English Romana

Dezvoltarea de noi sisteme fotovoltaice pe baza de materiale polimerice pe substraturi flexibile

 

Program: CEEX – RELANSIN

Nr. contractului: 105/03.10.2005 

Perioada de derulare a proiectului: 30.10.2005 – 30.03.2008 

Conducator de proiect:
Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Textile şi Pielarie – Bucuresti

Parteneri
– Universitatea "Politehnica"din Bucuresti
– Institutul National Cercetare-Dezvoltare pentru Microtehnologie (IMT-Bucuresti)
– Institutul de Cercetare si Proiectare pentru Electrotehnica
– Universitatea din Bucuresti
– Institutul National Cercetare-Dezvoltare de Fizica Laserilor , Plasmei si Radiatiei -INCDFLPR
– Institutul Naţional de Cercetare–Dezvoltare pentru Chimie şi Petrochimie- ICECHIM

Obiectivul proiectului:
Obiectivul principal al proiectului l-a constituit dezvoltarea de procese tehnologice de obtinere a celulelor solare pe suport flexibil

Obiectivele specifice:
- Studii, elaborare si caracterizare procese de sinteza a polimerilor conductivi pentru aplicatii fotovoltaice 
- Sinteze de noi cromofori şi evaluarea activităţii fotovoltaice in celule solare 
- Elaborare si caracterizare tehnici de depunere pentru aplicatii fotovoltaice 
- Dezvoltari de procese tehnologice de obtinere a celulelor solare pe suport flexibil
- Studii fundamentale asupra conversiei energiei fotovoltaice in polimerii si colorantii sintetizati
- Studii fundamentale privind structurile fotovoltaice
- Diseminare rezultate prin publicare articole si/sau prezentare comunicari la conferinte stiintifice

Planul de realizare al proiectului - etape:
I - Creare retea tematica pe domeniul celulelor solare pe baza de materiale polimerice. Experimentari tehnologice preliminare
II - Studii si experimentari de laborator de sinteza a materialelor polimerice pentru aplicatii fotovoltaice
III - Dezvoltari de procese tehnologice de obtinere a celulelor solare pe baza de polimeri pe suport flexibil
IV - Experimentari de procese combinate de sinteza polimeri - coloranti pentru aplicatii fotovoltaice
V - Elaborare si caracterizare procese de sinteza materiale polimerice si tehnici de depunere pentru aplicatii fotovoltaice
VI - Optimizare/compatibilizare procese pentru realizarea celulelor solare pe baza de polimeri.
VII - Masuratori/analize/caracterizari. Evaluarea performantelor proceselor si a structurilor fotovoltaice rezultate

Rezultate obtinute:
1. Sinteze si caracterizari polimeri conductivi: 
- dezvoltarea metodelor de polimerizare in emulsie si caracterizare fizico-chimica, opto-electronica a polianilinelor dopate cu acid clorhidric, acid p-toluensulfonic(p-TS), acid dodecilbenzensulfonic(DBS), acid dodecilhidrogensulfuric
- preparare amestecuri polianiline/DBS / poliacrilat; polianiline/DBS /poli(metil-metacrilat); polianiline/DBS /poliuretani; 
- sinteze si caracterizare fizico-chimica, opto-electronica a polipirolilor, co-oligomerilor piroli/2,1,3-benzotiadiazol.
S-a studiat influenta parametrilor de reactie asupra de procesului de polimerizare a anilinei: raportul molar anilina: persulfat: acid clorhidric (DBS, p-TS) , pH, concentratia acizilor, temperatura si durata reactiei. S-a reusit elaborarea unei tehnologii de sinteza a polianilinelor solubile in apa precum si in solventi organici, stiut fiind faptul ca polianilina este un polimer practic insolubil in apa si solventi organici.
S-a elaborat tehnologia de sinteza a polipirolului, prin oxidarea pirolului cu persulfat de amoniu in prezenta polielectrolitilor cu functie de dopant si surfactant, dispersabil in apa si solventi organici. Acesti polimeri conductivi au o gama de aplicabilitate extrem de larga de la optoelectronice la aplicatii medicale.
2. Sinteze coloranti: 
- sinteze si caracterizare ftalocianine conţinând grupãri funcţionale periferice cu proprietãţi optice neliniare: compuşi tetrasulfonaţi ai ftalocianinelor de cupru, cobalt, nichel, zinc şi aluminiu prin substituirea directă a macrociclului tetra-izoindolic. 
A fost pusă la punct o metodă originală de obţinere a compuşilor tetrasulfonaţi ai ftalocianinelor de puritate ridicată prin utilizarea ca agent de sulfonare a acidului clorosulfonic. 
- grefarea de substituienţi pe macromolecula ftalocianinică pentru mărirea domeniul de absorbţie: sinteza şi caracterizarea a sase coloranţi cu cromofor mixt azo-ftalocianinic deosebit de senzitivi, şi promiţători pentru utilizarea în domeniul celulelor solare, datorită şi lungimii de undă de absorbţie mari, situate în vecinătatea domeniului infraroşu cu termostabilitate remarcabilă (peste 2900C); 
- grefarea de substituienţi pe macromolecula ftalocianinică pentru creşterea solubilităţii si a activitaţii fotovoltaice: au fost sintetizate si caracterizate ftalocianine Cu, Ni, Co, Fe şi Zn, solubile in apa prin grefarea unei grupe carboxil pe cele 4 nuclee fenilice din macrociclul ftalocianinic;
- procese de clorometilare a ftalocianinelor prin utilizarea ca reactant a bis-clorometil eterului, sintetizat in situ prin reacţia dintre paraformaldehidă şi acid clorosulfonic. Originalitatea adusă constă în introducerea paraformaldehidei în sistemul de reacţie înaintea adăugării acidului clorosulfonic, ceea ce face ca reacţia de sulfonare concurentă să fie practic inhibată; 
- sinteza TEMPLATE şi caracterizarea a 7 noi ftalocianine oleofile: metodă originală de sinteză a 4-nitroftalonitrilului, intermediar cheie în procesul de obţinerea a ftalocianinelor substituite. Metodă originală de obţinere a ftalonitrililor substituiţi cu grupe alcoxi din nitroderivatul corespunzător.
- Sinteza a şase coloranţi cu cromofor mixt azoic şi ftalocianinic. Intermediarul ce a stat la baza obţinerii lor este un compus nou obţinut prin grefarea compact condensată a unor cicluri tiazolice pe macrociclul ftalocianinic;
- Sinteza amino-tiazolo-ftalocianinelor, compuşi necitaţi în literatura de specialitate, a fost realizată pornind de la 4-nitroftalonitril, care s-a condensat în vederea obţinerii tetranitroftalocianinei. Prin reducere cu sulfură de sodiu a fost obţinută tetra-amino ftalocianina care a fost supusă unei reacţii de tiazolare în prezenţa sulfocianurii de sodiu şi a clorurii de sulfuril drept oxidant. Compuşii sintetizaţi au fost caracterizaţi prin analiză elementală, spectrospcopie IR şi UV-VIZ
- Reducerea tetra-nitroftalocianinelor la tetra-amino ftalocianine a fost realizată printr-o metodă originală, utilizând ca solvent N,N-dimetilformamida. 
- Sintetiza si caracterizarea de ftalocianine solubile in apa prin grefarea unei grupe carboxil pe cele 4 nuclele fenilice din macrociclul ftalocianinic.
- Sinteza a 4 compusi tetra fenil porfirinici prin grefarea de substituienţi pe macrociclul porfirinic pentru creşterea solubilităţii si a activitaţii fotovoltaice.

3. Teste tehnologice de aplicare a polimerilor conductivi si colorantilor pe sticla si substraturi flexibile: s-au elaborat urmatoarele metode de depunere de straturi subtiri transparente si conductive cu rol de electrod: 
- ablatie laser (PLD): filme transparente si conductoare, cu distributie uniforma si compacta de ITO si TiO2, pe substraturi din sticla si plastic, cu o stoichiometrie similara cu a tintei din care provin, la temperatura camerei, pentru o gama a presiunii oxigenului de 10-60 mTorr;
- sputtering in radiofrecventa, la temperatura camerei si presiunea optima de oxigen de 30 mbar, de filme subtiri, simple si poroase de TiO2, pe substraturi de sticla si ITO;
- evaporare termica in vid urmata de oxidare anodica: straturi subtiri (~ 300 - 420 nm) conductoare si transparente de oxid de In2O3 dopat cu Sn (ITO) prin oxidarea straturilor de In si Sn; straturi subtiri (150-300 nm ) de ZnO; straturi poroase, nanostructurate de TiO2 pe substrat de sticla/ITO si pe substrat flexibil/ITO, cu grosimea de ~100nm;
- imprimare: straturile obtinute prin imprimare cu sabloane a pastelor de nanoparticule de TiO2, cu ajutorul unui sablon cu sita de poliamida, sunt uniforme, cu grosimi care variaza intre 10 μm - 30 μm;
- spin coating: metoda este avantajoasa deorece se pot obtine filme conductive transparente pe suprafete mari, echipamentele utilizate sunt simple, productivitatea este ridicata, si filmul transparent conductiv poate fi produs la costuri mai scazute decat prin metoda sputtering. S-au obtinut straturi subtiri de polianilina pe substrat de ITO/sticla sau ZnO/sticla;
- sol-gel: s-au obtinut filmele subtiri de TiO2 poros cu incluziuni de aer si o transmitanta de peste 80 % in domeniul vizibil;
- voltametria ciclica (polimerizarea electrochimica) a anilinei in regim potentiostatic: s-au obtinut straturi subtiri tip baza emeraldina la un potential > 0,8 V (SCE) si straturi cu grosimi diferite, formate din amestec de sare (culoare verde) si baza emeraldina (culoare albastra) la un potential mai mic 0,6 – 0,8 V, intr-un timp mai indelungat. Straturile de PANI preparate prin voltametrie ciclica pot fi utilizate pentru realizarea de celule solare cu homojonctiune daca polimerul este dopat atat de tip p cat si de tip n, heterojonctiune intre acest polimer si un semiconductor anorganic sau cu bariera Schottky.

4. Tipuri de celule fotovoltaice realizate:
 

5. Dezvoltarea unui web-site dedicat cu respectarea confidentialitatii pentru facilitarea activitatilor de cercetare in comun, accesibil de pe paginile: 
INCDTP: www.certex.ro – Romana; - RETEA TEMATICA – Noi sisteme fotovoltaice pe baza de sisteme polimerice pe substraturi flexibile – SOLAR; IMT: http://www.nano-link.net/fotovoltaice/

6. Rezultatele proiectului au fost diseminate prin comunicari stiintifice, articole in publicatii de specialitate.

Comunicari stiintifice:
1. F. Iacomi*, M. Purica**, E. Budianu**, D. Macovei***, Synthesis of the transparent and conductive CdS thin films for optoelectronic devices applications, Proceedings of International Semiconductor Conference, 3-5 Oct. 2005, Sinaia, Romania, IEEE Catalog Number 05TH8818, ISBN 0-7803-9214-0, pag. 161-165 
2. E. Manea, E. Budianu, M. Purica, C. Podaru, I. Cernica, A. Coraci, F. Babarada, Silicon solar cells technology using honeycomb textured front surface, Proceedings of International Semiconductor Conference, 3-5 Oct. 2005, Sinaia, Romania, IEEE Catalog Number 05TH8818, ISBN 0-7803-9214-0, pag. 157-161 
3. M. Danila1, I. Licea2, M.Purica1, Light absorption in nanostructured crystalline ZnO thin films, Proceedings of International Semiconductor Conference, 3-5 Oct. 2005, Sinaia, Romania, IEEE Catalog Number 05TH8818, ISBN 0-7803-9214-0, pag. 77- 81. 
4. I. Dumitrescu, A.M. Mocioiu, Celule solare flexibile, Simpozion SCCCR, 08.12.2005, INCDTP, Bucuresti
5. I. Dumitrescu, A.M. Mocioiu, Polimeri conductivi, Simpozion “ Produse textile pentru domenii speciale, 7-8.09.2006, INCDTP, Bucuresti
6. Iuliana Dumitrescu, Ana Maria Mocioiu, Dezvoltarea de noi sisteme fotovoltaice pe baza de materiale polimerice pe substraturi flexibile, CONFERINŢA “CERCETAREA DE EXCELENŢĂ – PREMIZĂ FAVORABILĂ PENTRU DEZVOLTAREA SPAŢIULUI ROMÂNESC DE CERCETARE, 22 – 24 oct. 2006, Brasov
7. Iuliana Dumitrescu, Ana Maria Mocioiu, Conductive polymers for intelligent clothes, Book of proceedings, The International Conference on Intelligent Textiles 2006, November 12–14, 2006, the Hoam Convention Center, Seoul National University, Seoul, Korea
8. Ana Maria Mocioiu, Iuliana Dumitrescu, “Experiments to Obtain Flexible Solar Cells for Clothes”, 8th International Symposium on Green Chemistry in China (8th ISGCC’2007, Beijing, China from 21 - 24 May 2007
9. Iuliana Dumitrescu, Ana Maria Mocioiu, Synthesis of Soluble Polyaniline, Conferinta CEEX, 24 – 26 oct. 2007, Brasov
10. Ana-Maria Mocioiu, Iuliana Dumitrescu, Composites of conductive polymers – 
coated fabrics, - “Fibre Reinforced Composites Conference 2007”, Port Elizabeth, South Africa 9 – 12 December 2007
11. Paula Obreja, Dana Cristea, Munizer Purica, Teodora Ignat, Raluca Gavrila, “Polyaniline films for sensor applications”, European Congress on Advanced Materials and Processes, Nuremberg, Germany, 10-13 September 2007
12. E.Manea, E.Budianu, M.Purica, C.Podaru, A. Popescu, C. Parvulescu, A. Dinescu, A. Coraci, I. Cernica, F. Babarada, "Front surface texturing processes for silicon solar cells”, pp. 191-194, Proc. of International Semiconductor Conference - CAS 2007, October 15-17, 2007, Sinaia, Romania, IEEE Catalog Number 07TH8934
13. B. Mitu, G. Epurescu, G. Dinescu, M. Dinescu, E. Budianu, M. Purica, “Zinc oxide thin films deposited by pulsed laser technique for optoelectronic devices application”, Symposium D, E-MRS 2007 Spring Meeting, Strasbourg, France, May 28 to June 1, 2007
14. I.Dumitrescu, G. Grigoriu, Perspective ale utilizarii energiilor regenerabile in industria textila, 18 - 20 iunie 2008, Bucuresti, CCIB
15. I.Dumitrescu, A.M. Mocioiu,C. Nicolae, Flexible electronics, “EXCELLENCE RESEARCH – A WAY TO INNOVATION”, Brasov, ARO – PALACE HOTEL, 27 - 29 July 2008
16. I.Dumitrescu, A.M. Mocioiu, G. Constantin, C. Boscornea, M. Purica, Metode de realizare a straturilor de TiO2 pe suporturi de sticla/ITO, Solar & Wind International Conference “SWIC 2008”, the sixth edition in a series of European meetings on renewable energy sources, the Test Site Facility ICPE –- Agigea, 28-30 July 2008
17. Constantin Grigoriu*, Gabriel Prodan**, Victor Ciupina**, Constantin Logofatu***, “Oxide nanoparticles produced by pulsed laser ablation”, Cornelia Sima*, Cristian Viespe*, E-MRS 2007 Fall Meeting, Warsaw (Poland), 17-21 September (2007)
19. Cornelia Sima1, Cristian Viespe1, Constantin Grigoriu1, Mihai Vlaicu2 , “Study of TiO2 thin films deposited by advanced pulsed laser deposition method on ITO”, Grecia 22-26 oct 2008
20. I. M. Oancea Stanescu, V. Ciupina, G. Prodan, M. Prodan, C. Grigoriu and C. Sima, “Characterization of TiO2 nanoparticles by electron microscopy” 6 th International Student Conference of the Balkan Physical Union, ISCBPU-6, Bodrum-Turkey, 21-25 August 2008

Lucrari publicate:
1. F. Iacomi*, M. Purica**, E. Budianu**, D. Macovei***, Transparent and conductive CdS Thin Films-Preparation and Structural and Optical investigation, Acceptata pentru publicare in Romanian Journal of Information Science and Technology, editata Academia Romana.
2.F. Iacomi, M. Purica, E. Budianu, P. Prepelita, D. Macovei, “Structural studies on some doped CdS thin films deposited by thermal evaporation”, Thin Solid Films 515, p. 6080-6084, 2007. 2. L. Isfan, St. Tomas, C. Pop, C. Boscornea, R. Mocanu Ionescu, „Sinteza unui colorant azometinic obtinut prin ciclotetramerizarea unui ftalodinitril substituit de un rest azometinic”, Rev. Chim., 2007, (in press).
3. Cristian Boscornea, Nicoleta Grigoriu, Doina Tărăbăşanu Mihăilă, Monica Robu “Obţinerea coloranţilor ftalocianinici prin metode solvotermale” Rev. Chim., 2007
4. Munizer Purica, F. Iacomi, C. Baban, N. Apetroaei, D. Mardare, D. Luca, Investigation of structural properties of ITO thin films deposited on different substrates, Thin Solid Films 515 (2007) pag. 8674-8678.
5. C. Viespe, C. Grigoriu, M. Popescu, M. Sava, A. Lorenczi, A. Velea, S. Zamfira “Cristalization of PLD deposited ITO thin films by thermal treating in various gas environment” Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 9 (11), 3563-2566, nov 2007
6. Cornelia Sima, Wolfgang Waldhauser, Juergen Lackner, Markus Kahn, Ionut Nicolae, Cristian Viespe, Constantin Grigoriu, “Properties of TiO2 thin films deposited by RF magnetron sputtering”, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Vol.9, No. 5, May (2007), pag 1446-1449 
7. Cristian Viespe, Ionut Nicolae, Cornelia Sima, Constantin Grigoriu, Rares Medianu, “ITO thin films deposited by advanced pulsed laser deposition” , Thin Solid Films, 515 (2007) 8771-8775
8. 1. L. Ișfan, , Ş. Tomas, C. Pop, , C. Boscornea, , R. Mocanu-Ionescu, .”Sinteza şi caracterizarea unei serii de derivaţi de tetra-hidrazono ftalocianine de cupru condensate cu diverse aldehide aromatice”, Revista de Chimie 58 (10), pp. 941-944, 2007 
9. L. Ișfan, , Ş. Tomas, C. Pop, , C. Boscornea, , R. Mocanu-Ionescu, “Synthesis of some Schiff-base of copper tetraaminophtalocyanine derivates” Revista de Chimie, 58 (7), pp. 664-668, 2007. 
10. D. Donescu, C. Radovici, Cristiana Bercu, M. Ghiurea, C. Boscornea “Efectul templantilor asupra obtinerii unor hibride bioxid de titan-ftalocianina”, Materiale Plastice, 44(1), 7-13, 2007 
11. L. Ișfan, , Ş. Tomas, C. Pop, , C. Boscornea, , R. Mocanu-Ionescu, “Synthesis and characterization of an azomethine-phthalocyanine cromophore by cyclotetramerization of substituted phtalodinitrile with azomethinic remainder” Revista de Chimie, , 58 (8), pp. 830-832, 2007 
12.P. Obreja, D. Cristea, M. Purica, R. Gavrila, F. Comanescu, “Polymers doped with metal oxide nanoparticles with controlled refractive index”, Polymery, 2007, 52, nr. 9. 
13. E. Budianu, M. Purica, F. Iacomi, C. Baban, P. Prepelita and E. Manea , “Silicon metal-semiconductor–metal photodetector with zinc oxide transparent conducting electrodes”, Thin Solid Films, 516, p. 1629-1633, 2008. 
14. Cristian Boscornea, Nicoleta Grigoriu, Doina Tărăbăşanu Mihăilă, Monica Robu "Obţinerea coloranţilor ftalocianinici prin metode solvotermale" Rev. Chim., 59(4), pp. 371-375, 2008 
15. “Production of Oxide Nanoparticles by Pulsed Laser Ablation” Cornelia Sima*, Cristian Viespe*, Constantin Grigoriu*, Gabriel Prodan**, Victor Ciupina** , Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 2008
16.” TiO2 thin films deposited by pulsed laser deposition method”, C. Sima*, C.Viespe*, C. Grigoriu*, M. Vlaicu**, I. Pasuk**, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 2008

In perioada 28-30 iulie, la Agigea 2008, a avut loc conferintei anuala - Solar & Wind International Conference “SWIC 2008”, the sixth edition in a series of European meetings on renewable energy sources, organizata de NESL (ICPE) cu sprijinul Ministerului Cercetarii si Educatiei.