoelettrici, dei materiali avanzati per applicazioni nel settore dell’energia, dei processi catalitici ed elettro-catalitici per la conversione di energia solare in energia chimica attraverso la fotosintesi artificiale, per l'utilizzo di energia in celle a combustibile, e per la produzione sostenibile di vettori energetici via reforming di idrocarburi. Le ricerche svolte vanno da quelle di carattere più fondamentale volte a comprendere i processi fisici fondamentali coinvolti nei sistemi di interesse per le applicazione in ambito energetico a quelle più applicative in grado di fornire una base scientifica allo sviluppo di nuovi materiali con più alte efficienze di produzione energetica, con migliore stabilità termodinamica, minori costi di sintesi, e sostituzione degli eventuali elementi tossici con analoghi ecocompatibili fino all’individuazione di accorgimenti tecnici da utilizzarsi alla realizzazione di dispositivi prototipo e alla caratterizzazione della loro efficienza. Gruppi dello IOM studiano le proprietà di materiali innovativi da utilizzare nello sviluppo di sistemi per energy harvesting o storage più efficienti.  Dal punto di vista fondamentale si cerca di chiarire le proprietà e i processi fisici del materiale associati alla trasformazione dell’energia solare, chimica o termica in energia elettrica.

Si studiano sperimentalmente i processi fondamentali che avvengono in sistemi ibridi organici-inorganici tra cui i trasferimenti di carica alle varie interfacce presenti nei dispositivi. Questi processi sono spesso quelli determinanti l’efficienza dei dispositivi innovativi per il fotovoltaico. Tra i nuovi materiali oggetto della ricerca sperimentale e teorica figurano materiali ibridi organici-inorganici, della classe delle perovskiti costituite da elementi quali il piombo (Pb) lo iodio (I) e piccole molecole organiche (metilammina). I vantaggi di questi materiali, che in pochi anni hanno consentito di raggiungere e superare valori di circa il 20% di resa fotovoltaica (valori che hanno richiesto decenni di maturazione per altre tecnologie, quali quelle a base di silicio).

Inoltre si persegue lo studio di nuove architetture di dispositivo, la realizzazione di sistemi d’intrappolamento della luce con array estesi di micro-ottiche per un miglioramento dell’efficienza di accoppiamento dell’energia solare con le celle fotovoltaiche. In passato i ricercatori si sono occupati dello sviluppo di sistemi di intrappolamento della luce, dimostrando che, grazie a un sistema compatto di micro-ottiche e micro-specchi è possibile ottenere l’aumento dell’efficienza di conversione in celle fotovoltaiche a base di molecole organiche, grazie al “recupero” dei fotoni riflessi alla superficie delle celle fotovoltaiche. Il sistema è stato brevettato ed il brevetto è arrivato a concessione (Photovoltaic Device with Enhanced Light Harvesting, autori: Massimo Tormen, Olle Inganas, Kristofer Tvingstedt, Simone Dal Zilio, depositato da Consiglio Nazionale Delle Ricerche-Infm Istituto Nazionale Per La Fisica Della Materia).

Nell’ambito energetico sono attive collaborazioni con i gruppi della SISSA e ICTP, del Dipartimento di Fisica e il Dipartimento di Chimica e Scienze Geologiche dell’Università di Cagliari e Istituto Italiano di Tecnologia. Collaborazioni internazionali strutturate e di lunga durata includono Energy Frontier Research Centers and Renewable Energy Materials Research Science and Engineering Center negli USA e gruppi CNRS in Francia.

PROGETTI RECENTI IN AMBITO ENERGETICO

EU FP7-NMP-2012 - Design of thin-film nano catalysts for on-chip fuel cell technology. 2013-2017;

EU FP7-PEOPLE-IRG-2008 - Water splitting Catalysts for Artificial Photosynthesis. 2009-2013;

EU FP-PEOPLE-COST-2011 - CM1104 Reducible oxide chemistry, structure and functions. 2013-2015;

EU FP7-2006/2008“Strati di silicio nanocristallino per celle solari e optoelettronica a basso costo, EU-NANOPHOTO;

EU FP7 SMALL ATHENA 2010/2012 “Teorie avanzate per gli ossidi funzionali: verso i dispositivi del futuro;

EU FP7 2010/2012 “Ingegnerizzazione di fenomeni esotici in interfacce tra ossidi OXIDE”;

Istituto Italiano di Tecnologia, SEED POLYPHEMO 2010/2013 “Nanomateriali ibridi a base polimerica per il fotovoltaico;

Istituto Italiano di Tecnologia, Progetto CompuNet, 2013/2015 “Metodologie multiscala per lo studio atomistico delle proprietà strutturali e optoelettroniche delle interfacce ibride”;

Regione Autonoma della Sardegna 2015/2017 “Applicazioni per l’energia con il silicio poroso”;

Fondazione Banco di Sardegna 2015/2016 “Modellizzazione multiscala predittiva di nanomateriali ibridi per il fotovoltaico di nuova generazione”;

Regione Sardegna 2014/2015 “Nanocristalli per la produzione di idrogeno dalla energia solare”;

PON-NETERGIT 2012 “Reti di comunicazione M2M e modem integrati per i servizi e l’efficienza energetica delle SMART CITIES”;

Fondazione Banco di Sardegna 2014/2015 “Studio di materiali multiferroici”;

Ministero esteri: 2014/2015 Nanoscience for energy: a joint Italy-US laboratory;

DEISA/DECI 2010/2011 (1.5 million CPU hours), Water splitting catalysts for artificial photosynthesis
PRACE 2012: Shedding light on the catalytic core of artificial leaf technologies;

ISCRA 2014/2015 Type B (3.1 million CPU hours), First-principles assessment of CO2 activation over metal surfaces;

PRACE 2012/2013 (12.0 million CPU hours), Engineering multi-core transition metal catalysts for solar fuel production;

PRACE 2011/2012 (4.8 million CPU hours), Multicenter cobalt-oxo cores for catalytic water oxidation;

PRACE Preparatory Access 2011 (50,000 CPU hours), Water splitting catalysts for artificial photosynthesis.

INFRASTRUTTURE E STRUMENTAZIONE

Per lo caratterizzazione di materiali e dispositivi fotovoltaici, l’istituto IOM è dotato di strumentazione avanzata tra cui linee di luce presso il sincrotrone Elettra che permettono di studiare le proprietà elettroniche e strutturali dei materiali e alcuni dei processi fondamentali che determinano l’efficienza delle celle fotovoltaiche, quali processi di trasferimento di carica alle interfacce, dissociazione delle eccitone etc.; Inoltre IOM dispone di  una serie di apparati per la fabbricazione di celle fotovoltaiche e per la loro caratterizzazione quali sistemi di deposizione a film sottili (evaporazione, sputtering, spin-coating, elettrodeposizione), glovebox per operazioni in atmosfera inerte, tecniche di patterning, quali la litografia ottica, elettronica e di tipo “nanoimprint”, sistemi per trattamenti termici (piastre riscaldanti, fornaci) etc.

Per la caratterizzazione dei dispositivi sono inoltre disponibili la microscopia elettronica a scansione, misure elettroniche di efficienza sotto simulatore di luce solare, misure di trasmissione ottica nei film risolte spettralmente, e di fotoluminescenza.

L’attività di modellazione numerica è orientata ai materiali e processi reali, come catalizzatori di scissione dell'acqua omogenei ed eterogenei o in appoggio nanoparticelle metalliche come elettrodi a celle a combustibile a ossido solido, interfacce e nanomateriali funzionali per il fotovoltaico e per la termoelettricità. Le simulazioni si basano su approcci computazionali multiscala che conciliano teoria densità funzionale, i calcoli di energia libera e dinamica molecolare. Lo ricerca teorico-computazionale di IOM si avvale di risorse High Performance Computing ottenute con progetti di natura competitiva (ISCRA) presso i centri di supercalcolo nazionale (CINECA) e internazionale (PRACE).

TEMATICHE/SETTORI DI INTERVENTO

Produzione di energia da fonti rinnovabili

Efficienza energetica