Insegnamenti

 

SM/0047/EN - PHOTONICS

Anno Accademico ​2019/2020

Docente
GIOVANNI LUIGI CARLO ​BONGIOVANNI (Tit.)
Periodo
Primo Semestre​
Modalità d'Erogazione
Convenzionale​
Lingua Insegnamento
INGLESE​



Informazioni aggiuntive

CorsoPercorsoCFUDurata(h)
[60/68] ​ ​FISICA [68/00 - Ord. 2014] ​ ​PERCORSO COMUNE648
Obiettivi

Gli obiettivi formativi del corso di Fotonica, definiti in modo coerente con quelli dalla Laurea Magistrale in Fisica, sono qui declinati facendo riferimento ai descrittori di Dublino:
1) (conoscenza e capacità di comprensione) Lo Studente acquisirà le conoscenze di base sulle proprietà fisiche dei semiconduttori e dell’interazione radiazione-materia: stati elettronici; assorbimento ed emissione della luce; statistica e termodinamica degli stati elettronici eccitati; trasporto elettrico; conversione dell’energia luminosa in energia elettrica e viceversa.
2) (conoscenza e capacità di comprensione applicate) Lo Studente svilupperà una adeguata conoscenza e comprensione dei meccanismi di funzionamento di base dei dispositivi optoelettronici a stato solido, ed in particolare dei dispositivi per la conversione dell’energia solare in energia elettrica (celle fotovoltaiche), e viceversa, per la conversione dell’energia elettrica in energia luminosa (diodi emettitori di luce).
3) (autonomia di giudizio) Lo Studente acquisirà una capacità di analisi critica dei fenomeni fotofisici che avvengono nelle diverse classi di semiconduttori e tipologie di dispositivi optoelettronici e dei meccanismi di funzionamento stesso dei dispositivi.
4) (abilità comunicative) Lo Studente svilupperà la capacità di descrivere con una corretta terminologia ad un pubblico specialistico e non specialistico problematiche di fotofisica e i principi di funzionamento dei dispositivi optoelettronici.
5) (capacità di apprendere autonomamente) Lo Studente acquisirà gli strumenti concettuali fisico-matematici e le abilità sperimentali necessarie per proseguire con un buon grado di autonomia un percorso di studio avanzato (corsi di specializzazione e/o di dottorato), od un percorso lavorativo in cui si utilizzino tecniche di spettroscopia, di optoelettronica o, in generale, di fotonica.

Prerequisiti

Al fine di intraprendere con profitto lo studio del programma di Fotonica è indispensabile avere conoscenze adeguate di elettromagnetismo e meccanica quantistica. E' inoltre importante avere acquisito le nozioni di base di fisica dello stato condensato, di termodinamica e di statistica.

Contenuti

Principi di funzionamento delle celle solari
-Celle solari 1. L’effetto fotovoltaico. Fotocorrente ed efficienza quantica. Corrente di buio e voltaggio di circuito aperto. Efficienza. Resistenze parassite. Diodo non ideale. La sorgente solare. Convertitori di energia solare. Il fotoconvertitore ideale. Lo spettro solare, il bandgap dei semiconduttori e l’efficienza di fotoconversione. (J. Nelson, The physics of Solar Cells; chapt. 1, 2.1-3, 2.5.4, 2.6)
- Celle solari 2. Semiconduttori. Funzione di distribuzione degli elettroni. Densità degli stati. Densità degli elettroni. Buche. Drogaggio. Distribuzioni di quasi-Fermi. L’energia di Fermi ed il potenziale elettrochimico. La funzione di lavoro. Generazione e ricombinazione di coppie elettrone-buca. L’emissione di luce nei semiconduttori. Coefficiente di assorbimento e tassi di transizione. (The physics of Solar Cells, P. Würfel chapt. 3.1-3.7)
Celle solari 3. Conversione dell’energia termica in energia chimica. Massima efficienza per la produzione di energia chimica. Trasporto di elettroni e buche. Separazione degli elettroni e buche. Lunghezza di diffusione dei portatori minoritari. (The physics of Solar Cells, P. Würfel chapt. 4, 5.1-5.4)
Celle solari 4. Struttura di base di una cella solare. Meccanismi di base del funzionamento delle celli solari. La giunzione pn. L’equilibrio elettrochimico degli elettroni in una giunzione pn al buio. Il potenziale elettrico in una giunzione pn. Le caratteristiche corrente-voltaggio in una giunzione pn. Giunzioni metallo-semiconduttore. Limiti nel processo di conversione dell'energia. Celle multigiunzione. (The physics of Solar Cells, P. Würfel chapt. 6.2,6.4,6.6-6.8, 7.1-7.3, 8.1)

Principi di funzionamento dei diodi emettitori di luce
-LED 1. La sensibilità dell’occhio umano e le quantità fotometriche. (Principles of solar cells, LEDs and Diodes, A. Kitai chapt. 3.9)
-LED 2. LED Il funzionamento e la struttura di un dispositivo LED. Spettro di emissione. Ricombinazione non radiativa. Estrazione della luce. LED a GaAs. LED a GaAsP. Doppia eterogiunzione AlGaAs. LED ad AlGaInP. LED a InGaN. (Principles of solar cells, LEDs and Diodes, A. Kitai chapt. 5.1-5.10)
-LED 3. Sistemi coniugati. OLEDs basati su polimeri. OLED fabbricati con piccole molecole. (Principles of solar cells, LEDs and Diodes, A. Kitai chapt. 6.1-6.4)

Esperimenti di laboratorio
-Caratterizzazione spettroscopica di LED e AMOLED.
-Caratterizzazione optoelettronica di celle fotovoltaiche: giunzione singola e tripla.

Metodi Didattici

Il corso è organizzato in 32 ore di lezioni frontali e 16 ore di esperienze di laboratorio guidate ed interattive su tematiche direttamente connesse con la parte teorica (conoscenze applicate).
-Interazione didattica in aula: combinazione di didattica frontale e interattiva con l'utilizzo di strumenti informatici e diversi supporti (video, slides e lavagna).
- Risoluzione di problemi in modo cooperativo in aula: "Cooperative problem solving". Nelle esercitazioni, gli studenti formano piccoli gruppi per risolvere problemi in modo cooperativo. Il docente discute con i gruppi l’impostazione, i metodi e le tecniche da loro utilizzati. Questo approccio didattico permette agli studenti di confrontarsi l’uno con l’altro, facilitando in questo modo l’apprendimento e permettendo allo studente di valutare il livello di comprensione acquisito
- Interazione didattica a distanza. Ogni settimana gli studenti sono chiamati a risolvere alcuni esercizi a casa riguardanti gli argomenti del corso.
- Altri metodi e tecniche di interazione didattica. Gli studenti possono interagire con il docente durante le due ore di ricevimento settimanale durante il semestre. Negli altri periodi dell’anno tramite appuntamento.
L’uso della posta elettronica ed il sito docente (http://people.unica.it/giovannibongiovanni/) sarà anche utilizzato per lo scambio di ulteriori informazioni (testi di esercizi, testi di esame, …).

Verifica dell'apprendimento

La valutazione dello studente prevede una prova orale, un elaborato sulle esperienze di laboratorio e la consegna della risoluzione dei problemi assegnati durante il semestre.
Con la prova orale, lelaborato e la risoluzione dei problemi si verificano le conoscenze e le capacità di comprensione teoriche ed applicate, le capacità espositive (orali e scritte), la capacità di raccogliere ed interpretare i dati sperimentali ed infine il grado di autonomia con il quale lo studente affronta la conduzione di un esperimento di laboratorio, così come descritto dai precedenti descrittori di Dublino.
La prova orale (i) e le relazioni sulle esperienze di laboratorio (ii) contribuiscono ciascuno con un punteggio massimo fino a 12 (ii) e 6 punti (i). (iii) Lo svolgimento dei problemi numerici con un punteggio massimo di punti 12. La votazione finale è la somma dei punteggi ottenuti nelle tre prove espressi in trentesimi [(i+ii+iii)/30]
La lode viene assegnata allo studente che ha preso un punteggio complessivo >= 32/30.

Testi

-The physics of Solar Cells, P. Würfel
-The physics of Solar Cells. J. Nelson.
-Principles of solar cells, LEDs and Diodes, A. Kitai

Altre Informazioni

Le trasparenze delle lezioni, gli esercizi, il questionario di autovalutazione ed altre informazioni sono a disposizione sui siti:
1- http://people.unica.it/giovannibongiovanni
2- https://unicadrsi-my.sharepoint.com/:f:/g/personal/giovannilc_bongiovan_unica_it/Esm_LGy1GQZOgVYgFUQkhGcB8M5366Tpevl0TGyRQjPlzA?e=wvxfqw

Informazioni utili sui Disturbi Specifici dell'Apprendimento sono riportati nel sito: http://corsi.unica.it/fisica/info-dsa/

credits unica.it | accessibilità Università degli Studi di Cagliari
C.F.: 80019600925 - P.I.: 00443370929
note legali | privacy

Nascondi la toolbar