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- Dott. Sebastiano Bellani (BeDimensional S.p.A., Genova)
- Dott.ssa Maria Josè Lo Faro (Università degli Studi di Catania)
- Dott. Salvatore Lombardo (IMM-CNR Catania)
- Prof. Salvatore Savasta (Università degli Studi di Messina)
- Dott.ssa Donatella Spadaro (IPCF-CNR Messina)
Sebastiano Bellani
BeDimensional S.p.A., Via Lungotorrente Secca 30R, 16163 Genova, Italy
Solution-processed two-dimensional materials for next-generation photovoltaics.
Nello scenario della domanda energetica in continua crescita, lo sviluppo di nuove tecnologie fotovoltaiche (PV) è una delle soluzioni chiave per soddisfare la richiesta di energia. In questo contesto, il grafene e i relativi materiali bidimensionali (2D) (GRM) stanno emergendo come candidati promettenti per guidare l’innovazione nelle tecnologie fotovoltaiche.[1] Le proprietà meccaniche, termiche ed optoelettroniche dei GRM possono essere sfruttate in diversi componenti attivi di celle solari per progettare dispositivi di prossima generazione,[1],[2] compresi i sistemi fotoelettrochimici.[3] Questi componenti includono elettrodi conduttivi anteriori (trasparenti) e posteriori, strati di trasporto di carica e strati di interconnessione/ricombinazione, nonché strati fotoattivi. La produzione e l’applicazione dei GRM in fase liquida, insieme alla capacità di ottimizzare “on-demand” le loro proprietà optoelettroniche sfruttando la funzionalizzazione chimica, consentono la loro efficace integrazione in dispositivi fotovoltaici avanzati attraverso processi di stampa scalabili, affidabili ed economici .[1] In questo intervento presenterò i progressi nell’uso dei materiali 2D, elaborati in fase liquida da BeDimensional, nelle tecnologie fotovoltaiche emergenti (ad esempio, celle solari a perovskite) e nei dispositivi fotoelettrochimici.
References
[1] S. Bellani, et al., Chem. Soc. Rev., 50, 11870-11965 (2021)
[2] S. Pescetelli, et al., Nat. Energy, 7, 597–607 (2022).
[3] G. Bianca et al., Adv. Mater. Interfaces, 10, 2201635 (2023)
[4] M. Angel Molina-Garcia, et al., J. Phys. Mater. (2023).
Sebastiano Bellani è ricercatore senior e coordinatore della divisione R&D di BeDimensional S.p.A, azienda che commercializza grafene e altri materiali bidimensionali. Ha conseguito il dottorato di ricerca. dal Politecnico di Milano, mentre lavorava all’Istituto Italiano di Tecnologia. Qui, ha studiato le interfacce solido/liquido nei transistor organici a effetto di campo con cancello ad acqua dei semiconduttori organici, nelle cellule fotoelettrochimiche ibride organico-inorganico e nei dispositivi basati su biopolimeri per la stimolazione cellulare ottica. Ha partecipato al progetto Future and Emerging Technology Graphene Flagship della Commissione Europea, dove è stato vice leader del progetto di punta della fattoria solare (perovskite). Attualmente è coinvolto in molti altri progetti di ricerca europei e nazionali. I suoi studi attuali si concentrano sulla caratterizzazione chimico-fisica, spettroscopica e (foto)elettrochimica di nanomateriali processati in soluzione, compresi quelli bidimensionali, per inchiostri funzionali e applicazioni legate all’energia, compreso il fotovoltaico, (foto)elettrocatalisi, in particolare elettrolizzatori, e sistemi di accumulo dell’energia, come batterie e supercondensatori Gen3-5 di nuova generazione.
Maria Josè Lo Faro
Università di Catania, Dipartimento di Fisica e Astronomia “Ettore Majorana”
Light managing in fractal arrays of silicon nanowires for innovative applications.
L’emergente diffusione dei nanofili semiconduttori ha aperto nuove prospettive grazie alla loro struttura unidimensionale unica, che offre notevoli proprietà elettriche e ottiche. Tra questi materiali spicca il silicio grazie alla sua abbondanza ed uso nel settore microelettronico ed in particolare, i nanofili di silicio (Si NW) rappresentano una risorsa estremamente promettente per i moderni dispositivi, nonostante la complessità della loro produzione.
Utilizzando un approccio a basso costo e compatibile con la tecnologia attuale del silicio, è stato ottimizzato un metodo innovativo per la produzione di array verticali nanofili di silicio con dimensioni controllabili con i parametri di crescita. La sintesi dei nanofili di silicio è stata ingegnerizzata per il design di strutture frattali random in 2D, utilizzando uno layer d’oro frattale al limite di percolazione [1]. Questo approccio ci ha permesso di controllare le proprietà ottiche del sistema, ottimizzando diverse geometrie frattali. Le nostre osservazioni hanno rivelato una forte diffusione multipla nel piano e un efficace intrappolamento della luce, legati alla struttura frattale, con notevoli implicazioni per la fotonica e il fotovoltaico [2].
Inoltre, i nanofili di silicio prodotti con questa tecnica presentano una intensa luminescenza visibile a temperatura ambiente sotto stimolazione ottica ed elettrica, con la prospettiva di variarne l’emissione in correlazione al diametro dei nanofili grazie al confinamento quantico.
Abbiamo inoltre sviluppato biosensori ottici innovativi label free a nanofili di silicio, sfruttando il fenomeno del quenching della luminescenza a seguito della cattura selettiva di specifiche proteine o genomi. Un esempio è il sensore selettivo a basso costo per la proteina C-reattiva (CRP), il principale biomarcatore dell’insufficienza cardiaca, che offre una sensibilità elevata a concentrazioni molto basse, consentendo analisi non invasive sulla saliva [3].
Modificando il protocollo di funzionalizzazione, abbiamo adattato questi biosensori per il rilevamento selettivo per un ampio ventaglio di agenti patogeni, come i virus dell’epatite B [4] ed il SARS-CoV-2, incluso lo screening delle sue varianti [5]. Abbiamo inoltre dimostrato la capacità di rilevare esosomi con un limite di rilevamento di circa 10^5 sEV/ml [6], aprendo la strada a una vasta gamma di applicazioni nei biosensori ottici come strumenti diagnostici fondamentali per la salute pubblica.
References
[1] Light Sci. Appl. 5, 4, 2016
[2] Nat Photonics 11, 170, 2017
[3] ACS Photonics 5, 2, 2018
[4] ACS Sensors 3, 9 2018
[5] Nano Select 4, 2, 2023
[6] International Journal of Nanomedicine, 16, 2021
Maria Josè Lo Faro si è laureata con lode in Fisica della Materia Condensata presso l’Università di Catania nel 2013, consolidando la sua esperienza nel campo delle nanostrutture per la fotonica integrata del silicio durante il dottorato di ricerca presso l’Università di Catania in collaborazione con l’Istituto per i Processi Chimici e Fisici del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IPCF-CNR) di Messina. Nel 2016 è stata ricercatrice in visita presso il Kastler-Brossel Lab (ENS-Parigi) nel gruppo di S. Gigan, ha avuto due Postdoc presso l’IPCF-CNR di Messina (2017), e per l’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM-CNR ) a Catania (2018). Dal 2019 collabora come ricercatrice al Dip. di Fisica “E. Majorana” dell’Università di Catania, dove è attualmente ricercatrice (RTD B) impegnata nello studio di materiali per la fotonica.
Salvatore Antonino Lombardo
Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)
Istituto per la Microelettronica e Microsistemi (IMM), Zona Industriale, Ottava Strada, 5, 95121 Catania, ITALY
Nanotecnologie per dispositivi elettronici in silicio.
In questo contributo mostriamo alcuni esempi di applicazioni di nanostrutture nel campo della microelettronica e del fotovoltaico in silicio, rese possibili da un accurato controllo e una dettagliata comprensione dei materiali e della fisica che regola il funzionamento dei dispositivi elettronici.
Questo lavoro è finanziato dalla Commissione Europea (NextGeneration EU) attraverso l’infrastruttura I-PHOQS, “Iniziativa su Infrastruttura Integrata in Fotonica e Scienze Quantistiche” (IR0000016, CUPB53C22001750006) e l’infrastruttura “Beyond-Nano” co-finanziata dalla Regione Sicilia (D.D.G. 2929/5S) e dal Ministero dell’Università e Ricerca (Decreto 2510/2019)
Salvatore A. LOMBARDO si è laureato (con lode) e ha ricevuto il dottorato in Fisica dall’Università di Catania nel 1989 e nel 1994, rispettivamente. Dal 1994 è con il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e dal 2007 è dirigente di ricerca del CNR. Ha trascorso vari periodi come visting scientist presso la Cornell University, IBM Research ed STMicroelectronics. Egli lavora nel campo dei dispositivi a semiconduttore e dei materiali per l’elettronica. Il Dott. Lombardo è adesso il responsabile del laboratorio di fotonica della Facility Beyond-Nano del CNR-IMM e del progetto CNR facente parte del programma dei “progetti importanti di comune interesse europeo” (IPCEI) della Commissione Europea sulla microelettronica. E’ autore di 11 brevetti USA e di circa 300 lavori scientifici con circa 7100 citazioni.
Salvatore Savasta
Università degli Studi di Messina, Dipartimento di Scienze Matematiche e Informatiche, Scienze Fisiche e Scienze della Terra (MIFT), Viale Ferdinando Stagno d’Alcontres 31 – 98166 Messina, Italy
L’interazione luce-materia nel regime ultra-forte.
Negli ultimi quindici anni l’interazione ultraforte tra luce e materia si è trasformata da un’idea teorica ad una realtà sperimentale. Si tratta di un nuovo regime di interazione luce-materia, oltre l’accoppiamento debole e forte, in cui la forza di accoppiamento diventa paragonabile alle frequenze di transizione nel sistema. Il raggiungimento dell’accoppiamento debole e forte ha portato a un maggiore controllo dei sistemi quantistici e ad applicazioni come i laser a bassa corrente di soglia, la metrologia quantistica e l’elaborazione delle informazioni quantistiche. Descriverò la teoria dei sistemi quantistici con accoppiamento ultraforte e alcuni processi fisici che questo regime rende possibile. Inoltre mostrerò diverse configurazioni sperimentali, inclusi i polaritoni nei semiconduttori a bassa dimensione, i circuiti quantistici superconduttori e le molecole organiche, che ora hanno raggiunto l’accoppiamento ultraforte. Infine, descriverò una dimostrazione sperimentale molto recente dell’accoppiamento forte tra un singolo fotone e una coppia di fotoni in un circuito quantistico superconduttore operante nel regime di accoppiamento ultraforte.
Salvatore Savasta è ordinario di fisica teorica della materia condensata dal gennaio 2021 presso l’Università di Messina e da diversi anni visiting researcher presso il Theoretical Quantum Physics Laboratory del Riken in Giappone. La sua attività di ricerca, svolta nell’ambito di numerose collaborazioni internazionali, è principalmente incentrata sull’ottica quantistica e le nuove tecnologie quantistiche. È coautore di oltre 150 pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali, tra cui Nature Physics e Physical Review Letters. Attualmente è componente ASN (commissione nazionale per l’abilitazione a professore di prima e seconda fascia) per Fisica teorica della materia. (https://linktr.ee/insighbart)
Donatella Spadaro
Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)
Istituto per i Processi Chimico-Fisici (IPCF), Viale F. Stagno D’Alcontres 37, 98158 Messina, Italy
Advanced Photovoltaics: Exploring the Potential of Dye Sensitized Solar Cells in Renewable Energy Technology.
Le celle solari sensibilizzate con coloranti rappresentano una tecnologia rinnovabile all’avanguardia e di grande potenziale. Come dispositivi fotovoltaici avanzati, le DSSC sono note per la loro produzione a basso costo, il design semi-trasparente e l’assorbimento della luce che dipende dalla struttura del colorante. Gli sforzi recenti si sono concentrati sull’ampliamento delle applicazioni delle DSSC per creare moduli e pannelli per soluzioni solari integrate. Le DSSC hanno anche un ampio ventaglio di utilizzi, inclusa l’esplorazione spaziale, dispositivi IoT e altro ancora. Per promuovere un futuro più sostenibile, è essenziale ottimizzare le DSSC per l’uso sia interno che esterno, utilizzando materiali ecocompatibili e fonti di energia pulite.
Questa presentazione mostrerà notevoli progressi nelle DSSC, dai miglioramenti delle singole celle fino alle applicazioni su larga scala. Condivideremo i risultati iniziali dei progetti in corso, evidenziando la nostra dedizione nello spingere i limiti delle DSSC. Il nostro focus sarà sulle diverse applicazioni delle DSSC, inclusa l’integrazione in dispositivi portatili, edifici e sensori, così come lo sviluppo di materiali innovativi, processi e tecnologie per la produzione di idrogeno. Questi avanzamenti mirano a migliorare l’affidabilità, l’efficienza, la flessibilità e la resilienza del sistema energetico nazionale in conformità con le linee d’azione della comunità europea (Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza, PNRR).
Donatella Spadaro si è laureata in Chimica presso l’Università degli Studi di Messina dove ha conseguito il Dottorato di Ricerca in Chimica e Ingegneria dei Materiali. Ha lavorato come ricercatrice industriale presso ANM Research srl, con compito di sintesi e caratterizzazione di materiali nanostrutturati applicati nel settore delle biotecnologie. Successivamente è entrata a far parte del NanosoftLab dell’IPCF-CNR di Messina e dell’IMM-CNR di Catania come assegnista di ricerca post-doc. Dal febbraio 2022 è ricercatrice a tempo indeterminato presso l’IPCF. Si è unita al Gruppo SOLARE, e la sua attività di ricerca è focalizzata nel campo del fotovoltaico di terza generazione, della fotochimica, dei processi di trasferimento di energia ed elettroni, della conversione dell’energia solare e delle nanoparticelle. Lavora alla produzione e alla caratterizzazione di celle solari sensibilizzate con coloranti naturali e allo sviluppo di nuovi materiali nanostrutturati per applicazioni DSSC. È coinvolta in diversi progetti in cui si occupa di sintesi e caratterizzazione spettroscopica di materiali nanostrutturati per applicazioni ambientali e beni culturali.
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