UNIVERSITATEA DIN BUCUREŞTI
FACULTATEA DE FIZICĂ
TEZĂ DE DOCTORAT REZUMAT
Tendinţe noi în abordarea
interdisciplinarităţii fizică-chimie-
biologie
Coordonator ştiinţific:
Prof. Dr. Univ. Ştefan ANTOHE
Doctorand:
Mirela BULGARIU
BUCUREŞTI
2011
2
CUPRINS
(numerotarea figurilor, tabelelor, a ecuaiilor i a referinelor bibliografice este cea din teza de doctorat)
Introducere 4
Capitolul I Fundamentele psihopedagogice ale abordării
interdisciplinare în studiul fizicii 6
I.1 Interdisciplinaritatea ştiinţelor şi a cunoaşterii ştiinţifice 6
I.2 Interdisciplinaritatea – perspectiva diacronică şi concept educaţional
modern 14
I.3 Concluzii 15
Capitolul II Teoria generală a curricumului educaţional 16
II.1 Politici educaţionale şi politici ale schimbării în învăţământul
preuniversitar 16
II.2 Educaţia, componentă a existenţei socio-umane 18
II.3. Orientări şi practici noi în organizarea curriculum-ului:
interdisciplinaritate, organizare modulară, organizare de tip integrat,
curriculum diferenţiat şi personalizat 20
II.3.1 Organizarea interdisciplinară a curriculum-ului 20
II.3.2 Organizarea de tip integrat a conţinuturilor 21
II.3.3 Organizarea modulară a curriculum-ului 23
II.3.4 Organizarea diferenţiată şi personalizată a curriculum-ului 24
II.4 Concluzii 26
Capitolul III Lumină şi sunet 26
III.1 Programa aplicată - propunere opţional interdisciplinar, clasa a XI-a,
filiera vocaţională-muzică 26
3
Capitolul IV Extinderi asupra studiului conversiei directe a energiei
luminoase în energie solară prin efect fotovoltaic 29
IV.1 Necesitatea studierii surselor de energie neconvenţionale în şcoala
românească 29
IV.2. Efectul fotovoltaic 40
IV.2.1 Stadiul actual al cunoaşterii în domeniul celulelor solare 40
IV.2.2 Studiul unei celule fotovoltaice din generaţia I-a 43
IV.2.3 Celule fotovoltaice organice cu dublu strat donor/acceptor 44
IV.2.4. Celule fotovoltaice organice de tip „heterojoncţiuni distribuite în
volum” realizate prin amestecul dintre doi polimeri cu comportare de
donor, respectiv acceptor 45
IV.2.5 Celule nanostructurate cu ordonare bicontinuă 46
IV.3 Rezultate experimentale şi discuţii 48
IV.3.1.1 Aspecte generale privind procesele fizice din joncţiunea p-n.
Caracteristica curent-tensiune la întuneric 49
IV.3.1.2 Caracteristica curent–tensiune la întuneric a unei celule
fotovoltaice cu joncţiune p-n din siliciu monocristalin 52
IV.3.1.3 Studiul caracteristicii I-U la iluminare în cel de-al IV-lea
cadran 57
IV.4. Studiul unor celule solare din generaţia a III-a 60
IV.4.1 Proceduri experimentale 61
IV.4.2 Rezultate şi discuţii 63
Concluzii finale 77
Bibliografie 82
4
INTRODUCERE
În ultimele decenii, în ştiinţele educaţiei este tot mai vădită
tendinţa de integralizare a disciplinelor şcolare. Abordarea integralizată
în învăţămîntul şcolar apare din imposibilitatea uneia din discipline,
oricare ar fi din ele, (fizica, biologia, chimia, matematica, geografia,
istoria etc.) să rezolve problemele complexe ale conţinutului unitar al
vieţii, al lumii în care trăim. Educaţia prin discipline şcolare este un
proces cognitiv ce urmăreşte dezvoltarea capacităţilor şi formarea
cunoştinţelor epistemologice dintr-un anumit domeniu, independent de
realizările obţinute în alte domenii de cunoaştere.
Ideia promovării unei viziuni integralizate în cunoaşterea realităţii
nu este nouă. În cadrul cercetărilor fundamentale aceasta a fost în
permanenţă la ordinea zilei prin:
• abordarea integrală a fenomenelor;
• corelarea informaţiei ştiinţifice din diferite domenii;
• aplicarea metodelor de cercetare specifice domeniilor înrudite de
cunoaştere.
Principiul de integralizare, ca modalitate de organizare a
conţinuturilor educaţionale, a fost aplicat de la începutul întemeierii şcolii
şi anume de către sofiştii greci care defineau programul enkyklios paidea
– învăţământ conceput pentru a oferi elevului un orizont unitar al
fundamentelor educaţiei intelectuale. Odată cu evoluţia spre specializare
pe domenii de cunoaştere şi cercetare ştiinţifică, acestea au fost progresiv
limitate şi separate.
În istoria pedagogiei principiul de integralizare a fost teoretizat
continuu, chiar şi atunci, când a fost foarte rar aplicat în practica şcolară.
5
Inter/transdisciplinaritatea ca faze ale integralizării stă la baza
dezvoltării reformei curriculare.
Această realitate ştiinţifică nu mai poate fi lăsată pe seama unor
discipline separate, care nu mai corespund nici realităţii epistemologice
contemporane, dar nici exigenţei unei integrări socio-profesionale aptă de
rezolvarea problemelor pe care le înaintează noile realităţi ale vieţii.
Relaţiile inter/transdisciplinare în cadrul disciplinelor şcolare:
Fizica, Biologia, Chimia - rezultă din legitatea generală, conexiunea
universală, care evidenţiază că fenomenele, realităţile obiective sunt în
interacţiune, se condiţionează reciproc.
În acest context valorificarea personalităţii elevului în dinamica
societăţii contemporane oferă prioritate educaţiei prin formarea
competenţelor, în general, şi prin formarea competenţei de cunoaştere
ştiinţifică, în special.
Aşadar, abordarea integralizată a conţinuturilor de studii crează
un mediu favorabil şi necesar pentru formarea competenţei de cunoaştere
ştiinţifică în context inter/transdisciplinar care devine o prioritate
educaţională a mileniului III.
În contextul actual, atât de complex, aflat într-o continuă şi rapidă
transformare, graţie unei explozii informaţionale fără precedent, şcoala şi,
implicit, conceptul de educaţie trebuie să răspundă unor noi provocări.
În şcoală, tinerii se formează pentru viaţă, de aceea, este imperios
necesar ca ei să înţeleagă informaţiile asimilate şi să le utilizeze pentru a-
şi explica realitatea înconjurătoare.
Un volum mare de informaţii şi de cunoştinţe nu înseamnă,
obligatoriu, şi calitate, pentru că elevul nu reuşeşte totdeauna să
6
stabilească anumite conexiuni între aceste achiziţii teoretice din domenii
diferite sau între acestea şi realitatea înconjurătoare.
Interdisciplinaritatea este, actualmente, o necesitate, pentru că
realitatea este atât de complexă, încât o singură ştiinţă, oricât de
performantă, nu poate răspunde tuturor întrebărilor tinerilor privind
lumea înconjurătoare.
A face faţă solicitărilor şi provocărilor lumii contemporane
presupune să ai capacitatea de a face transferuri rapide şi eficiente între
diversele ”foldere” disciplinare, a aduna, a sintetiza şi a pune la lucru
împreună cunoştinţe, deprinderi şi competenţe dobândite prin studierea
diverselor discipline.
Toate cele enumerate au condus la necesitatea elaborării acestei
lucrări ce cuprinde şi o propunere de curriculum la decizia şcolii cu o mai
mare deschidere către lumea reală, către viaţă, aşa cum este trăită de cei
ce învaţă: plină de necunoscute şi de provocări.
CAPITOLUL I
FUNDAMENTELE PSIHOPEDAGOGICE ALE ABORDĂRII INTERDISCIPLINARE ÎN STUDIUL FIZICII
I.1 Interdisciplinaritatea ştiinţelor şi a cunoaşterii ştiinţifice
Majoritatea teoriilor actuale ale instruirii demonstrează prioritatea
metodei de însuşire a unor informaţii cu caracter coerent şi integrat în
jurul unui concept ştiinţific, informaţii care pot fi aplicate si valorificate
în diferite clase cu gradul de complexitate corespunzător. Astfel de
informaţii contribuie la formarea cunoştinţelor teoretice, a capacităţilor
7
de gândire independentă şi a ideilor ce constituie reperele învăţământului
general, afirmă T.Husen şi T. Postlethwait [1].
În învăţământul „clasic”, de multe ori obiectivele şi metodele
utilizate de profesori pentru asimilarea conţinuturilor ştiinţifice puneau
elevii în faţa unui mozaic de informaţii. Asistăm la o segmentare a
culturii transmise elevilor, la izolarea unei discipline faţă de celelalte,
fiecare dintre ele închizându-se în sine, blocând culoarele de comunicare,
organizându-se detaşat de corpul general al cunoştinţelor şi conducând
astfel la o dispersare a spiritului uman, constată J. Piaget şi R. Garcia [2].
Italianul G. Gazzer defineşte în 1983 interdisciplinaritatea ca pe
„un concept încă neclar definit”. El nu vizează aspectele epistemologice,
teleologice sau metodologice, ci modurile promovării acestui nou
principiu în structura conţinuturilor învăţământului la nivelul politicii
şcolare [3].
Pentru unii, acest „meteor al pedagogiei” venit din sfera
epistemologiei ştiinţelor a apărut ca direcţie fecundă de lucru, ca
principiu de aplicat, ca purtător de soluţii şi de ameliorări.
Părerea lui P. Szebeni e că dacă nu avem temeiuri să prezentăm
introducerea interdisciplinarităţii în conceperea conţinuturilor şi a
proceselor de predare-învăţare ca „o nouă pedagogie, o pedagogie a
unităţii”, nu avem nici dreptul de a minimaliza anvergura transformărilor
care trebuie aduse planurilor, programelor şi manualelor şcolare sau
proiectării diferitelor tipuri de activităţi didactice [4].
În plan teoretic este necesară precizarea obiectivului şi definirea
interdisciplinarităţii. Conform dicţionarului de pedagogie,
interdisciplinaritatea este „un raport de întrepătrundere (cooperare –
coordonare) între disciplinele de învăţământ, între structurile conţinutului
8
educativ corespunzător organizării moderne a tipului de instituţie de
învăţământ” [5].
În funcţie de ce anume integrăm (cunoştinţe, deprinderi,
competenţe, valori, atitudini) şi cât de mult integrăm (inserţie,
armonizare, corelare, intersectare, fuziune), putem distinge câteva
niveluri în abordarea integrată a curricum-ului.
a) monodisciplinaritatea – centrată pe obiectele de studiu
independente, considerate izolate;
b) pluridisciplinaritatea – formă puţin dezvoltată a
interdisciplinarităţii, constând în juxtapunerea anumitor elemente ale
diverselor discipline, care doar colaborează;
c) transdisciplinaritatea – întrepătrunderea mai multor discipline
susceptibile să ducă, în timp, la constituirea unei noi discipline sau a unui
nou domeniu al cunoaşterii;
d) interdisciplinaritatea – coordonarea într-un concept de înalt
grad; axiomatică ce este comună unui grup de discipline înrudite; este
definită la nivel ierarhic superior; în raport cu transdisciplinaritatea este o
formă mai puţin dezvoltată a comunicării, coordonării şi integrării unor
discipline [5].
M. Stanciu spune că, departe de a fi un “simptom patologic”
(afirmatia apartine lui G. Gusdorf) în evoluţia spiritului uman,
promovarea interdisciplinarităţii constituie una dintre trăsăturile
definitorii ale progresului ştiinţei contemporane. Perspectiva
interdisciplinară se explică prin mai multe categorii de argumente
interdependente.
9
1. De ordin ontologic. În plan existenţial, ca manifestare în spaţiu
şi timp, lumea ni se dezvăluie - cel puţin la nivelul ştiinţei contemporane
- ca o totalitate.
2. De ordin epistemologic. Interdisciplinaritatea rezultă din
această valorizare în plan epistemologic a ideii de totalitate ontologică. S.
N. Smirnov remarca în acest sens că “fundamentul epistemologic al
interdisciplinarităţii ţine de unitatea întregii cunoaşteri ştiinţifice, cu alte
cuvinte, de unitatea crescândă a structurii epistemologice a ştiinţelor” [6].
3. De ordin social. Dinamica fenomenelor vieţii sociale se înscrie
pe coordonatele aceleiaşi logici a complexităţii, dar şi a integrării
diverselor sfere şi paliere. Procesele de socializare a naturii, precum şi
problematica lumii contemporane reclamă cu necesitate o gândire
interdisciplinară.
4. De ordin psihopedagogic. Acest aspect poate fi înţeles şi
rezolvat corect în planul practicii educaţionale, dacă interdisciplinaritatea
nu este ruptă de dinamica ştiinţei şi vieţii sociale.
Astfel:
• conţinuturile învăţământului trebuie structurate ţinându-se
cont de logica ştiinţei, de mutaţiile care au loc în ştiinţa contemporană;
deşi se pleacă de la aceste elemente, concretizarea conţinuturilor reclamă
o logică didactică, cu particularităţi distincte;
• abordarea în manieră cibernetică a procesului de
învăţământ (input şi output) are implicaţii şi în plan psihopedagogic;
• educaţia ca activitate sistematică şi organizată presupune o
anumită coerenţă și unitate. Elevul - ca fiinţă umană în devenire – este o
totalitate, un întreg şi de aceea activitatea în plan educaţional nu trebuie
să piardă din vedere acest fapt. Mai mult, fiecărui om îi este caracteristică
10
această aspiraţie către propria sa viziune despre lume (S.
Weltanschauung), pe care procesul educativ trebuie să o satisfacă;
• procesul de învăţământ, articulat cu structurile educaţiei
nonformale şi informale, trebuie să reflecte în conţinuturile sale
caracterul de sistem, unitatea ştiinţei contemporane, precum şi relaţiile
paradigmatice, de ordin logic ale diferitelor discipline ştiinţifice;
• printr-un efort interdisciplinar, procesul de învăţământ
trebuie să valorizeze din punct de vedere educativ întreaga realitate
înconjurătoare a elevului, oferindu-i acestuia o varietate de situaţii
educative favorizante, dar şi permiţând realizarea sintezelor, sesizarea
dinamicii lumii văzute ca un tot, format din sisteme şi subsisteme
interdependente;
• procesul de învăţământ trebuie să ofere elevilor cât mai
multe situaţii pentru ca aceştia să ajungă la o riguroasă sistematizare a
materiei, la corelarea şi concentrarea logică a cunoştinţelor în jurul unui
sistem redus, dar esenţial, de noţiuni, de legi şi principii fundamentale,
altfel spus, accentul să fie pus pe codurile de referinţă şi interpretare;
• în documentul UNESCO, din 1976, se subliniază că
interdisciplinaritatea “apare ca o consecinţă a integrării tuturor tipurilor
de conţinuturi din perspectiva educaţiei permanente” [7].
Conform lui C. Cucoş (1996), interdisciplinaritatea prezintă două
categorii de funcţii:
epistemologice – dezvoltarea unor structuri de ordin
epistemologic sau îmbunătăţirea caracteristicilor generale calitative ale
cunoaşterii ştiinţifice;
sociale – elaborarea fundamentelor teoretice necesare
rezolvării problemelor importante de ordin social, aplicarea în domeniul
11
învăţământului, ştiinţei şi tehnologiei a unei politici coerente, strâns
corelată cu dezvoltarea socială şi economică [8].
Fundamentarea interdisciplinară se poate realiza la nivel teoretic
şi la nivel social.
La nivel teoretic, constată M. Ionescu şi I. Radu, fundamentul
interdisciplinarităţii se află sub influenţa a două aspecte: unul ontologic şi
unul epistemologic [9].
Sub aspect ontologic, interdisciplinaritatea se bazează, contrar
diversităţii formelor ei, pe unitatea esenţială a diferitelor domenii de
studiu ale ştiinţei.
Sub aspect epistemologic, fundamentul interdisciplinarităţii se
găseşte în unitatea întregii cunoaşteri ştiinţifice.
Interdisciplinaritatea, prin cele trei niveluri ale sale – aplicativ,
epistemologic şi de generarea de noi discipline – vizează transferul
metodologic dintr-o disciplină în alta, finalitatea sa fiind ea însăşi una
interdisciplinară.
Or, fundamentul teoretic al interdisciplinarităţii unifică aspectul
ontologic (în virtutea căruia interdisciplinaritatea se bazează pe unitatea
esenţială a diverselor domenii ale cunoaşterii ştiinţifice) cu aspectul
epistemologic (în virtutea căruia interdisciplinaritatea derivă din teoria
generală a sistemelor).
La nivel social există trei obiective fundamentale ale
interdisciplinarităţii:
integrarea crescândă în viaţa socială;
socializarea naturii;
internaţionalizarea vieţii sociale [9].
12
Înţelegerea şi explicarea complexităţii vieţii sociale contemporane
face din interdisciplinaritate un adevărat imperativ epistemologic.
Problemelor practice legate de fundamentele sociale amintite
interdisciplinaritatea le răspunde prin depăşirea graniţelor artificial create
între discipline.
Conceptul de interdisciplinaritate a fost definit dintr-o dublă
perspectivă:
epistemologică, prin intersecţia teoretico-metodologică a
disciplinelor în procesul de cercetare,
pragmatică, ca aplicare a soluţiilor elaborate prin
valorificarea mai multor ştiinţe la luarea unei decizii sau la proiectarea
unei acţiuni [9].
Conceptul pedagogic al interdisciplinarităţii valorifică ambele
perspective prezentate mai sus, unificându-le în contextul transpunerii
didactice cunoaştere – acţiune. Interdisciplinaritatea reprezintă o
modalitate de organizare a obiectivelor, conţinuturilor şi metodologiilor
învăţării cu implicaţii asupra întregii strategii de proiectare a
curriculumului, oferind o imagine unitară asupra fenomenelor şi
proceselor studiate în cadrul disciplinelor fizică, biologie, chimie şi
integralizarea tuturor componentelor definitorii ale celor trei discipline.
Interdisciplinaritatea în pedagogie reprezintă ansamblul relaţiilor
şi interacţiunilor dintre diferitele conţinuturi şi mesaje angajate la nivelul
unui demers educativ cu finalitate relevantă în planul formării –
dezvoltării personalităţii elevului.
Conceptul de interdisciplinaritate poate fi înţeles mai bine prin
comparaţie cu alte concepte corelative: monodisciplinaritatea,
multidisciplinaritatea, pluridisciplinaritatea, transdisciplinaritatea [10].
13
Monodisciplinaritatea reprezintă forma tradiţională de organizare
a conţinuturilor învăţării pe discipline predate relativ independent unele
de altele. Principalul avantaj este acela că oferă elevului siguranţa
avansării liniare, gradual ascendente, pe un traseu cognitiv bine delimitat.
Acest traseu poate conduce însă la “paradoxul enciclopedismului
specializat care include profesorul şi elevul într-o tranşee pe care şi-o
sapă ei înşişi şi care îi izolează de realitate pe măsură ce o adâncesc. În
devotamentul său pentru disciplină, profesorul tinde să treacă pe al doilea
plan obiectul prioritar al educaţiei: elevul în cauză” [11].
Multidisciplinaritatea reprezintă o formă mai puţin dezvoltată a
transferurilor disciplinare, care se realizează de cele mai multe ori prin
juxtapunerea anumitor cunoştinţe din mai multe domenii, în scopul
reliefării aspectelor comune ale acestora. Este o formă frecventă de
supraîncărcare a programelor şi a manualelor şcolare şi de pătrundere a
redundanţelor.
Pluridisciplinaritatea se referă la studierea unui subiect dintr-o
disciplină prin intermediul mai multor discipline deodată, ceea ce aduce
un plus disciplinei în cauză.
Prezintă avantajul abordării unui fenomen din diferite perspective,
reliefând multiplele sale relaţii cu alte fenomene din realitate.
Pentru nivelurile de şcolarizare care presupun un grad de
specializare mai înalt, această formă de organizare a conţinuturilor nu
este recomandată.
Transdisciplinaritatea priveşte ceea ce se află în acelaşi timp şi
între discipline ,şi înăuntrul diverselor discipline, şi dincolo de orice
disciplină. Ea este descrisă ca o formă de întrepătrundere a mai multor
discipline şi de coordonare a cercetărilor, astfel încât să poată conduce în
14
timp, prin specializare, la apariţia unui fenomen real de cunoaştere. În
contextul învăţării şcolare abordarea transdisciplinară se face, cel mai
adesea, din perspectiva unei noi teme de studiu. Transdisciplinaritatea
fundamentează învăţarea pe realitate, favorizează viziunea globală,
transferul cunoştinţelor în contexte diverse, îşi propune să răspundă la
întrebări sau să rezolve probleme semnificative ale „lumii reale”. Dar,
introdusă excesiv, prezintă pericolul acumulării de lacune, al lipsei de
rigoare şi de profunzime în cunoaştere [11].
Interdisciplinaritatea nu înseamnă doar tratarea de tip simultan a
unui fenomen din punctul de vedere al mai multor ştiinţe, ci şi o
abordare integrată şi integralistă a acestuia, fiecare ştiinţă aducând cu
sine propriul sistem conceptual, mod de gândire şi metode specifice de
cercetare şi reprezentare, accentul punându-se pe deprinderi, competenţe.
Principiul organizator nu mai este de regulă conţinutul, mult prea ancorat
în graniţele disciplinare, ci se trece la centrarea pe aşa numitele
competenţe transversale.
I.2 Interdisciplinaritatea – perspectiva diacronică şi concept educaţional modern
Promovarea interdisciplinarităţii la nivelul proceselor didactice şi
extradidactice, în condiţiile unui învăţământ conceput pe discipline şi
realizat de profesori cu pregătire monodisciplinară, constituie un exerciţiu
anevoios, dar extrem de util. Faptul că obiectivele sunt concepute pe
discipline nu constituie un impediment, întrucât, afirmă G.Văideanu:
a) există obiective comune mai multor discipline;
b) obiectivele complexe sau finalităţile educaţiei sunt mai greu de
operaţionalizat şi de realizat în cadrul unui învăţământ parcelat pe
15
discipline, atingerea lor presupunând o conjugare a resurselor educative
ale mai multor materii;
c) majoritatea cunoştinţelor sau informaţiilor acumulate de elevi
în afara procesului didactic au caracter tematic sau pluridisciplinar [35].
Promovarea spiritului interdisciplinar a avut loc în interiorul unui
învăţământ organizat pe discipline, ceea ce, desigur, a creat dificultăţi
suplimentare. Pe de o parte, disciplinele au fiecare obiectivele lor
specifice, iar pe de altă parte, cadrele didactice sunt formate într-un spirit
disciplinar şi foarte „disciplinat”. O sursă excelentă de stimulare a noului
spirit didactic constă într-o mai bună articulare a educaţiei formale, cu
cea non-formală şi in-formală [39]. Zona non- şi in-formală a educaţiei
câştigă teren în lumea contemporană şi ar fi regretabil şi periculos ca
şcoala să nu utilizeze această importantă resursă educativă, inclusiv
pentru promovarea spiritului cunoaşterii integrate şi interdisciplinare
[40].
I.3 Concluzii Competenţa şcolară este definită ca un ansamblu integrat de
resurse interne achiziţionate de elevi în procesul de cunoaştere/învăţare,
mobilizate pentru rezolvarea unor situaţii semnificative modelate
pedagogic.
Competenţa de cunoaştere ştiinţifică în context
inter/transdisciplinar, reprezintă un ansamblu integrat de resurse interne
ale elevului, comune disciplinelor şcolare Biologia, Fizica, Chimia, axate
pe interacţiuni ale raţionamentului dialectic, gândirii epistemologice,
utilizării adecvate a limbajului ştiinţific şi realizate prin comportamente
16
adecvate în vederea rezolvării unor situaţii semnificative modelate
pedagogic.
Motivaţia redusă, vizavi de disciplinele şcolare Biologia, Fizica,
Chimia sugerează ideea elaborării unui curriculum inter/transdisciplinar
care ar integraliza aceste discipline.
C.D.Ş., interdisciplinaritatea în cadrul unei arii curriculare poate
constitui un punct de plecare. Având în vedere cele arătate mai sus, se
poate considera că interdisciplinaritatea constituie un principiu ce trebuie
aplicat, o modalitate de gândire şi acţiune ce decurge din evoluţia ştiinţei
şi a vieţii economico-sociale.
Abordarea interdisciplinară are drept scop formarea unor
personalităţi moderne, cu gândire analitică, sistemică, cu capacităţi de
înţelegere profundă şi aptitudini de modelare a fenomenelor,a proceselor
din jur, fiind totodată un factor important de educare, orientare şi formare
profesională a elevilor - profesionişti ai viitorului [52-56].
CAPITOLUL II
TEORIA GENERALĂ A CURRICUMULUI EDUCAŢIONAL
II.1 Politici educaţionale şi politici ale schimbării în învăţământul preuniversitar
Orice elev este o persoană care are dreptul la educaţie şi trebuie
reconsiderat sprijinul pentru îmbunătăţirea educaţiei, avându-se în vedere
faptul că elevul este o persoană unică, el învaţă într-un ritm şi stil propriu.
Conform Declaraţiei de la Salamanca, “Şcoala .reprezintă
mijlocul cel mai eficient de combatere a atitudinilor de discriminare” [1],
17
un mijloc ce creează societăţi şi oferă educaţie pentru toţi. Menirea şcolii
este de “a asigura o educaţie eficientă pentru majoritatea copiilor şi
îmbunătăţeşte eficienţa şi rentabilitatea întregului sistem de învăţământ”.
Educaţia pentru toţi a fost definită în Declaraţia de la Salamanca
ca acces la educaţie şi calitate a acesteia pentru toţi copiii. Voi avea în
vedere cele două obiective generale ale acestei declaraţii:
1. Asigurarea posibilităţii participării la educaţie a tuturor
copiilor, indiferent de cât de diferiţi sunt ei.
2. Calitatea educaţiei – aici m-am gândit la găsirea acelor
dimensiuni ale procesului, ale conţinuturilor învăţării şi calităţii agenţilor
educaţionali care să sprijine învăţarea tuturor, să asigure succesul, să facă
sistemul deschis şi eficient.
Competenţele cheie europene s-au stabilit în programul de lucru
„Educaţie şi Formare 2010” adoptat de Consiliul Europei la Barcelona în
2002; acestea reprezintă un pachet transferabil şi multifuncţional de
cunoştinţe, abilităţi şi atitudini de care fiecare individ are nevoie pentru
dezvoltarea personală, incluziune socială şi inserţie pe piaţa muncii.
Acestea ar trebui sa fie dezvoltate până la sfârşitul şcolarităţii/ formării
obligatorii şi ar trebui să constituie o bază pentru formarea continuă.
Se are în vedere o revoluţionare a sistemului de învăţământ şi o
schimbare de optică a tuturor factorilor implicaţi în crearea şi asigurarea
educaţiei viitorilor cetăţeni.
Educaţia pentru toţi copiii este un imperativ pentru politicile şi
practicile educaţionale, se pot determina orientări şi direcţii noi, iar
pentru practici, schimbările cerute sunt de profunzime şi de orientare.
Aceste orientări au în vedere 4 componente:
18
1. Educaţia în general – care se referă la principii, proces, produs
şi beneficiari – elevii şi societatea în general;
2. Şcoala – educaţia şcolară, în care intră abordarea generală,
strategii, curriculum ş.a.;
3. Societatea – cu legăturile necesare între formele educaţiei şi
agenţii acesteia, tradusă prin nevoia de parteneriat social;
4. Individ – care este principalul beneficiar al educaţiei. Trebuie
pus accentul pe valorizarea fiecărei persoane, pe o abordare pozitivă,
umanistă a relaţiilor şi rolul fiecărui participant la procesul educaţional.
Gradul de civilizaţie al unei societăţi este determinat de gradul de
implicare al factorilor de decizie în educarea tinerei generaţii; trebuie
avute în vedere, în procesul de educaţie, nu numai obiectivele şi
competenţele cerute de programa de învăţământ, ci şi de competenţele
native ale elevului. În timpul alocat orelor de şcoală se are în vedere
însuşirea unor deprinderi de cooperare, parteneriat, învăţare socială,
valorizare a relaţiilor pozitive, umaniste, şi, nu în ultimul rând, a
cunoştinţelor care să îi creeze o cultură generală în concordanţă cu
societatea modernă în care trăim.
II.2 Educaţia, componentă a existenţei socio-umane
Trecerea de la obiectivele politicii educaţionale la conţinuturile
propriu-zise necesită definirea clară a profilului educaţional (de
formare) aşteptat la sfârşitul curriculum-ului. Acesta este un „portret al
elevului” la finalul pregătirii lui, cuprinzând cunoştinţele, competenţele,
atitudinile care vor alcătui apoi suportul programelor şcolare.
Profilul educaţional este un punct sensibil în stabilirea unui
curriculum, atunci când se trece de la idealul şi scopurile educaţiei la
19
stabilirea conţinuturilor educaţiei, la precizarea a ce cunoştinţe,
deprinderi, priceperi sau comportamente concrete să se realizeze practic,
cum anume şi prin ce. Scopurile educaţiei se traduc într-un profil al
elevilor pe anumite trepte ale şcolarităţii, pe diferite dimensiuni ale
personalităţii, pe domeniile vieţii. Profilul educaţional este o componentă
care reglează curriculum naţional, pentru că descrie aşteptările faţă de
absolvenţi. El este o schiţă, un model de atins, pe care educatorii îl
concretizează în cunoştinţe, capacităţi, competenţe, atitudini.
Curriculum-ul Naţional prezintă un model al profilului de formare
pentru învăţământul obligatoriu, pe opt dimensiuni în obiective specifice
şi de referinţă. absolvenţii învăţământului obligatoriu trebuie să:
demonstreze gândire creativă prin formarea şi utilizarea
unor deprinderi de judecată critică, prin ameliorarea unor
strategii proprii de rezolvare a problemelor;
să folosească diverse modalităţi de comunicare în situaţii
reale prin utilizarea deprinderilor de comunicare variată;
să înţeleagă sensul apartenenţei la diverse tipuri de
comunităţi;
să demonstreze capacitate de adaptare la diferite situaţii;
să contribuie la construirea unei vieţi de calitate;
să înţeleagă şi să utilizeze tehnologiile în mod adecvat;
să-şi dezvolte capacităţile de investigare şi să-şi valorizeze
propria existenţă;
să-şi construiască un set de valori individuale şi sociale şi
să orienteze comportamentul şi cariera în funcţie de
acestea.
20
II.3. Orientări şi practici noi în organizarea curriculum-ului: interdisciplinaritate, organizare modulară, organizare de tip integrat, curriculum diferenţiat şi personalizat
Conţinuturile sunt organizate în curriculum sub forma
disciplinelor şcolare pentru domenii de sine stătătoare, pluridisciplinare,
interdisciplinare sau pe probleme integrate şi de sinteză pe teme generale
[8].
Aceasta presupune o transpunere a logicii ştiinţei în logica
didactică, ordonarea şi structurarea informaţiilor ştiinţifice, a temelor,
disciplinelor şi activităţilor de învăţare, cu respectarea particularităţilor de
vârstă şi individuale. Deci, ordonarea conţinutului curricular este
raportată la criteriile psihologice ale învăţării şcolare. Aceste criterii se
referă la organizarea internă a unui conţinut tematic delimitat conform
cerinţelor etapelor învăţării, stilului elevilor, experienţelor acumulate
anterior, posibilităţilor de combinare a lor pentru înţelegere, analiză şi
dezvoltare, a semnificaţiilor şi sensurilor găsite, a motivaţiei învăţării.
II.3.1 Organizarea interdisciplinară a curriculum-ului Interdisciplinaritatea – interacţiunea existentă între două sau mai
multe discipline, care se realizează pornindu-se de la simpla comunicare
de idei până la integrarea conceptelor fundamentale privind
epistemologia, terminologia, metodologia, procedeele, datele şi
orientarea cercetării. Organizarea interdisciplinară constă în selectarea
unui domeniu din mediul natural şi social şi „gruparea cunoştinţelor
derivate din diferite discipline ştiinţifice în funcţie de relevanţa lor pentru
cunoaşterea integrală şi acţiunea umană asupra domeniului respectiv” .
Modalitatea de introducere a acestui model de organizare în
21
învăţământ o constituie regândirea conţinuturilor, planurilor, programelor
şi manualelor şcolare în perspectiva conexiunilor posibile sub raport
epistemologic şi pedagogic. Organizarea din punct de vedere
interdisciplinar a curriculum-ului pune în evidenţă conexiunea dintre
discipline, coeziunea, unitatea şi globalitatea temei alese spre studiu. Se
va încerca realizarea unei sinteze a metodelor utilizate, a legilor
formulate şi a aplicaţiilor propuse. Interdisciplinaritatea vrea „să
străpungă barierele de protecţie pe care disciplinele le stabiliseră unele
împotriva altora.” [9]. Se va avea în vedere regândirea învăţării şi
evaluării în perspectiva educaţiei permanente, introducerea învăţării în
clasă, extinderea învăţării în grupe mici, introducerea instruirii asistate de
calculator, asocierea cu alte cu alte principii şi inovaţii specifice unui
învăţământ modern.
Organizarea interdisciplinară a conţinuturilor nu va duce la
abandonarea noţiunii de disciplină, ci acestea, cu metodele şi
epistemologia lor proprie sunt necesare pentru o mai bună înţelegere a
lumii şi pentru o formare intelectuală sistematică. Avantajul este că
organizarea conţinuturilor din această perspectivă favorizează transferul
de cunoştinţe şi rezolvarea de noi probleme, permiţând o vedere generală
şi o decompartimentare a cunoaşterii umane. Ca dezavantaj – tratarea
interdisciplinară trebuie să evite tendinţa de generalizare abuzivă şi
însuşirea unor „cunoştinţe şi deprinderi dezlânate” [9].
II.3.2 Organizarea de tip integrat a conţinuturilor Acest mod de organizare a curriculum-ului este asemănător celui
interdisciplinar, deoarece obiectul de învăţământ are ca sistem de
referinţă o tematică unitară, comună mai multor discipline. Predarea
integrată a disciplinelor este o strategie interdisciplinară de organizare a
22
conţinuturilor şi a întregului proces de predare – învăţare.
Predarea integrată a ştiinţelor se întemeiază pe două sisteme de
referinţă:
a) unitatea ştiinţei – universul este un tot unitar, deci trebuie
abordat global pentru a explica ansamblul fenomenelor.
b) procesul de învăţare la elev – acesta are tendinţa naturală de a
aborda realitatea din punct de vedere global, asemănător omului de
ştiinţă, fără separarea şi includerea celor constatate în domenii disparate
(fizică, biologie, chimie etc.). Această realizare psihologică însă, nu este
satisfăcută nici de organizarea conţinuturilor, nici de metodele de predare
– învăţare decât într-o mică măsură.
Predarea integrată a ştiinţelor este un principiu natural al învăţării.
Unii autori propun predarea şi învăţarea ştiinţelor astfel încât „la o
extremă (învăţământul preşcolar şi primar), să se caracterizeze printr-o
integrare completă, iar la cealaltă extremă (învăţământul universitar), o
separare pronunţată” .
Între cele două extreme se pot afla numeroase modalităţi de
integrare sau separare a disciplinelor ştiinţifice. Cele mai prezente
modalităţi de integrare sunt:
a) integrarea conţinuturilor care aparţin diferitelor subdiviziuni ale
unei discipline ştiinţifice – ex. – fizica nu va mai fi tratată ca o
serie de teme sau discipline separate (mecanică, optică,
termodinamică…);
b) integrarea a două sau mai multe domenii mai mult sau mai
puţin egale – ex. – ştiinţa despre pământ ar integra astronomia,
geografia, fizica etc.
23
c) integrarea a două sau mai multe discipline, cu preponderenţa
uneia dintre ele – ex. – proiecte integrate de fizică, dar şi cu
elemente de chimie, astronomie;
d) una dintre modalităţile de mai sus, corelată cu integrarea unei
discipline neştiinţifice (ex. fundamentele fiziologice ale ştiinţei).
În viziune curriculară, predarea integrată trebuie abordată atât la
nivelul organizării conţinuturilor cât şi la nivelul transmiterii şi asimilării
lor, adică realizarea unor interferenţe între curriculum-ul şcolar şi cel
extraşcolar (nonformal) – parteneriat şcoală - comunitate.
II.3.3 Organizarea modulară a curriculum-ului Modulul didactic este alcătuit din seturi de cunoştinţe, situaţii
didactice, activităţi şi mijloace destinate învăţării, elaborându-se pe
activităţi de învăţare şi nu pe materii de studiu. Modulul didactic este un
ansamblu de elemente educaţionale specifice care poate fi parcurs în mod
independent de tot restul sistemului din care face parte.
Conform concepţiilor lui D’Hainaut [10], modulul didactic
satisface patru criterii fundamentale:
1) să definească un ansamblu de situaţii de învăţare;
2) să vizeze obiective bine definite;
3) să propună probe de verificare aceluia care învaţă pentru a
realiza feedback-ul;
4) să se poată integra în diversele contexte ale învăţării.
Durata unui modul didactic poate varia între câteva ore şi câteva
luni. Caracteristica sa esenţială este personalizarea sa, adică este centrat
pe nevoile şi posibilităţile cursantului, este adaptat intereselor sale
cognitive, ritmului său de lucru, şi stilului său de învăţare.
Structura unui modul cuprinde trei componente:
24
a) Sistemul de intrare – cataloagele modulului, obiectivele
vizate şi pretestul.
b) Corpul modulului – mai multe submodule, fiecare
conţinând obiectivele, situaţiile de învăţare, sinteza şi
proba intermediară.
c) Sistemul de ieşire – sinteza generală, proba terminală,
recuperarea generală sau propuneri de aprofundare şi
recomandări pentru alegerea modulului următor.
Avantajele organizării modulare – individualizarea învăţării,
asigură flexibilitate şi deschidere, asigură accesul tuturor la educaţie şi
reconciliază toate cele trei tipuri de educaţie: formală, nonformală şi
informală.
Dezavantaje – presupune schimbări majore în toate aspectele
acţiunii educative; unele domenii educative permit mai greu organizarea
modulară; sunt mai greu de realizat şi de pus în funcţiune ghidurile,
cursul sau programul pedagogic, testele de evaluare.
Toate acestea militează pentru o introducere progresivă a
structurilor modulare, prin combinare cu organizarea tradiţională.
II.3.4 Organizarea diferenţiată şi personalizată a curriculum-
ului Organizarea diferenţiată şi personalizată a curriculum-ului are
drept scop adaptarea procesului de predare – învăţare la aptitudinile
elevului, la nivelul intereselor cognitive, la ritmul şi stilul său de învăţare.
Prin acest mod de organizare se trece de la „o şcoală pentru toţi”, la „o
şcoală pentru fiecare” [11]. Din perspectiva educatorului, diferenţierea se
referă la conţinuturi, metode de instruire, mediul psihologic şi standardele
de performanţă. Din perspectiva celui care învaţă, diferenţierea
25
experienţei de învăţare se referă la extensiunea cunoştinţelor,
profunzimea înţelegerii, ritmul şi stilul de învăţare.
Diferenţierea curriculum-ului se face prin următoarele acţiuni:
a) adaptarea conţinuturilor (atât calitativ cât şi cantitativ –
conexiuni, interese şi stil de învăţare) la o anume categorie
de elevi;
b) adaptarea la principalele procese psihice vizate de
curriculum-ul specific (nivelul gândirii, învăţarea
independentă, comunicarea inter şi intrapersonală,
procesele afective);
c) adaptarea condiţiilor mediului de muncă (ambianţa,
stimularea, respectarea dorinţelor, comunicarea empatică
şi cooperarea);
d) raportarea la procesele proiectate şi realizate, la
instrumentele utilizate, la procesele psihice angajate, şi la
conţinutul informaţional însuşit.
Formele de organizare administrativă a curriculum-ului diferenţiat
şi personalizat cuprind:
1. grupe omogene de elevi, formate pe criterii aptitudinale –
pot fi în cadrul aceleiaşi clase, clase distincte sau în şcoli speciale;
2. accelerarea studiilor, îmbogăţirea cu programe de educaţie
formală şi nonformală. Această accelerare poate îmbrăca diverse forme:
admiterea devansată în clasa I, sărirea claselor, scurtarea ciclului şcolar,
sistemul creditelor, accelerarea studiilor la o singură disciplină, orar
individualizat, ore suplimentare, sistemul de tutoriat, educaţia la distanţă
şi invitarea la cursuri universitare. Aici putem avea trasee curriculare
alternative în diferenţiere: conţinuturi adaptate, organizarea
26
interdisciplinară, metode didactice adaptate, evaluarea elevilor prin
produsele activităţii, mijloace diferite de realizare ale aceluiaşi curs,
termene diferite de finalizare a sarcinilor, diversificarea resurselor
(informaţionale şi umane), aplicarea unor standarde de evaluare
specializate.
II.4 Concluzii Sunt necesare politici curriculare care să asigure acces şi
oportunităţi egale de pregătire profesională. Pregătirea cadrelor didactice
trebuie realizată interdisciplinar, predominante fiind competenţele
metacognitive şi competenţele didactice. Procesul de formare a
personalului didactic implică cultivarea unei viziuni critice, cu deschidere
către flexibilitatea solicitată de diversitatea nevoilor identificate de
literatura de specialitate. Descentralizarea curriculară trebuie realizată în
sensul responsabilităţii acordate cadrelor didactice în procesul de
elaborare şi de implementare curriculară.
CAPITOLUL III
LUMINĂ ŞI SUNET
III.1 Programa aplicată - propunere opţional interdisciplinar, clasa a XI-a, filiera vocaţională-muzică.
ARGUMENT
În contextul actual, când asistăm la o explozie informaţională,
este inutilă acumularea de informaţii fără o sintetizare a lor, fără abordări
aplicate care să-l ajute pe elev în formarea unei imagini unitare a realităţii
27
şi nu putem vorbi despre succes în educaţie fără o reconfigurare a
informaţiilor. Principala finalitate a educaţiei, se ştie, este să-i formeze pe
tineri pentru viaţă [1-3]. Indiferent de vocaţie, ştiinţele naturii contribuie
la formarea culturii generale şi, aşa cum spunea Einstein, „cel mai frumos
dar al naturii e plăcerea pe care ţi-o dă când contempli şi înţelegi”.
Propun în special tinerilor ce studiază muzica acest opţional,
pentru că studiul ştiinţelor încetează pentru acest profil, conform planului
cadru propus de MECTS, începând din clasa a XI-a. În oferta
educaţională am abordat interdisciplinar temele propuse, având în vedere
următoarele argumente:
necesitatea creării de conexiuni între discipline pentru a evita
rigiditatea şi unilateralitatea în gândire şi pentru formarea
gândirii flexibile şi dinamice, capabile să producă cele mai
surprinzătoare soluţii şi să ia cele mai bune decizii [4-5];
lumea reală este interactivă şi achiziţiile învăţării trebuie să fie
în raport cu viaţa reală. Doresc să le facilitez elevilor
posibilitatea transferului noţiunilor învăţate din plan cognitiv
în plan acţional – comportamental, acţiune ce stimulează
participarea şi succesul în învăţare [6-7];
promovează colaborarea: colaborare atât între profesori, care
proiectează şi derulează în echipă activităţile interdisciplinare,
cât şi între elevi, prin utilizarea unor strategii didactice bazate
pe participarea elevilor în procesul de învăţare (activitate în
laborator, învăţare bazată pe proiect, portofoliu etc.) [8-10].
28
COMPETENŢE SPECIFICE ŞI EXEMPLE DE ACTIVITĂŢI DE
ÎNVĂŢARE
1. Utilizarea unor noţiuni, concepte, legi şi principii
specifice ştiinţelor
Competenţe specifice La sfârşitul clasei a XI-a elevul va fi capabil:
Activităţi de învăţare Pe parcursul clasei a XI-a se recomandă următoarele activităţi:
1.1. să cunoască noţiunile generale despre lumină şi văz, producerea sunetului, percepţia vizuală şi auditivă, definirea undelor, clasificarea lor şi mărimile caracteristice 1.2. să identifice sunete după mărimile caracteristice (calitatea sunetului) 1.3. să identifice sursele de informare corectă în probleme de calitatea sunetului 1.4. să cunoască aplicabilitatea practică a noţiunilor însuşite
- producerea sunetului - punerea în evidenţă a undelor longitudinale şi transversale - analiza diferitelor sunete - observarea sunetului produs de un diapazon - vizionarea de filme didactice - realizarea de portofolii, proiecte, în echipă sau individual - consultarea diferitelor surse de informare şi discuţii privind „calitatea” informaţiei
2. Dezvoltarea capacităţii de investigare a realităţii
Competenţe specifice La sfârşitul clasei a XI-a elevul va fi capabil să:
Activităţi de învăţare Pe parcursul clasei a XI-a se recomandă următoarele activităţi:
2.1. să investigheze influenţa factorilor de mediu asupra sunetului prin metode ştiinţifice 2.2. să ofere soluţii practice cu privire la ameliorarea calităţii vieţii în condiţii de poluare sonoră 2.3 să realizeze prezentări multimedia referitoare la poluarea sonoră 2.4. să ofere soluţii practice de utilizare în practică a luminii, pentru îmbunătăţirea condiţiilor de viaţă.
- să determine viteza sunetului prin diferite medii - să studieze şi să compare percepţia sonoră la persoane de diferite vârste - identificarea surselor de poluare fonică - dezbateri pe tema – Măsuri în preîntâmpinarea efectelor negative ale poluării sonore - realizarea unor miniproiecte individuale sau de grup - participarea la concursuri de
29
referate şi comunicări pe teme de poluare - aprofundarea cunoştinţelor privitoare la celula fotovoltaică.
3. Investigarea şi rezolvarea unor probleme specifice
carierei muzicale pentru care se pregătesc elevii
Competenţe specifice La sfârşitul clasei a XI-a elevul va fi capabil să:
Activităţi de învăţare Pe parcursul clasei a XI-a se recomandă următoarele activităţi:
3.1. să înţeleagă şi să-şi explice mecanismul producerii şi percepţiei sunetului din punct de vedere fizic, chimic şi biologic 3.2. să cunoască şi să descrie în limbaj adecvat acustica muzicală 3.3.să descrie din observaţia directă funcţionarea instrumentului la care cântă 3.4. să formuleze măsuri de prevenire şi protecţie împotriva bolilor profesionale
-identificarea şi analiza mecanismului biologic de producere a sunetului -realizarea unor miniproiecte individuale sau de grup -realizarea de portofolii - prezentarea unor analize comparative cu privire la diferitele instrumente muzicale -realizarea unui studiu de caz cu privire la poluarea fonică
CAPITOLUL IV
EXTINDERI ASUPRA STUDIULUI CONVERSIEI
DIRECTE A ENERGIEI LUMINOASE ÎN ENERGIE
SOLARĂ PRIN EFECT FOTOVOLTAIC
IV.1 Necesitatea studierii surselor de energie
neconvenţionale în şcoala românească
Cercetarea privind studiul energiile alternative în şcoala
românească şi în special a conversiei energiei solare s-a desfăşurat în anul
2011 şi a avut ca scop validarea experimentală a următoarelor ipoteze
[1]:
30
I. Societatea românească este interesată de subiectul energiilor
alternative.
II. În şcoala românească subiectul conversiei energiei solare în
energie electrică este foarte puţin abordat.
III. Absolvenţii de liceu consideră utilă studierea conversiei energiei
solare atât din punct de vedere al schimbării mentalităţii privind
utilizarea energiilor alternative în detrimentul celor clasice cât şi
în vederea pregătirii viitorilor specialişti în domeniu.
Descrierea lotului:
Lotul experimental al cercetării a fost alcătuit dintr-un număr de
230 de persoane cu vârste de peste 18 ani absolvenţi de licee cu profile
diferite. Repartizarea repondenţilor în funcţie de profilul liceului este
următoarea:
Tabelul IV.1 Repartizarea repondenţilor în funcţie de profilul liceului
real uman/vocaţional tehnic
Tipul de şcoală absolvită de repondenţi 152 34 44
Este de remarcat că majoritatea celor care au răspuns
chestionarului sunt absolvenţii unui liceu cu profil real sau tehnic.
Repartizarea pe vârste a celor care au răspuns chestionarului, este
următoarea:
88 cu vârsta cuprinsă între 18 şi 25 de ani;
27 cu vârsta cuprinsă între 25 şi 30 de ani;
115 cu vârsta peste 30 de ani.
Metode, tehnici şi instrumente utilizate în cercetare
31
Cercetarea a fost realizată prin aplicarea unui chestionar alcătuit
din 12 itemi dintre care 11 itemi închişi şi un item deschis.
Analiza datelor statistice
Prima întrebare a studiului se referă la posibila energie a viitorului
în opinia celor intervievaţi (Care din următoarele tipuri de energie
credeţi că va constitui energia viitorului?). Aşa cum reiese din fig. IV.1
aproximativ 60% din cei care au răspuns sondajului au clasat energia
solară pe locul unu în topul energiilor viitorului devansând cu brio alte
forme de energie precum hidroenergia, energia eoliană sau cea nucleară.
Figura 1 Energia viitorului [1]
Un număr foarte mare din cei care au răspuns chestionarului (191
din 230 conform figurii IV.2), consideră că atingerea unui anumit nivel
de cunoştinte referitoare la modul de producere şi utilizare a energiilor
alternative schimbă comportamentul consumatorului de energie
orientându-l din zona consumului energiilor clasice în zona consumului
energiilor alternative. Acest fapt conduce indirect la ideea că o educaţie
adecvată într-un anumit domeniu produce efecte vizibile în timp. Aşadar
dacă se doreşte schimbarea unor mentalităţi şi a unor obiceiuri la nivelul
societăţii, acest lucru nu se poate face peste noapte iar cea mai sigură cale
32
pentru a obţine rezultate bune este să se înceapă acest demers încă din
timpul şcolii. În plus o informare corespuzătoare cu date concrete şi
explicaţii bine structurate despre fenomenele de bază implicate în
producerea energiilor alternative, despre avantajele şi dezavantajele
acestora sau despre evoluţia şi noutăţile domeniului, vor convinge de la
sine elevul, care devine în viitor un posibil consumator al unor astfel de
energii.
Figura IV.2 Percepţia privind existenţa unei legături între cunoştinţe
despre producerea energiei alternative şi comportamentul consumatorului
de energie [1]
Aşa cum reiese din datele culese, aproximativ 75% din cei
întrebaţi cunosc că la baza conversiei energiei solare în energie stă efectul
fotovoltaic. Intrepretând însă răspunsurile la următoarea întrebare (Cum
au fost dobândite informaţiile detinute despre conversia energiei solare?)
observăm că aceste informaţii precum şi alte cunoştinţe legate de
conversia energiei solare în energie electrică, au fost dobândite în
principal din surse plasate în afara şcolii, cum ar fi emisiuni radio, Tv,
ziare, reviste, diverse publicaţii etc. Conform graficului din figura IV.3,
numai 30% dintre cei care au răspuns, au astfel de informaţii obţinute în
33
şcoală deşi majoritatea covârşitoare a acestora sunt absolvenţi de licee cu
profil real sau tehnic.
Fig. IV.3 Modul în care au fost dobândite informaţiile deţinute despre
conversia energiei solare
Atunci când tratarea unui subiect nu se face printr-o abordare
completă a tuturor aspectelor ce îl vizează, într-un cadru academic, cu
date riguroase şi bine structurate, ci se face doar cu titlu infomativ aşa
cum se obişnuieşte într-o emisiune de radio sau Tv, există mari şanse ca
receptarea acelui subiect să nu se facă în mod riguros din punct de vedere
ştiinţific sau unele informaţii relevante să se estompeze în timp foarte
uşor. Aşa se explică de ce doar 9% din cei chestionaţi cunosc că există o
diferenţă între principiul de funcţionare al unui panou solar termic şi cel
al unui panou fotovoltaic (conform figurii IV.4), restul de 91%
confundând cele două noţiuni.
34
Figura IV.4 Apreciere asupra existenţei unor diferenţe în principiul de
funcţionare al unui panou solar termic faţă de unul fotovoltaic
În urma efectuării sondajului a reieşit că nici o formă de energie
alternativă nu este abordată complet în învăţământul gimnazial sau liceal
de la noi. Astfel peste 80% dintre cei întrebaţi nu au urmat în şcoală un
curs despre energiile alternative (conform figurii IV.5). Acest rezultat
dovedeşte că şcoala românească este deficitară la capitolul educaţie în
domeniul utilizării surselor de energie alternative. La nivel mondial
există însă un interes deosebit faţă de studiul energiilor alterantive [2-4].
Acest interes a început cu debutul crizei petrolului din anii ‘70 şi a
crescut în mod constant de atunci. Începând din acel moment, ideea de a
folosi surse alternative sau regenerabile de energie a început să câştige
teren şi a progresat până în punctul la care în şcolile tehnice şi universităţi
au apărut specialităţi în care absolvenţii acestora obţin diplome în
domeniul creării, instalării şi întreţinerii echipamentelor de producere a
diverselor forme de energie - solară, eoliană, geotermală etc. [5-6]. În
multe din ţările lumii moderne au fost incluse în curriculum şcolar, teme
ce vizează educaţia pentru o dezvoltare durabilă, bazată pe utilizarea
energiilor alternative şi au fost dezvoltate diverse programe ce oferă
elevilor posibilitatea de a primi în mod logic şi eşalonat la fiecare nivel
şcolar, o educaţie completă despre energie [7-9]. Din păcate la noi în ţară
35
nu există o viziune unitară şi o politica educaţională de ansamblu
referitoare la acest subiect [10].
Fig. IV.5 Numărul persoanelor care au urmat în şcoală un curs despre
energiile alternative
După părerea celor întrebaţi în acest chestionar, cauzele posibile
ale predării insuficiente a surselor de energie neconvenţionale în şcoala
noastră sunt în primul rând lipsa programelor şcolare corespunzătoare
(165), lipsa laboratoarelor cu dotări specifice (99) dar şi lipsa profesorilor
pregătiţi pentru acest domeniu (66) (figura IV.6).
Fig. IV.6 Cauzele posibile ale predării insuficiente în şcoală
a surselor neconvenţionale
36
În opinia majorităţii, studierea conversiei energiei solare în
energie electrică în liceu şi gimnaziu se face insuficient [11-12]. În plus
se extrapolează cumva ideea că dacă subiectul conversiei energiei solare
nu se studiaza la nivel de gimnaziu sau liceu, atunci nici la nivel de
facultate nu se face acest lucru. Aşa se explică de ce mai puţin de
jumătate din cei chestionaţi (doar 40% ) cred că nu există la noi în ţară
facultăţi la care să se studieze energia solară. În schimb surprinzător este
că un procent destul de mare din cei care au participat la studiu, aproape
60%, consideră că la noi în ţară se face cercetare în domeniul celulelor
solare.
Expansiunea rapidă a energiei regenerabile şi necesitatea creşterii
eficienţei energetice în acest domeniu a dus la crearea unui deficit, la
nivel global, de personal instruit pentru necesităţile acestui sector şi la
apariţia unor oportunităţi de carieră în domeniu. La nivel european
conform unui studiu efectuat de European Fotovoltaice Industry
Association, energia solară utilizată ar putea furniza până în 2020, 12%
din cererea de electricitate din Europa, fapt ce ar duce şi la crearea de
aproximativ 2 milioane de locuri de munca in domeniu. În acest context
un număr foarte mare din cei chestionaţi (85% ) consideră că studiul la
liceu a conversiei energiei solare în energie electrică poate constitui
premisa pregătirii unor viitori specialişti în domeniu.
37
Fig. IV.7 Necesitatea studierii conversiei energiei solare la liceu ca
premisă a pregătirii viitorilor specialişti
Fig. IV.8 Apreciere asupra nevoii studierii în şcoală a conversiei
energiei solare
Majoritatea celor care au răspuns întrebărilor (88%), sunt de
părere că este necesar ca în şcoală să se studieze conversia energiei solare
în energie electrică. Dintre aceştia 157 de persoane consideră liceul ca
fiind nivelul şcolar cel mai potrivit pentru studierea acestui subiect.
Există însă şi păreri care pledează pentru abordarea subiectului la
gimnaziu (30 persoane) sau facultate (18 persoane).
38
În urma celor observate şi analizate pe baza aplicării acestui
chestionar, se trage concluzia că includerea studierii energiilor alternative
în curriculum şcolar este necesară deoarece:
• Conduce la o informare corectă şi completă în domeniul surselor de
energie nepoluante şi inepuizabile [13-14].
• Schimbă mentalitatea oamenilor de a utiliza cu precădere energia
provenită din surse clasice şi determină o apropiere a acestora de
tendinţele ecologice actuale.
• Creează competenţe şi formează specialişti, oferind absolvenţilor
posibilitatea ocupării unui loc de munca într-un domeniu aflat în
continuuă expensiune.
• Printr-un parcurs continuu de-a lungul diverselor etape de
învăţământ (gimnaziu, liceu facultate) se formeză o bază din care se
pot desprinde cu uşurinţă specialişti care prin cercetare pot inova şi
dezvolta domeniul [15].
• Creează în rândul populaţiei imaginea că şcoala este o instituţie
modernă şi dinamică, capabilă să se adapteze la evoluţia, cerinţele şi
aşteptările societăţii actuale.
39
Fig. IV.9 Utilitatea introducerii în curriculum scolar a studiului
conversiei energiei solare
Se constată deasemenea că în şcoală romanească subiectul
conversiei energiei solare este destul de slab abordat, deşi societatea este
interesata de subiect, iar evoluţia economică pe plan mondial se îndreaptă
catre utilizarea unor energii alternative în care cea solară ocupă la rândul
sau un loc important.
În aceste condiţii considerăm că este necesară intensificarea
eforturile de transmitere a cunoştintelor legate de conversia energiei
solare în energie electrică către tânăra generaţie. Saltul pe care urmează
să-l realizeze societatea în vederea utilizării energiilor alternative şi în
speţă a energiei solare, depinde într-o mare măsură de calitatea pregătirii
viitoarelor generaţii de specialişti în acest domeniu, de creşterea gradului
de cultură, de conştientizare şi de schimbare a mentalităţilor în domeniul
40
energetic în rândul copiilor ca principali actori ai lumii de mâine.IV.2.
Efectul fotovoltaic
Efectul fotovoltaic apare la interacţia luminii cu un
semiconductor, dacă sunt îndeplinite două condiţii:
1. Lumina puternic absorbită să genereze particule mobile (electroni,
goluri, excitoni, polaroni etc.) care se pot mişca prin solid prin
transport direct în benzi energetice sau prin hopping;
2. Să existe un câmp electric care să separe purtătorii de sarcină
proveniţi din fotogenerarea directă sau din disocierea excitonilor
creaţi de lumină şi să-i pompeze în circuitul exterior.
La circuit deschis structura se polarizează cu tensiunea VOC,
numită tensiune de mers în gol, şi ca urmare prin structură va trece un
curent de întuneric de sens opus curentului generat de lumină. Curentul
de scurtcircuit de densitate jSC este chiar fotocurentul (curentul generat de
lumină). In prezenţa luminii, prin structură va trecere un curent de
densitate j (printr-o rezistenţă de sarcină), puterea fiind negativă, ceea ce
din punct de vedere termodinamic corespunde unui generator de energie.
IV.2.1 Stadiul actual al cunoaşterii în domeniul celulelor
solare Energia şi mediul înconjurător reprezintă două provocări majore
pentru omenire şi sunt strâns corelate între ele. Peste 80% din resursele
energetice ale societăţii sunt asigurate de combustibili fosili, petrol şi
gaze naturale. Aceste resurse sunt limitate iar bioxidul de carbon şi
gazele toxice care rezultă din arderea acestor combustibili cauzează
probleme serioase de mediu. În acest context comunitatea ştiinţifică şi-a
41
îndreptat atenţia spre utilizarea de resurse energetice curate şi
regenerabile.
Energia solară întruneşte aceste condiţii şi se depun eforturi
importante pentru dezvoltarea de tehnologii care să permită conversia
acesteia în alte forme de energie. Dispozitivele fotovoltaice constituie o
componentă semnificativă în acest demers. Prima aplicaţie practică a
celulelor fotovoltaice a fost făcută pe un satelit american în 1955.
Eficienţa celulelor fotovoltaice este un factor esenţial în vederea obţinerii
de cât mai multă energie electrică în urma procesului de conversie.
Materialele semiconductoare anorganice au permis obţinerea de
eficienţe ridicate (25% pentru o celulă din siliciu monocristalin şi în jur
de 40% pentru celule cu mai multe joncţiuni, cu materiale având benzi
interzise diferite – Ge(0.66 eV), GaAs(1.23 eV) şi GaInP(1.85 eV)) [16].
Pe de altă parte costul lor de fabricaţie este ridicat ceea ce a determinat
utilizarea lor în special în cosmos pe sateliţi, în zone izolate sau
îndepărtate pe pământ, locuinţe, dispozitive portabile. Pe măsură ce
preţul dispozitivelor fotovoltaice scade acestea pătrund pe arii de utilizare
din ce în ce mai mari. Materialele anorganice, însă, presupun în
continuare preţuri ridicate pentru fabricarea lor (creşterea de cristale şi
procesarea la temperaturi mari sunt costisitoare).
Materialele organice (în special cele polimerice) permit
dezvoltarea unor tehnologii mai ieftine decât în cazul materialelor
anorganice. Câteva argumente în acest sens: fabricarea straturilor subţiri
poate fi făcută direct din soluţie (de exemplu prin tehnica de spin-
coating); flexibilitatea lor permite producţia şi instalarea pe scară largă;
temperatura de procesare este joasă ceea ce permite integrarea celulelor
42
plastice cu alte produse; proprietăţile chimice şi optoelectronice ale
polimerilor se pot ajusta prin modificări la nivel molecular.
Într-o celulă fotovoltaică organică de tip donor-acceptor (D/A)
conversia fotoelectrică este realizată în cinci etape consecutive [17,18]:
-Absorbţia fotonilor şi formarea excitonilor
-Difuzia excitonilor spre interfaţa D/A
-Separarea sarcinii la interfaţă
-Transportul sarcinii către anod (goluri) şi catod
(electroni)
-Colectarea sarcinii de către electrozi
Diagrama nivelurilor energetice din Figura IV.12 relevă
caracteristicile ambelor tipuri de celule (cu materiale organice şi
anorganice).
Fig. IV.12 Diagrama energetică pentru (a) celulă cu un singur semiconductor
anorganic, (b) celulă cu joncţiune p-n pe bază de semiconductori anorganici,
(c) celulă cu un singur material organic (celulă Schottky), şi (d) celulă de tip
heterojoncţiune donor-acceptor cu materiale organice (celulă Tang).
43
În principiu materialele vor captura cel mai eficient acei fotoni
care au aproximativ energia egală cu lărgimea benzii interzise
corespunzătoare materialului respectiv. Semiconductorii anorganici
utilizaţi de obicei formează benzi de conducţie şi benzi de valenţă, unde
purtătorii de sarcină sunt delocalizaţi şi transportaţi uşor, iar lărgimile
benzilor interzise sunt tipic situate între 1-2eV (de exemplu 1.1 eV pentru
Si, 1.34eV pentru GaAs). Majoritatea semiconductorilor organici au
benzi interzise mai mari de 2eV ceea ce înseamnă că energia fotonilor (1-
2 eV) din cea mai intensă zonă a spectrului solar în condiţii AM1.5 nu
este suficientă pentru obţinerea unei absorbţii eficiente în materialul
organic.
IV.2.2 Studiul unei celule fotovoltaice din generaţia I-a Acest tip de celule (prima generaţie de celule fotovoltaice organice)
se caracterizează printr-o structură formată dintr-un singur strat de
semiconductor organic plasat între doi electrozi metalici cu lucruri de
extracţie diferite. La contactul dintre metalul cu lucru de extracţie mic şi
un strat organic tipic de tip p se formează o barieră Schottky (Figura
IV.13).
Fig. IV.13 Structura şi diagrama energetică a unei celule fotovoltaice organice
44
din prima generaţie.
Difuzia electronilor din metal în materialul organic de tip p
generează o regiune în care concentraţia golurilor a scăzut (regiune
sărăcită de goluri). Câmpul rezultat determină ridicarea nivelurilor
LUMO şi HOMO. Acest câmp poate să producă disocierea excitonilor
generaţi în zona sărăcită in purtători de sarcina majoritari, sau a celor care
difuzează în această zonă. Astfel, electronii generaţi sunt colectaţi de
electrodul cu lucru de extracţie mic iar golurile sunt transportate prin strat
spre electrodul cu lucru de extracţie mare. Majoritatea excitonilor
generaţi în afara zonei sărăcite nu contribuie la fotocurent deoarece au
lungimea medie de difuzie mică. Eficienţa unor astfel de celule este, în
consecinţă, foarte mică.
IV.2.3 Celule fotovoltaice organice cu dublu strat
donor/acceptor A doua generaţie de celule fotovoltaice se caracterizează printr-o
structură cu dublu strat D/A ca în Figura IV.14.
Fig. IV.14 Structura şi diagrama energetică a unei celule fotovoltaice de tip
heterojoncţiune cu dublu strat D/A (a doua generaţie).
Acest tip de heterojoncţiune cu dublu strat a fost încercat în practică
prima dată de către C. Tang în 1986 obţinând un randament de 1% [19].
45
Ulterior au fost investigate diverse combinaţii D/A găsindu-se cel mai
bun randament (1%) pentru PPV/C60 [20]. După cum se observă în
Figura IV.14, odată ce un exciton Frenkel generat în stratul donor sau
acceptor difuzează spre interfaţa D/A, electronii se vor transfera sau vor
rămâne pe nivelul LUMO al acceptorului iar golurile se vor transfera sau
vor rămâne pe nivelul HOMO al donorului. Diferenţa energetică dintre
nivelurile LUMO ale donorului şi acceptorului precum şi diferenţa dintre
nivelurile HOMO ale donorului şi acceptorului constituie motivul
principal datorită căruia excitonii vor disocia (se va separa sarcina) [17].
În continuare electronii şi golurile vor difuza spre electrozii
corespunzători ajutaţi şi de câmpul intern dintre aceştia mai rapid decât în
cazul celulelor cu un singur strat. Probabilitatea recombinării purtătorilor
este relativ mică datorită faptului că electronii şi golurile difuzează acum
în două regiuni separate. Totuşi, eficienţa acestui tip de celulă este
limitată din cauza lungimii de difuzie mici a excitonului.
IV.2.4. Celule fotovoltaice organice de tip
„heterojoncţiuni distribuite în volum” realizate prin amestecul
dintre doi polimeri cu comportare de donor, respectiv
acceptor O cale logică pentru a îmbunătăţi randamentul unei celule fotovoltaice
binare D/A este de a maximiza interfaţa D/A prin amestecarea celor două
materiale şi crearea la nivel intim de legături care să permită apariţia
heterojoncţiunilor D/A în întregul volum al stratului absorbant.
Dimensiunea regiunii de captură a fotonilor trebuie să aibă acelaşi ordin
de mărime cu lungimea medie de difuzie a excitonilor (între 5 şi 50 nm
pentru majoritatea semiconductorilor organici). Eficienţa unor astfel de
celule (a treia generaţie de celule fotovoltaice organice) s-a dovedit a fi
46
semnificativ mai bună decât în cazul când donorul şi acceptorul nu erau
amestecaţi. Până acum s-au studiat numeroase combinaţii donor/acceptor
(de exemplu MEH-PPV, MDMO-PPV, P3HT, P3OT folosite ca donor şi
CN-PPV, PCBM ca acceptor) [17,18] obţinându-se o eficienţă cuantică
internă aproape de unitate şi un randament global al celulei cuprins între
1% şi 6%. Eficienţa mai mare a celulelor de generaţia a treia faţă de cele
de generaţia a doua se datorează în primul rând reducerii pierderii de
excitoni ca urmare a măririi interfeţei D/A şi, de asemenea, reducerii
pierderii de fotoni deoarece straturile trebuie să fie acum mai groase
pentru a fi sub incidenţa a cât mai multor fotoni. Totuşi, pierderea sarcinii
poate deveni o problemă serioasă deoarece continuitatea de fază de la
orice regiune donoare sau acceptoare către anod sau catod se realizează
greu pentru un amestec de substanţe. Cu alte cuvinte purtătorii de sarcină
pot fi uşor capturaţi în regiuni izolate şi în final se pierd prin
recombinare. În plus, dacă donorul şi acceptorul sunt în contact direct cu
ambii electrozi recombinarea purtătorilor la interfaţa dintre materialul
organic şi electrod ar fi drastică şi rata colectării purtătorilor la electrozi
ar fi slabă. Această problemă poate fi diminuată utilizând o structură cu
trei straturi D-i-A unde stratul i poate fi obţinut prin codepunerea de D şi
A sau prin interdifuzia între D şi A [21].
IV.2.5 Celule nanostructurate cu ordonare bicontinuă Deşi cu celulele de generaţia a treia s-au realizat creşteri
semnificative ale eficienţei globale de până la aproximativ 5% [22]
rămân câteva dificultăţi foarte greu de depăşit. Separarea fazelor la scară
nanometrică, uniformitatea dimensională a regiunilor şi bicontinuitatea
fazelor sunt greu de realizat la structurile de tip amestec D/A. Stabilitatea
şi reproductibilitatea amestecurilor este de asemenea o problemă
47
deoarece morfologia amestecului este puternic dependentă de condiţiile
de procesare. În vederea minimizării pierderilor excitonilor şi a
purtătorilor de sarcină s-a găsit [23] că o nanostructură cu ordonare
bicontinuă este cea mai potrivită (Figura IV.18). S-au studiat până acum
diverse posibilităţi pentru a obţine astfel de structuri. În cazul celulelor
hibride anorganic/organic se utilizează un electrod nanostructurat (matrici
de nanofire sau nanotuburi dintr-un material anorganic) sensibilizat cu un
absorbant organic.
Fig. IV.18 Structura şi diagrama energetică a unei celule nanostructurate
cu ordonare bicontinuă (a patra generaţie)
Coloanele verticale cu donori şi acceptori din (a) pot fi nanofire
din semiconductori anorganici, nanotuburi de carbon, polimeri
semiconductori conjugaţi, nanotuburi de carbon dispuse vertical, nanofire
semiconductoare, sau straturi subţiri din semiconductor anorganic poros
depuse pe substrat care să joace rol de acceptor, pe de o parte, şi, pe de
48
altă parte, de suport pentru un polimer donor care umple porii [17].
Principalele probleme care apar în demersul fabricării acestor celule
(generaţia a patra) sunt legate de:
(1) - prepararea de tuburi/fire aliniate vertical şi uniform
distribuite pe substraturi pe care este depus electrodul transparent (ITO),
(2) - controlul lungimii diametrului nanofirului/nanotubului între
5-50nm şi al lungimii de peste 100nm,
(3) - obţinerea unei bune împachetări şi unei bune alinieri a
lanţului de polimeri conjugaţi în spaţiul restrâns dintre fire sau tuburi.
IV.3 Rezultate experimentale şi discuţii
În cele ce urmează prezint rezultatele obţinute de noi din studiul
unei celule solare cu jonctiune p-n din Si monocristalin, o parte din aceste
rezultate constituind obiectul lucrării: Teaching/Learning Photovoltaic
Effect in High School, Bostan CG, Dina N, Bulgariu M, Crăciun S,
Dafinei M , Chiţu C, Staicu I, Antohe S, Source: Romanian Reports in
Physics, Volume: 63, Issue: 2, Pages: 543-556, published: 2011.
IV.3.1 Studiul unei celule fotovoltaice din generaţia a I-a Subiectul utilizării a noi surse de energie în detrimentul celor
clasice este incitant şi de larg interes; de aceea poate fi propus elevilor
atât pentru pregătirea lor ca principali beneficiari ai utilizării unor astfel
de energii, cât şi pentru formarea şi dezvoltarea unei atitudini privind
protecţia mediului în rândul tinerei generaţii [27-29].
Conform recomandărilor Consiliul Europei trebuie ca legislaţia
fiecărui stat să recunoască şi să respecte diferenţele individuale [30-31].
Copiii talentaţi, ca şi alte categorii, necesită condiţii educaţionale
speciale, pentru a-şi dezvolta pe deplin disponibilităţile aptitudinale.
49
Sistemul şcolar existent trebuie să fie flexibil în suficientă măsură,
pentru a satisface nevoile specifice copiilor performeri şi talentaţi.
În acest sens, se impune organizarea de activităţi de iniţiere a
elevilor în cercetarea ştiinţifică, având ca scop:
dezvoltarea, prin activităţi de cercetare şi de creaţie
ştiinţifică a competenţelor elevilor cu aptitudini creative şi
interes sporit pentru un anumit domeniu de cercetare
ştiinţifică;
dobândirea de cunoştinţe suplimentare în diverse domenii,
familiarizarea cu metodele de cercetare ştiinţifică, cu
literatura de specialitate şi perfecţionarea deprinderilor de
muncă intelectuală.
În scopul dezvoltării capacităţii de cercetare ştiinţifică a elevilor
de liceu vom descrie o metodă de caracterizare a celulelor solare cu
joncţiune p-n din Si monocristalin, pregătite în condiţii de laborator.
Această lucrare se adresează pentru moment unui segment îngust
de elevi implicaţi fie într-un curs special pentru Olimpiadele de fizică
naţionale şi internaţionale, fie într-un centru de excelenţă care
promovează cercetarea ştiinţifică pe parcursul liceului, dar cu
posibilitatea de a fi extinsă pe viitor la întreaga programă din liceu.
IV.3.1.1 Aspecte generale privind procesele fizice din joncțiunea p‐n. Caracteristica curent‐tensiune la întuneric
Aşa cum am arătat în paragraful precedent, structura unei
joncţiuni p-n constă dintr-un semiconductor în care are loc trecerea
abruptă de la conducţia de tip p la cea de tip n [32-33]. După realizarea
echilibrului termodinamic, electronii din regiunea n vor difuza spre
50
regiunea p unde se recombină imediat cu golurile, lăsând în urmă donorii
ionizaţi.
Astfel, de o parte şi de alta a planului joncţiunii se formează o
regiune de sarcină spaţială, care dă naştere unui câmp intern Ei orientat
de la regiunea n spre regiunea p. Apare astfel o barieră de potential Ub .
(La echilibru termodinamic, în regim de circuit deschis câmpul electric
intern Ei se opune trecerii purtătorilor de sarcină majoritari: golurile din
regiunea p, cu concentraţia pp şi electronii din regiune n, cu concentraţia
nn ).
Fig. IV.24 Modelul fizic al unei joncţiuni p-n [15]
Purtătorii de sarcină minoritari (golurile din regiunea n cu
concentraţia pn şi electronii din regiunea p cu concentraţia np) sunt
acceleraţi de câmpul intern al joncţiunii în sens opus deplasării
purtătorilor majoritari.
La echilibru termodinamic şi în absenţa polarizării, curentul Im0,
determinat de fluxul purtătorilor majoritari trebuie să fie egal cu curentul
Is0, determinat de fluxul purtătorilor minoritari, adică:
I I Im0 S0 S= = (IV.3)
51
Dacă pe o joncţiune p-n se aplică o tensiune U, în polarizare
directă, bariera de potenţial scade cu valoarea qU, iar fluxul de purtători
de sarcină majoritari prin planul joncţiunii creşte rapid în condiţiile în
care fluxul de purtători de sarcină minoritari rămâne neschimbat.
Intensitatea curentului electric determinat de fluxul purtătorilor de
sarcină majoritari creşte exponenţial cu tensiunea aplicată, conform
relaţiei:
eUkTI I em0=f (IV.4)
În condiţii de polarizare inversă, curentul care trece prin joncţiune
rămâne aproape constant având intensitatea:
I Ir = − S (IV.5)
Aşadar, caracteristica curent- tensiune (I-U) la întuneric este dată
de relaţia:
eUkTI I I e 1
⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
= = −Sf (IV.6)
Această relaţie este cunoscută sub numele de ecuaţia Shockley
pentru o joncţiune p-n ideală. În general, pentru o diodă cu joncţiune p-n
reală, caracteristica curent-tensiune la întuneric este descrisă de ecuaţia
Shockley modificată [34-36]:
( )q U IR U IRs sI I exp 10 RnkT sh
⎛ ⎞⎡ ⎤⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠
− −= − + (IV.7)
unde: I0, n, Rs si Rsh sunt curentul invers de saturaţie, factorul de calitate
al diodei, respectiv rezistenţele serie şi sunt ale celulei (q fiind sarcina
electrică).
52
IV.3.1.2 Caracteristica curent–tensiune la întuneric a unei celule fotovoltaice cu joncțiune p‐n din siliciu monocristalin
La iluminare, sub acţiunea fotonilor incidenţi, pe celulă va creşte
numărul de perechi de electroni şi goluri. Concentraţiile purtătorilor de
sarcină fotogeneraţi (de neechilibru), sunt Δn pentru electroni şi,
respectiv, Δp pentru goluri. Concentraţiile purtătorilor de sarcină
majoritari în absenţa luminii sunt mult mai mari decât concentraţiile
purtătorilor de sarcină majoritari generaţi de lumină, în timp ce
concentraţiile purtătorilor de sarcină minoritari la întuneric sunt mult mai
mici decât concentraţiile purtătorilor de sarcină minoritari generaţi de
lumină.
Golurile fotogenerate în regiunea n, datorită difuziei, pot ajunge
în regiunea stratului de baraj (strat sărăcit), unde sunt accelerate de
câmpul intern Eir
spre regiunea p. Electronii generaţi de lumină în
regiunea p, care ajung la stratul de baraj, sunt acceleraţi spre regiunea n.
Perechile electron-gol fotogenerate direct în stratul sărăcit sunt, de
asemenea, separate de către câmpul electric intern: electronii fiind trimişi
în regiunea n, iar golurile în zona p. În condiţii de circuit deschis, celula
fotovoltaică este polarizată (cu „+” pe regiunea p şi „-” pe regiunea n, la
fel ca în condiţii de polarizare directă la întuneric), apărând astfel
fototensiunea la circuit deschis Uoc. Închizând circuitul printr-o rezistenţă
de sarcină, joncţiunea p-n va fi traversată de un curent în sens invers
curentului care ar fi traversat-o în polarizare directă. Acest curent ajunge
la valorile sale maxime în condiţii de scurt-circuit (Isc) fiind un parametru
puternic dependent de energia şi fluxul fotonilor incidenţi. Curentul
purtătorilor de sarcină minoritari ce trec prin joncţiune la iluminare poate
fi scris astfel:
53
I I eSq I Is s Ls1 0= + Φ = + (IV.8)
unde: IS este curentul de saturaţie, e este sarcina electrică elementară, S –
aria joncţiunii p-n, q este factorul de colectare (o mărime adimensională,
reprezentând fracţia perechilor electron-gol separate de câmpul electric
intern Eir
din numărul total de perechi generate de fotonii incidenţi) şi Φ0
este fluxul fotonilor incidenţi.
Prin urmare, pornind de la caracteristica curent- tensiune (I-U) la
întuneric (ecuaţia Shockley) şi ţinând cont de ecuaţia (IV.8),
caracteristica curent-tensiune la iluminare va fi:
eUkTI I I I e 1 Is s Lf
⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
= − = − − (IV.9)
unde IL=eSqΦ0 este fotocuretul.
În condiţii de circuit deschis (I=0) obţinem fototensiunea de
circuit deschis Uoc (fig. IV.16) dată de:
IkT LU ln 1oc e IS
⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
= + (IV.10)
În condiţii de scurt-circuit (U=0) curentul este dat de:
I ILSC = − (IV.11)
reprezentând fotocurentul.
Caracteristica I-V a unui fotoelement, în absenţa iluminarii (Φ0
=0), coincide cu cea a unei joncţiuni p-n obiţnuite la întuneric. La
iluminare (Φ0≠0), caracteristica curent – tensiune se deplasează cu
mărimea IL spre axa negativă a curenţilor (Fig. IV.25).
54
Fig. IV.25 Caracteristica curent-tensiune a unei joncţiuni p-n la întuneric
(Φ0=0) şi, respectiv, la iluminare (Φ0≠0)
Cu o tensiune pozitivă şi un curent negativ, în cel de-al patrulea
cadran, celula fotovoltaică funcţionează în regim de foto-element,
reprezentând o sursă reală de energie, în acord cu primul principiu al
termodinamicii.
Informaţii referitoare la prezenţa stratului de baraj din joncţiune şi
la calitatea acestuia se pot obţine din analiza caracteristicii I-V de
întuneric ambipolară (polarizare directă şi inversă). Folosind montajul din
figura IV.26, s-a trasat caracteristica curent-tensiune la întuneric [37-39].
55
Fig. IV.26 Dispozitivul experimental folosit pentru măsurători ale
caractersticilor curent-tensiune ambipolare
În figura IV.26, celula solară (CS) a fost conectată la o sursă de
curent continuu (DC) prin intermediul unui potenţiometu Helipot, care
asigură o rezoluţie de 10 mV. Curentul a fost măsurat cu un
miliampermetru Philips Digital, iar tensiunea pe dioda cu un
microvoltmetru Philips. Pe baza datelor experimentale s-a trasat
caracteristica I-V ambipolară, din figura IV.27. Se observă asimetria
acestei caracteristici, datorată prezenţei joncţiunii p-n. Raportul de
redresare, reprezentând raportul dintre curentul direct şi cel de la
polarizare inversă la o aceeaşi tensiune, are în cazul acestei structuri,
valoarea de 20, la tensiunea de 0,5V. Informaţii referitoare la calitatea
joncţiunii s-au obţinut reprezentând grafic, în scară semilogaritmică,
curentul, la polarizare directă, în funcţie de tensiune, aşa cum se arată în
figura IV.28 [40-42].
56
Fig. IV.27 Caracteristica curent – tensiune la întuneric a unei celule solare cu
joncţiune p-n din Si monocristalin
Fig. IV.28 Caracteristica I-V la polarizare directă în scară semilogaritmică
În acest domeniu de tensiuni, caracteristica I-V este descrisă de qUnkTI I e0≅ . Deci lnI în funcţie de U este, conform acestei relaţii:
qUln I ln I0 nkT= + (IV.12)
57
Fitând datele experimentale cu ecuaţia (IV.12), s-a obţinut
factorul de idealitate pentru dioda n = 1/VT*tgα = 1,4 şi curentul de
saturaţie 8I 10 A0−≅ . În determinarea factorului de idealitate n s-a folosit
potenţialul termic la temperatura camerei VT=kT/q=0.025V şi panta
dreptei tg α prezentată în legenda figurii IV.19.
IV.3.1.3 Studiul caracteristicii I‐U la iluminare în cel de‐al IV‐lea cadran
Pentru măsurarea caracteristicii I-U în cel de-al IV-lea cadran,
celula solară a fost conectată în serie cu o rezistenţă de sarcină variabilă
(în intervalul 10 - 105 Ω) şi iluminată cu lumină albă de 20 mW/cm2.
Pentru fiecare valoare a rezistorului de sarcină în intervalul de mai sus, s-
au măsurat curentul debitat prin rezistenţa de sarcină şi tensiunea pe
celulă. Dispozitivul experimental folosit este reprezentat în figura IV.29.
Fig. IV.29 Dispozitivul experimental folosit pentru măsurarea caracteristicilor
I-U în regim de fotoelement
Pe baza datelor experimentale s-a trasat caracteristica fotocurent-
tensiune în cadranul IV, arătată în figura IV.30. Din această figură s-au
58
determinat parametrii tipici în regim de fotoelement: V 0,5 Uoc = şi
mA. 3,89- Isc =
Pentru a determina cu acurateţe factorul de umplere, în IV.31 s-a
reprezentat grafic dependenţa puterii ( UI P = ) de tensiune. Coordonatele
punctului de extrem din figura IV.31, în concordanţă cu figura IV.30, ne
coduc la valorile:
Um=0.42V şi Im=-3.2mA.
Înlocuind aceşti parametrii în SCOC
mm
IVIV
FF = factorul de umplere a
fost obţinut egal cu 0.74, valoare ce sugerează prezenţa unei structuri cu
rezistenţa serie mică şi rezistenţa şunt mare.
Înlocuind valorile Uoc, Isc, FF si I’inc în relaţia IV.1, s-a obţinut
pentru eficienţa puterii de conversie η, o valoare de 7,3 % - valoare bună
pentru o celulă preparată în condiții de laborator şcolar.
Fig. IV.30 Caracteristica I-V în cadranul IV a celulei fotovoltaice cu joncţiune
p-n din Si monocristalin iluminată în lumină integrală cu puterea incidentă 2/20 cmmWPi =
59
Fig. IV.31 Puterea la ieşire în funcţie de tensiune
Pentru analiza acestor date a fost folosit soft-ul Origin. Origin Lab
este un soft profesional specializat în analiza de date şi reprezentare
grafică. Acesta conţine mai multe foi de lucru, capacităţi de import de
date, baze de date şi posibilitatea realizării unor reprezentări grafice
profesionale. Soft-ul este folosit în colegii şi universităţi din întreaga
lume, cu interfaţă prietenoasă, ceea ce-l indică drept un instrument
potrivit în procesarea datelor experimentale obţinute în laborator [43,44].
Concluzii parţiale la acest studiu
Lucrarea de laborator şi-a atins obiectivele. Elevii au fost fascinaţi
de această nouă modalitate de experiment. Prelucrarea datelor
experimentale prin intermediul OriginLab, dovedeşte faptul că acesta este
un soft care poate fi folosit în cadrul laboratorului de fizică din liceu.
Elevii au înţeles mecanismul general al efectului fotovoltaic şi au deprins
abilităţi experimentale pentru caracterizarea celulei solare. Măsurând
spectrul de acţiune li folosind formula Mott, elevii au determinat
lărgimea benzii interzise a siliciului, observând astfel acordul bun între
propriile valori măsurate şi valorile obţinute prin alte măsurători.
Reprezentând grafic caracteristicile curent-tensiune în polaritate directă şi
60
inversă la întuneric, elevii au observat că celula de siliciu cu joncţiune p-
n, este un element de circuit neliniar, cu asimetrie mare, şi fitând datele
experimentale cu ecuatia Shockley au determinat parametrii RR, n şi I0.
Măsurarea caracteristicilor curent-tensiune în cel de-al IV-lea cadran la
iluminare, a oferit posibilitatea elevilor de a găsi cu acurateţe parametrii
tipici a unei celule ce funcţionează în regim de fotoelement (Uoc, Isc-FF,
η). Elevii au fost fascinaţi de rezulatele bune pe care le-au obţinut
folosind dispozitivele experimentale disponibile în laboratoarele lor,
dobândind astfel reale calităţi pentru cercetarea în acest domeniu.
În continuare voi prezenta rezultatele obţinute de noi din studiul
unei celule solare aparţinând generaţiei a III-a, o celulă de tip ,,bulk-
heterojunction” în care absorbantul organic este amestecul a doi polimeri
P3HT ca şi donor şi PCBM ca şi acceptor de electroni. O parte din aceste
rezultate a constituit obiectul lucrării: Electrical and Photoelectrical
Properties of Organic Photovoltaic Cells Based on Polymer Blends
ITO/PEDOT/P3HT: PCBM (1:1), Larisa Magheruşan, Polona Skraba,
Cristina Beşleagă, Sorina Iftimie, Nicoleta Dina, Mirela Bulgariu,
Carmen-Gabriela Bostan, C. Tăzlăoanu, A. Radu, L. Ion, M. Radu, A.
Tănase, G. Bratina, S. Antohe, Journal of Optoelectronics and Advanced
Materials, Vol. 12, No. 2, February 18, 2010, p. 212-218.
IV.4. Studiul unor celule solare din generaţia a III-a
Acum aproximativ 20 de ani, Tang [45] a fost primul care a
realizat o celulă fotovoltaică cu heterojoncţiune donor-acceptor. De
atunci, numeroase grupuri de cercetători au lucrat pentru a obţine valori
ale eficienţei de conversie cât mai bune. Primele structuri realizate erau
de tip Schottky, M1/Strat Organic/M2 (M1 şi M2 sunt metale cu lucruri
61
de extracţie diferite astfel încât unul dintre contacte să fie ohmic, iar
celălalt, de blocare. Pentru aceste structuri stratul organic folosit a fost
ftalocianină, merocianină, porfirină etc., iar răspunsul fotovoltaic se
datora separării purtătorilor de sarcina fotogeneraţi, sub acţiunea
câmpului electric intern de la interfaţa metal/semiconductor.
Randamentul acestor structuri era mic, de ordinul 10-2 % [46]. În cazul
structurilor pentru care regiunea fotoactivă era formată prin
heterojoncţiunea a două straturi organice, cu spectre de absorbţie
complementare, eficienţa de conversie a crescut cu aproape două ordine
de mărime [47]. În această lucrare au fost studiate proprietăţile
structurale, morfologice, electrice şi fotoelectrice ale celulelor
fotovoltaice având ca strat activ poli(3-hexiltiofenă) (P3HT), 1-(3-
metoxicarbonil)-propil-1-fenil-(6,6)C61 (PCBM) şi blenda celor doi, în
raport 1:1. De asemenea, au fost discutate diferenţele dintre aceste
structuri.
IV.4.1 Proceduri experimentale Un strat subţire de ITO depus pe sticlă optică (Praezisions Glass
und Optik, CECO20P) a servit drept anod. Înainte de a fi depuşi
polimerii, substraturile au fost curăţate prin ultrasonicare folosind
acetonă, izo-propanol şi apă distilată. Stratul de poli(etilenădioxitiofenă)
polistiren sulfonic (PEDOT-PSS) cu grosimea de 100 nm a fost depus,
peste stratul de ITO, prin tehnica de spin-coating. Timpul necesar
depunerii a fost de 60 de secunde, la o viteză unghiulară de 6000 rot/s, cu
o acceleraţie de 1000 rot/s2. Stratul de PEDOT facilitează transferul
golurilor între electrodul de ITO şi stratul activ, deoarece, pe de o parte,
reduce rugozitatea filmului de ITO, iar pe de altă parte, face legătura între
lucrul de extracţie al stratului de ITO (4.7 eV) şi nivelul HOMO al
62
majorităţii semiconductorilor organici de tip p. Peste stratul de PEDOT
au fost depuse prin spin-coating filme subţiri de P3HT, PCBM şi P3HT:
PCBM(1:1). Depunerea s-a făcut în doi paşi: primul cu o durată de 70 de
secunde la o viteză unghiulară de 1500 rot/s cu o acceleratie de 1000
rot/s2, iar al doilea, 20 de secunde la o viteză unghiulară de 2000 rot/s,
valoarea acceleraţiei fiind aceeaşi. Pentru a completa structura
fotovoltaică, prin evaporare termică în vid a fost depus un strat subţire de
Al servind ca electrod de spate. Presiunea reziduală în camera de
depunere a fost de 10-5 Torr, probele fiind menţinute la temperatura
camerei pe toată perioada procesului de depunere. Reprezentarea
schematică a structurilor realizate este prezentată în figura IV.32.
Fig. IV.32 Structura celulelor fotovoltaice având ca strat activ P3HT, PCBM şi
P3HT:PCBM(1:1)
Spectrele de absorbţie au fost trasate, la temperatura camerei,
folosind un spectrofotometru UV-VIS Perkin Elmer Lambda 35.
Spectrele de acţiune au fost înregistrate cu ajutorul unui set-up format
dintr-un monocromator Cornerstone 130 şi a unei surse Keithley 2400,
comandat de un computer. Caracteristicile I-V, de întuneric şi în lumină
monocromatică, ţinând cont de valoarea maximului obţinut la trasarea
spectrelor de absorbţie, au fost înregistrate la temperatura camerei.
Caracteristicile I-V de cadran IV au fost înregistrate pentru diferite
63
lungimi de undă. Caracterizarea morfo-structurală a probelor a fost
realizată cu ajutorul Microscopului cu Forţă Atomică (Ape Research
SPM, AFM A100-SGS), iar grosimea şi rugozitatea filmelor polimerice
au fost determinate prin reflectometrie de raze X (difractometru Bruker
D8 Discover).
IV.4.2 Rezultate şi discuţii
Caracterizare morfologică
Reflectometria de raze X este folosită pentru caracterizarea
filmelor subţiri a căror grosime nu depăşeşte câteva zeci de microni.
Grosimea filmului subţire poate fi determinată prin metoda franjelor de
interferenţă folosind formula ( )( )' '
i j
i jt
2sin
− λ=
ω − ω, unde i şi j reprezintă ordinul
franjei de interferenţă, iar 'iω şi '
jω sunt valorile unghiurilor de
împrăştiere. Formula de mai sus derivă din legea lui Bragg şi a fost
folosită prima dată de Keissing [55] pentru calcularea grosimii unui film
subţire. Curbele de reflectometrie pentru filmele subţiri de
ITO/PEDOT/P3HT, ITO/PEDOT/PCBM şi ITO/PEDOT/P3HT:
PCBM(1:1) au fost trasate pentru λ = 1.5406 Å (linia cu kα1) şi sunt
prezentate în figurile IV.33, IV.34 şi IV.35.
Fig. IV.33 Curba de reflectometrie pentru filmul subţire
ITO/PEDOT/P3HT
64
Fig. IV.34 Curba de reflectometrie pentru filmul subţire
ITO/PEDOT/PCBM
Fig. IV.35. Curba de reflectometrie pentru filmul subţire
ITO/PEDOT/P3HT: PCBM(1:1)
Din curbele de reflectometrie au fost calculate valorile grosimii şi
ale rugozităţii pentru filmele polimerice cu ajutorului programului
LEPTOS, acestea fiind rezumate în tabelul IV.2.
Tabelul IV.2Valorile grosimii şi ale rugozităţii pentru filmele subţiri
ITO/PEDOT/P3HT, ITO/PEDOT/PCBM şi ITO/PEDOT/P3HT: PCBM(1:1)
Proba Grosimea (nm)
Rugozitatea (nm)
S1 97 10
S2 139 15
S3 123 13
65
Depunerea filmelor subţiri prin tehnica de spin-coating prezintă
avantajul că valorile grosimilor şi ale rugozităţilor sunt mici (vezi Tabelul
IV.2), ceea ce conferă acestora o mai bună integritate mecanică.
Rezultate electrice şi fotoelectrice pentru celulele fotovoltaice
ITO/PEDOT/P3HT/Al
Caracteristica I-V de întuneric pentru celulele fotovoltaice
ITO/PEDOT/P3HT/Al, la 2 ore după depunerea electrodului de Al
(Figura IV.36), a fost trasată la temperatura camerei, atât la polarizare
directă, cât şi pentru polarizare inversă. Polarizarea directă s-a realizat
prin aplicarea unei tensiuni pozitive electrodului de ITO.
Fig. IV.36 Caracteristica I-V de întuneric a celulelor fotovoltaice
ITO/PEDOT/P3HT/Al
Aşa cum se poate observa şi din figura IV.36, dependenţa este
nelineară şi puternic asimetrică, cu un factor de redresare (RR = If/Ir) de
aproximativ 200 pentru o tensiune aplicată de 1.5 V, dar valoarea
acestuia creşte până la 500 pentru o tensiune de 3.5 V, valoarea maximă a
tensiunii aplicată. Ţinând cont că P3HT este un donor de electroni
(acceptor de goluri), ale cărui nivele energetice sunt descrise în figura
IV.37, şi Al este un metal cu lucru de extracţie mic, presupunem că
această asimetrie se datorează prezenţei unei bariere Schottky la interfaţa
66
Al/P3HT, în timp ce interfaţa ITO/PEDOT/P3HT se comportă ca un
contact ohmic, considerând golurile ca fiind purtătorii de sarcină
majoritari.
Fig. IV.37 Nivelele orbitalilor pentru polimerii P3HT şi PCBM şi lucrurile de
extracţie pentru ITO, PEDOT, Al şi Au
Pornind de la ecuaţia Shockley modificată şi folosind datele
experimentale obţinute din caracteristica I-V de întuneric a celulelor
fotovoltaice se poate face o analiză completă a interfeţei Al/P3HT,
responsabilă pentru comportamentul electric şi fotovoltaic al probelor
studiate.
Expresia ecuaţiei Shockley modificată este:
( )q U IR U IRs sI I exp 10 RnkT sh
⎛ ⎞⎡ ⎤⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠
− −= − + (IV.13)
unde: 0I este curentul de saturaţie, SR este rezistenţa serie şi ShR este
rezistenţa şunt. q
nkTβ = , unde q este sarcina elementară, n este factorul de calitate al
diodei, k este constanta Boltzmann, iar T este temperatura absolută.
Rezistenţa diferenţială a celulei va fi:
( )0 S 0 s shR R 1 I exp V r I 1 R⎡ ⎤⎡ ⎤⎡ ⎤= + β β − +⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ (IV.14)
67
Pentru tensiuni mari, la polarizare directă, ecuaţia (IV.13) devine:
( )I I exp V r Is0 ⎡ ⎤⎣ ⎦= β − , iar ecuaţia (IV.14) se simplifică, având forma:
1R Rs0 I= +
β (IV.15)
Fig. IV.38 Dependenţa rezistenţei diferenţiale de intensitatea curentului,
la polarizare directă, pentru celulele fotovoltaice ITO/PEDOT/P3HT/Al
Valorile pentru Rs şi n pot fi uşor calculate pentru domeniul
tensiunilor mari. În cazul tensiunilor mici, unde rezistenţa şunt devine
importantă, ecuaţia (IV.14) se scrie astfel: R R Rs0 sh= + , şi cum,
R Rs sh obţinem că R0 este egal cu Rsh. Valorile obţinute în urma
calculelor făcute sunt: Rsh = 58.13 KΩ şi Rs = 328 Ω. Valorilor lui I0 şi n
pot fi determinate cu uşurinţă din expresia:
( )YI I exp Y0Rsh⎡ ⎤⎣ ⎦= = β (IV.15)
unde: YIRsh
− este curentul de la bariera Schottky şi Y V r Is= − - valoarea
tensiunii.
Dependenţa Yln I s.YRsh
⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
− ν este prezentată în figura IV.39. Dacă
se neglijează efectele rezistenţelor şunt şi serie, plotând ( )ln I f V= se
68
obţine o dreaptă, iar prin fitarea acesteia se pot calcula valorile exacte
pentru I0 şi n (I0=7,2·10-11A şi n=2,29).
Fig. IV.39 Dependenţa pentru celulele fotovoltaice ITO/PEDOT/P3HT/Al
În figura IV.40 sunt prezentate spectrul de absorbţie al filmului
subţire de ITO/PEDOT/P3HT şi spectrul de acţiune al celulei fotovoltaice
ITO/PEDOT/P3HT/Al.
Fig. IV.40 Spectrele de acţiune ale celulei fotovoltaice ITO/PEDOT/P3HT/Al
la două ore după depunerea electrodului de Al (linia neagră) şi
după 48 de ore (linia albastră). Spectrul de absorbţie al filmului subţire de
ITO/PEDOT/P3HT (linia roşie).
Spectrele au fost obţinute la iluminare prin electrodul de ITO şi
par să fie batice, având o uşoară deplasare spre lungimi de undă mici.
Baticitatea spectrelor poate fi explicată astfel: la iluminarea prin
69
electrodul de ITO, răspunsul fotovoltaic se datorează separării
purtătorilor de sarcină fotogeneraţi rezultaţi prin disocierea excitonilor
sub acţiunea câmpului electric intern de la interfaţa Al/P3HT, care pare
să se extindă în întreg volumul filmului subţire de P3HT (vezi Tabelul
IV.3). În această situaţie purtătorii de sarcină majoritari sunt golurile.
Maximul spectrului de acţiune (471 nm) este deplasat către lungimi de
undă mici comparativ cu maximul spectrului de absorbţie (497 nm). O
posibilă explicaţie ar fi aceea că fotogenerarea este mult mai puternică la
interfaţa ITO/PEDOT decât în volumul filmului subţire de P3HT. De
asemenea, datorită prezenţei defectelor la interfaţa PEDOT/P3HT există
posibilitatea recombinării purtătorilor de sarcină fotogeneraţi. Pentru
lungimi de undă mai mici de 400 nm, majoritatea fotonilor incidenţi sunt
absorbiţi la interfaţa ITO/PEDOT şi nu există efect fotovoltaic la
joncţiunea ITO/PEDOT/P3HT.
Rezultate experimentale pentru celulele fotovoltaice
ITO/PEDOT/PCBM/Al
În figura IV.41 este prezentată caracteristica I-V de întuneric,
trasată la temperatura camerei, pentru polarizare directă şi inversă, a
celulelor fotovoltaice ITO/PEDOT/PCBM/Al. Polarizarea directă
corespunde aplicării unei tensiuni pozitive pe electrodul de ITO.
70
Fig. IV.41 Caracteristica I-V de întuneric pentru celulele fotovoltaice
ITO/PEDOT/PCBM/Al
Dependenţa este asimetrică cu un factor de redresare, RR, de
aproximativ 10 pentru o tensiune aplicată de 2 V. Ţinând cont că PCBM
este un semiconductor de tip n (acceptor de electroni) şi că Al este un
metal cu lucru de extracţie mic [56], presupunem că această asimetrie se
datorează prezenţei unui contact de blocare la interfaţa
ITO/PEDOT/PCBM, în timp ce interfaţa Al/PCBM se comportă ca un
contact ohmic. Valorile Rs, Rsh, n şi I0 calculate folosind ecuaţia Shockley
modificată sunt: Rs=113 Ω, Rsh=9730 Ω, n=2,8 şi I0=4·10-8 Ω.
Spectrul de absorbţie al filmului subţire de ITO/PEDOT/PCBM şi
spectrul de acţiune al celulei fotovoltaice ITO/PEDOT/PCBM/Al sunt
prezentate în figura IV.42.
Spectrele au fost obţinute la iluminare prin electrodul de ITO şi
par să fie anti-batice, valoarea maximă a fotocurentului este obţinută
atunci când absorbanţa este minimă. Acest comportament poate fi pus pe
baza efectelor de filtrare datorate filmului subţire de PCBM. Acesta
absoarbe puternic fotonii conducând la disocierea excitonilor şi apoi la
fotogenerarea purtătorilor de sarcină.
71
Fig. IV.42 Spectrele de acţiune ale celulei fotovoltaice ITO/PEDOT/PCBM/Al
la două ore după depunerea electrodului de Al (linia neagră) şi la 48 de ore
(linia albastră). Spectrul de absorbţie al filmului subţire de ITO/PEDOT/PCBM
este reprezentat prin linia roşie.
Rezultate obţinute pentru celulele fotovoltaice
ITO/PEDOT/P3HT:PCBM/Al
În figura IV.43 este prezentată caracteristica I-V de întuneric a
celulelor fotovoltaice ITO/PEDOT/P3HT: PCBM/Al, trasată la
temperatura camerei, pentru polarizare directă şi inversă.
Fig. IV.43 Caracteristica I-V de întuneric (linia neagră) şi în lumină
monocromatică (λ = 400 nm, linia verde) pentru celulele fotovoltaice
ITO/PEDOT/P3HT: PCBM(1:1)/Al
72
Polarizarea directă corespunde aplicării unei tensiuni pozitive pe
electrodul de ITO. Aşa cum reiese şi din figura IV.42, caracteristica I-V
este nelineară şi puternic asimetrică cu un factor de redresare de
aproximativ 120 pentru o tensiune aplicată de 1V. Cunoscând şi
comportamentul celulelor ce au ca strat activ doar unul dintre polimeri,
fie P3HT, fie PCBM, presupunem că această asimetrie se datorează
lucrurilor de extracţie diferite ale celor doi electrozi, ITO/PEDOT şi Al.
De asemenea, interfaţa Al/P3HT: PCBM(1:1) este un bun colector de
electroni, în timp ce interfaţa ITO/PEDOT/P3HT:PCBM(1:1) se
comportă ca un colector de goluri.
Spectrul de acţiune al celulei fotovoltaice ITO/PEDOT/P3HT:
PCBM(1:1)/Al împreună cu spectrul de absorbţie al filmului subţire de
ITO/PEDOT/P3HT: PCBM(1:1) sunt prezentate în figura IV.44.
Răspunsul fotovoltaic al celulei având ca strat activ blenda celor doi
polimeri este mult mai bun decât cel al structurilor analizate anterior.
Fig. IV.44 Spectrele de acţiune ale celulelor fotovoltaice
ITO/PEDOT/P3HT: PCBM(1:1)/Al trasate la două ore după depunerea
electrodului de Al (linia neagră) şi după 48 de ore (linia albastră).
Spectrul de absorbţie al filmului subţire de ITO/PEDOT/P3HT: PCBM(1:1)
73
este reprezentat cu linie roşie.
Spectrul de absorbţie al filmului subţire de P3HT: PCBM(1:1) a
fost mărit (300-700 nm) şi conţine domeniile principale de absorbţie ale
filmelor subţiri de P3HT (400-700 nm) şi PCBM (300-500 nm),
prezentând aşa numitul efect de ”co-sensiblizare”, evidenţiat şi în cazul
structurilor D/A dublu-strat [57,58]. De asemenea, spectrul de acţiune s-a
mărit (300-600 nm) comparativ cu cel al celulelor fotovoltaice care aveau
ca strat activ doar unul dintre polimeri. Maximul spectrului de acţiune
(430 nm) este deplasat uşor către roşu faţă de maximul spectrului de
absorbţie (380 nm) şi pare să fie mai apropiat de cel al celulelor
fotovoltaice ITO/PEDOT/P3HT/Al decât de cel al structurilor
ITO/PEDOT/PCBM/Al.
Aşa cum era de aşteptat, numărul interfeţelor donor-acceptor
(D/A) a crescut semnificativ prin mixarea celor doi polimeri unul donor,
iar celălalt acceptor, realizându-se astfel heterojoncţiunea în volum.
Dimensiunea domeniilor de captură a devenit astfel de acelaşi ordin de
mărime cu lungimea de difuzie a excitonilor, care este cuprinsă între 5 şi
50 nm pentru majoritatea semiconductorilor organici. Deşi în structurile
ITO/PEDOT/P3HT: PCBM(1:1)/Al fotogenerarea este puternică, una
dintre problemele majore ale acestora este reprezentată de faptul că
purtătorii de sarcină pot ajunge foarte uşor în domenii izolate. Mai mult
decât atât, dacă donorul şi acceptorul sunt în contact direct cu ambii
electrozi, mecanismul de recombinare al purtătorilor de sarcină la
interfaţa blendă/electrod devine dominant. Aşa cum se poate observa şi
din figura IV.35, spectrul de acţiune al structurii de tip blendă are un
comportament anti-batic. Deşi principalul motiv al disocierii excitonilor,
precum şi al generării de foto-curent [59], este cel al diferenţelor de
74
energie dintre Donor-LUMO şi Acceptor-LUMO, prezenţa câmpului
electric intern are un aport important în ceea ce priveşte răspunsul
fotovoltaic al celulei [60]. Fotonii puternic absorbiţi în stratul subţire de
P3HT: PCBM(1:1) vor crea purtători de sarcină departe de interfaţa
P3HT: PCBM(1:1)/Al. Fotonii slab absorbiţi în volumul stratului activ
vor crea purtători de sarcină în apropierea câmpului electric intern, dar şi
aceştia vor participa la generarea răspunsului fotovoltaic.
Fig. IV.45 Caracteristica I-V de cadran IV a celulelor fotovoltaice
ITO/PEDOT/P3HT:PCBM(1:1)/Al în lumină monocromatică
(λ = 400 nm, Pin=5.19·10-5 W)
În figura IV.45 este prezentată caracteristica I-V de cadran IV
trasată la iluminare cu lumină monocromatică, λ = 400 nm. Parametrii
caracteristici ai celulei fotovoltaice au fost calculaţi (vezi Tabelul IV.3).
Valorile acestora sunt mult mai mari comparativ cu cele obţinute pentru
celulele fotovoltaice ITO/PEDOT/P3HT/Al şi ITO/PEDOT/PCBM/Al.
75
Tabelul IV:3 Parametrii caracteristici ai celulelor fotovoltaice: Voc – tensiunea
la circuit deschis, Iph – foto-curentul de scurt-circuit, Pm – puterea maximă
obţinută, Pin – puterea incidentă, FF – factorul de umplere, η – eficienţa de
conversie
Parametrul S1 S2 S3
Voc (V) 0.84 0.1 0.58
Iph (A) 1.85x10-8 4.1x10-8 1.35x10-6
Pm (W) 1.7x10-9 5.88x10-10 2.25x10-5
Pin (W) 2.15x10-5 3.3x10-5 5.19x10-5
FF (%) 10 14 28
η (%) 0.01 0.0017 0.44
Una dintre problemele majore ale acestor structuri este cea legată
de stabilitatea lor precară în timp. Aşa cum se poate observa şi din
figurile IV.40, IV.42 şi IV.44, în care este prezentat spectrul de acţiune la
două ore după depunerea electrodului de Al şi la 48 de ore, valoarea
fotocurentului scade rapid într-un interval de timp mic.
76
Fig. IV.46 Spectrul de absorbţie al filmului subţire de P3HT: PCBM(1:1)
imediat după depunere (linia neagră) şi după 6 luni (linia roşie)
Filmele polimerice depuse prin tehnica de spin-coating, P3HT,
PCBM, P3HT: PCBM(1:1), au fost caracterizate optic, prin trasarea
spectrelor de absorbţie la diferite intervale de timp, iar forma acestora
este identică (figura IV.46). Aşadar, la nivelul proceselor optice implicate
în crearea excitonilor nu apar modificări majore. Problemele sunt legate
de fotogenerarea purtătorilor de sarcină, separarea acestora şi colectarea
lor la electrozi. În continuare, trebuie realizate studii sistematice care să
elucideze aceste probleme, astfel încât valorile obţinute pentru eficienţa
de conversie a acestor structuri să fie cât mai mare.
Concluzii
Filmele subţiri polimerice, P3HT, PCBM şi P3HT: PCBM(1:1) au
fost depuse prin tehnica de spin-coating. Caracteristicile I-V ale celulelor
fotovoltaice obţinute au fost trasate atât la întuneric, dar şi în lumină
monocromatică, parametrii caracteristici ai acestor structuri au fost
determinaţi. Răspunsul fotovoltaic al structurilor care aveau ca strat activ
filmul subţire de P3HT s-a datorat în mare măsură disocierii excitonilor
77
sub acţiunea câmpului electric intern prezent la interfaţa Al/P3HT.
Celulele fotovoltaice ITO/PEDOT/PCBM/Al au avut un comportament
similar cu cel al unei foto-rezistenţe, răspunsul lor fotovoltaic fiind unul
slab. Cele mai bune rezultate au fost obţinute pentru structurile ce aveau
ca strat absorbant blenda celor doi polimeri, P3HT: PCBM(1:1), valoarea
pentru tensiunea la circuit deschis, Voc, fiind 0.58 V, iar curentul de scurt-
circuit, Iph, 1.35·10-6 A. Valoarea curentului de scurt-circuit pentru
structura de tip blendă este cu două ordine de mărime mai mare decât
cele obţinute pentru celulele fotovoltaice având ca strat activ fie P3HT,
fie PCBM. Structurile de tip blendă polimerică par să fie cele mai
promiţătoare, dar este nevoie de noi studii pentru explicarea problemelor
legate de stabilitatea acestora în vederea creşterii eficienţei de conversie.
CONCLUZII FINALE
Abordarea interdisciplinară porneşte de la ideea că nici o
disciplină de învăţământ nu constituie un domeniu închis, ci se pot stabili
legături între discipline. Succesul în activitatea tinerilor este posibil,
numai dacă aceştia pot să coreleze interdisciplinar informaţiile obţinute
din lecţii.
În aria curriculară matematică şi ştiinţe ale naturii,
interdisciplinaritatea este absolut obligatorie, având în vedere
aplicabilitatea directă în practică a chimiei, fizicii, biologiei şi
matematicii. Interdisciplinaritatea în cadrul acestei arii curriculare
înseamnă studii şi acţiuni în planul conţinuturilor şi al metodologiilor,
care să ofere cunoaşterea fenomenelor în dinamica lor, deschizând calea
spre sinteze generalizatoare.
78
Interdisciplinaritatea între chimie şi fizică, chimie şi biologie,
fizică şi matematică, se realizează în special în planul conţinuturilor,
având matematica drept instrument de lucru, fiecare demers (observare,
experimentare, formulare de legi, teoretizare) fiind realizat în spirit
matematic. Chimia, fizica şi biologia au devenit mari consumatoare de
instrumente matematice.
Studiul chimiei, cel al fizicii şi al biologiei au afinităţi deosebite.
Ele studiază structura, transformările şi însuşirile materiei.
Interdisciplinaritatea acestor obiecte şcolare poate constitui un exemplu şi
pentru celelalte. Obiectivele lor, metodele de investigare a fenomenelor,
aplicabilitatea lor imediată în practică, metodele de predare, toate acestea
conduc la realizarea unei interdisciplinarităţi bine pusă la punct, dar
perfectibilă.
Studiul producerii curentului electric începe cu elementele
galvanice, a căror funcţionare are explicaţii chimice. Efectele curentului
electric se explică tot pe baza proprietăţilor chimice şi au aplicaţii în
domeniul chimiei şi industriei chimice. Aproape că nu există lecţie de
fizică in care să nu utilizăm cunoştiinţele dobândite la lecţiile de chimie
şi invers. Interdisciplinaritatea fizică, matematică, biologie şi chimie se
realizează şi în planul strategiilor didactice, atât ca forme de organizare a
lecţiei, ca metode folosite în transmiterea cunoştiinţelor, cât şi ca metode
de verificare şi evaluare. Se poate spune pe drept cuvânt că fizica şi
matematica sunt instrumente pentru studiul chimiei şi invers.
Abordarea interdisciplinară are drept scop formarea unor
personalităţi moderne, cu gândire analitică, sistemică, cu capacităţi de
înţelegere profundă şi aptitudini de modelare a fenomenelor, a proceselor
79
din jur, fiind totodată un factor important de educare, orientare şi formare
profesională a elevilor - profesionişti ai viitorului.
Este absolut necesară regândirea programelor astfel incât să
abordăm teme legate de realitatea imediată, să le abordăm interdisciplinar
şi să se propună experimente atractive care sunt însuşite de majoritatea
elevilor cu plăcere. Astfel vom atrage elevul spre studiul ştiinţelor care au
pierdut teren în ultima vreme datorită unei abstractizări excesive.
Ideea propunerii unei programe interdisciplinare de CDŞ pentru
elevii unui liceu de muzică a rezultat ca urmare a discuţiilor repetate cu
aceştia, în care îşi arătau nedumerirea că în programa actuală de studiu al
fizicii nu se abordează tema „sunet” care e de maxim interes pentru ei.
De ce” Lumină şi sunet”? - pentru că receptorul vizual şi
receptorul auditiv sunt sisteme ce asigură informaţia din mediul exterior,
folosind peste trei sferturi din capacitatea creierului şi funcţionează ca
senzori de supravieţuire.
De asemenea, în educaţia fiecărui tânăr trebuie să se înrădăcineze
grija pentru utilizarea raţională a energiei şi pornind de la convingerea că
sursele de energie convenţionale sunt epuizabile să regândească
modalităţi de obţinere a energiei pe alte căi.
Analizele şi constatările, prezentate pe parcursul întregii lucrări
conduc la evidenţierea unor concluzii care se prezintă în esenţă astfel:
În şcoala românească subiectul conversiei energiei solare este
destul de slab abordat, deşi societatea este interesată de subiect,
iar evoluţia economică pe plan mondial se îndreaptă către
utilizarea unor energii alternative în care cea solară ocupă la
rândul său un loc important.
80
Includerea în curriculum şcolar a studiului conversiei energiei
solare în energie electrică pe baza efectului fotovoltaic este
necesară deoarece:
Conduce la o informare corectă şi completă în domeniul
surselor de energie nepoluante si inepuizabile.
Schimbă mentalitatea oamenilor de a utiliza cu precădere
energia provenită din surse clasice şi determină o
apropiere a acestora de tendinţele ecologice actuale.
Creează competenţe şi formează specialişti, oferind
absolvenţilor posibilitatea ocupării unui loc de muncă într-
un domeniu aflat în continuă expansiune.
Printr-un parcurs continuu de-a lungul diverselor etape de
învăţământ (gimnaziu, liceu, facultate) conduce la
formarea unei baze de absolvenţi bine pregatiţi din care se
pot desprinde cu usurinţă specialişti care prin cercetare pot
inova şi dezvolta domeniul.
Creează în rândul populaţiei imaginea că şcoala este o
instituţie modernă şi dinamică, capabilă să se adapteze la
evoluţia, cerinţele şi aşteptările societăţii actuale.
La nivelul liceului în acest moment, studiul conversiei energiei
solare în energie electrică prin intermediul efectului fotovoltaic,
se poate face în cadrul unui Opţional, însă pe viitor se recomandă
introducerea acestuia în cadrul curriculei obligatorii pentru liceele
cu profil real, tehnic sau vocaţional.
Pentru caracterizarea unei celule solare de generaţia I-a s-a utilizat
o celulă cu joncţiune p-n preparată în Laboratoarele Centrului de
81
Cercetare Dezvoltare pentru Materiale şi Dispozitive Electronice şi
Optoelectronice, din cadrul Universităţii Bucureşti.
Pentru aprofundarea subiectului conversiei energiei solare în
energie electrică prin intermediul efectului fotovoltaic am descris o
metodă de preparare şi caracterizare a unor celule solare de ultimă
generaţie care se referă la prepararea şi analizarea proprietăţilor
structurale, morfologice, electrice şi fotoelectrice ale celulelor
fotovoltaice având ca strat activ poli(3-hexiltiofena) (P3HT), 1-(3-
metoxicarbonil)-propil-1-fenil-(6,6)C61 (PCBM) şi amstecul celor doi
polimeri, în raport 1:1 Straturile active respective au fost depuse pe un
substrat de sticlă acoperit cu ITO, prin tehnica spin coating.
Au fost trasate spectrele de absorbţie la temperatura camerei,
spectrele de acţiune precum şi caracteristicile I-V, de întuneric şi în
lumină monocromatică. În urma interpretării caracteristicilor au fost
extraşi parametrii joncţiunii, precum şi parametrii care caracterizează
răspunsul fotovoltaic al dispozitivelor. Nelinearitatea şi asimetria
acestora au fost explicate ţinând seama de comportamentul de la interfaţa
electrod/semiconductor organic.
Rezultatele cele mai bune au fost obţinute pentru structurile ce
aveau ca strat absorbant blenda celor doi polimeri, P3HT:PCBM(1:1)
valoarea pentru tensiunea la circuit deschis, Voc, fiind 0.58 V, curentul
de scurt-circuit, Iph = 1.35 x 10-6A (cu două ordine de mărime mai mare
decât în cazul structurilor simple), iar factorul de umplere FF = 28% .
În ceea ce priveste spectrul de absorbţie al filmului subţire de
P3HT:PCBM(1:1) a fost lărgit comparativ cu domeniile principale de
absorbţie ale filmelor subţiri de P3HT şi PCBM pe care de altfel le şi
conţine, ca urmare a apariţiei aşa numitului efect de ”co-sensiblizare”,
82
evidenţiat şi în cazul structurilor D/A dublu-strat. Numărul interfeţelor
donor-acceptor (D/A) a crescut astfel semnificativ prin mixarea celor doi
polimeri unul donor, iar celalalt acceptor, realizându-se astfel
heterojoncţiunea în volum, dovedind astfel superioritatea structurilor de
tip blendă polimerică.
Structurile de tip blendă polimerică par să fie cele mai
promiţătoare, dar este nevoie de noi studii pentru explicarea problemelor
legate de stabilitatea acestora în vederea creşterii eficienţei de conversie.
BIBLIOGRAFIE
Bibliografia selectivă a Capitolului I [1] Husen, T., Postlethwait, T.N. (coord.), The International
Encyclopedia of Education Vol. III - Oxford, Ed. Pergamon Press, 1994; [2] Piaget, J., Garcia, R., Psychogenèse et histoire des sciences .-
Paris, Flammarion, 1983; [3] Gazzer, G., Un concept van mal défini-
l'interdisciplinarité//Perspectives, 1982, vol. XII, nr. 3; [4] Szebeni, P., The Evolution of the Content of General
Education Over the Next Two Decades: Hungary / UNESCO (DOC), 1983;
[5] Cristea, S., Dicţionar de pedagogie, Bucureşti, Editura Didactică şi Pedagogică, 1976;
[6] Smirnov, S. N., Abordarea interdisciplinară. În: Ştiinţa de azi: fundamente ontologice şi epistemologice // Revista de pedagogie, nr.2, 1987;
[7] Stenhouse, L., Curriculum Research and Development in Action, London, Heineman, 1981, vol. 27, nr. 3;
[8] Cucoş, C., Istoria pedagogiei, Iaşi, Editura Polirom, 2001; [9] Radu, I., Controverse: ,,Pedagogia curbei lui Gauss”. În:
M.Ionescu, I.Radu, I. (coord.), Didactica modernă, Cluj-Napoca, Editura Dacia,1995;
83
[10] Cristea, S., Fundamentele ştiinţelor educaţiei: teoria generală a educaţiei Chişinău, Grupul editorial Litera internaţional, 2001;
[11] Interdisciplinaritatea. Vol. I., Cluj-Napoca, Editura Casei Corpului Didactic, 2003;
[35] Văideanu, G., L'interdisciplinarité dans l'enseignement: une nouvelle pédagogie ou un principe a appliquer? În: V-ème Congres Mondial l'Educaţion Compareé, Paris, Juillet, 1984;
[39] Cornish, Ed., The Study of the Futur / Word Futur, Society Press, Washington, 1977;
[40] Antonesei, L., O introducere în pedagogie, Iaşi, Editura Polirom, 2002;
[52]. Bulgariu, M., New visions to approach interdisciplinarity interactions of physics with other disciplines, University of Bucharest, Faculty of Physics, 2008, Annual Scientific Conference, Friday, June 6, 2008, oral presentation, Program and Abstracts, pg. 66.
[53]. Bulgariu, M., New Tendencies in an Interdisciplinarity Approach of Physics with Chemistry and Biology, University of Bucharest, Faculty of Physics, 2009, Annual Scientific Conference, Friday, June 5, 2009, oral presentation, Program and Abstracts, pg. 76.
[54]. Bulgariu, M., Interdisciplinarity Where to?, University of Bucharest, Faculty of Physics, 2010, Annual Scientific Conference, Friday, June 18, 2010, oral presentation, Program and Abstracts, pg. 149.
[55]. Bulgariu M., Physics in an Interdisciplinary Approach, 7th International Conference of the Balkan Physical Union Alexandroupolis, Greece, 9-13 September 2009, pp. 1360-1365. PG1;
[56]. Bulgariu M., New visions to approach interdisciplinarity interactions of physics with other disciplines, Analele Universităţii din Bucureşti - Seria Fizica, LVI(2007), 93-96.
Bibliografia selectivă a Capitolului II [1]. Declaraţia de la Salamanca, Spania, 7-10 iunie, 1994; [8]. M.E.C., C.N.C. – „Curriculum Naţional pentru învăţământul
obligatoriu” – Cadru de referinţă, Bucureşti, 1998; [9]. Klein, J.T., Interdisciplinarity: History, theory and Practice,
Waynne State UniversityPress, Detroit 1990; [10]. D’Hainaut, L., Elaborarea noilor conţinuturi, în Programe
de învăţământ şi educaţie permanentă, Bucureşti, Editura Didactică şi Pedagogică, 1981;
[11]. Legea Învăţământului, 85/1995;
84
Bibliografia selectivă a Capitolului III [1]. Ciolan, L., Dincolo de discipline, Ghid pentru învăţarea
integrate/cross-curriculară, Editura Humanitas Educaţional, Bucureşti, 2003;
[2]. Jinga, I., Vlăsceanu, L., Structuri, strategii şi performanţe în învăţământ, Editura Academiei, 1989;
[3]. Manolescu, M., Activitatea evaluativă între cogniţie şi metagogniţie, Editura Meteor, Bucureşti, 2004;
[4]. Husen, T., Postlethwait, T.N. (coord.), The International Encyclopedia of Education, Vol. III - Oxford, Ed. Pergamon Press, 1994;
[5]. Klein, J.T., Interdisciplinarity: history, theory, and practice, Wayne State University Press, Detroit, 1990;
[6]. Husen, T., Postlethwait, T.N. (coord.), The International Encyclopedia of Education, Vol. III - Oxford, Pergamon Press, 1994;
[7]. Dicţionar de pedagogie, Bucureşti, Editura Didactică şi Pedagogică,1976;
[8]. Nicola, I., Pedagogie, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1994;
[9]. Moisil, I., Iacob, O., Moisil, G., Păunescu ,C., Gavriliţă, I., Îndrumătorul profesorului pentru predarea fizicii în gimnaziu, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1978;
[10]. Tereja, E., Metodica predării fizicii, Editura ADC Vaslui, 1995;
[32]. Bulgariu, M., Lumina şi sunet- propunere programă opţional interdisciplinar clasa a XI-a, profil vocaţional, Editura Editgraph, Buzau 2010, ISBN 978-973-2254-53-2, 66 pagini.
Bibliografia selectivă a Capitolului IV [1]. Dina, N., Craciun, S., Bulgariu, M., Antohe, S., Teaching of
Alternative Energy Sources in Romanian School, University of Bucharest, Faculty of Physics, 2011 Annual Scientific Conference, Friday, June 17, 2011, oral presentation, Program and Abstracts, pg. 74, accepted for publication in Romanian Reports in Physics, vol.64, 2012;
[2]. Holsinger, D.B., Cowell, R.N. Positioning secondary school education in developing countries. International Institute for Education Planning/UNESCO, 2000;
[3]. The European Union by International Energy Agency (IEA) - IEA Energy Policies Review, 2008;
85
[4]. * Detailed Work Programme on the follow-up of the objectives of education and training systems in Europe. Council of the European Union, Brussels, 20 February 2002; COM (2001) 501 final;
[5]. Simaşchevici, A., Gorceac, L., Şerban, D., Conversia fotovoltaică a energiei solare. Chişinău 2002,
[6]. Renewables 2010 Global Status Report http://www.ren21.net/ [7]. MEdC. Order on the approval of framework plans for upper
secondary school education, 2006; [8]. M.Ed.C., Compulsory education reform in Romania,
Working Paper, Bucharest, 2003; [9]. MEN. National Council for Curriculum, National Curriculum
for compulsory education. Frame of reference. Bucharest 1998; [10]. Vlăsceanu, L. (coord.) School at a crossroads. Change and
continuity in the curriculum of compulsory education,. Iaşi, Polirom, 2002;
[11]. **Encyclopedia of World Problems and Human Potential. http://www.uia.be/node/164014
[12]. **Expanding Opportunities and Building Competencies for Young People. A New Agenda for Secondary Education. THE WORLD BANK Washington, D.C., 2005.
[13]. Magheruşan, L., Skraba, P., Beşleagă, C., Iftimie, S., Dina, N., Bulgariu, M., Bostan, C.G., Tăzlăoanu, C., Radu, A., Ion, L., Radu, M., Tanase, A., Bratina, G., Antohe, S., Electrical and Photoelectrical Properties of Organic Photovoltaic Cells Based on Polymer Blends ITO/PEDOT/P3HT: PCBM (1:1), Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 12 , No. 2, February 18, 2010, p. 212-218;
[14]. Florica, C., Arghir, I., Ion, L., Enculescu, I., Antohe, V. A., Radu, A., Radu, M., Chişulescu, G., Dina, N., Antohe, S., Production and charactderization of CdTe wire arrays for hybrid inorganic/organic photovoltaic cells, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, Vol.6, No 1, January-March, 2011, p. 21-27;
[15]. Bostan, C.G., Dina, N., Bulgariu, M., Crăciun, S., Dafinei, M., Chitu, C., Staicu, I., Antohe, S., Teaching/Learning Photovoltaic Effect in High School, Romanian Reports in Physics, Vol.63, No.2 , p. 543-546, 2011;
[17]. S. Sun and N.S. Sariciftci (Eds.), Organic Photovoltaics: Mechanisms, And Devices, CRC Press, Boca Raton, FL, 2005.
[18]. H. Hoppe and N.S. Sariciftci, J. Matter. Res., 1924-1945, 2004.
[19]. C.W. Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183-185, 1986.
86
[20]. J.J.M. Halls, K. Pichler, R.H. Friend, S.C. Moratti, and A.B. Holmes, Appl. Phys. Lett., 68, 3120, 1996.
[21]. M. Drees, R. Davis, and R. Heflin, Polymer-fullerene concentration gradient photovoltaic devices by thermally controlled interdiffusion, in Organic Photovoltaics: Mechanism, Materials and Devices, S. Sun and N.S. Sariciftci (Eds.), CRC Press, Boca Raton, FL, 559, 2005
[22]. W. Ma, C. Yang, X. Gong, K. Lee, and A.J. Heeger, Adv. Func. Mater., 15, 1617-1622, 2005.
[23]. S. Sun and C. Bonner, Optimizations of organic solar cells in both space and energy/time domains, in Organic Photovoltaics: Mechanisms, Materials and Devices, S. Sun and N.S. Sariciftci (Eds.), CRC Press, Boca Raton, FL, Chapter 8, 2005, pp. 183-214.
[24]. S. Sun, Organic and polymeric solar cells, in Haandbook of Organic Electronics and Photonics, S.H. Nalwa (Ed.), American Scientific Publishers, Los Angeles, CA, vol. 2, Chapter 23, 2006.
[27]. Eds.: Mary D. Archer and Robert Hill, “Clean electricity from Photovoltaics”, Imperial College Press, 2001, ISBN 1-86094-161-3.
[28]. E. Lorenzo, G. L. Araújo, P. Davies, A. Cuevas, M. Egido, J. Minano, R. Zilles, Solar electricity: engineering of photovoltaic systems, Progensa, 1994
[29]. G.P. Smestad, Education and solar conversion: Demonstrating electron transfer, Solar Energy Materials and Solar Cells, 55, 157-178 (1998)
[30]. K. Zweibel, Harnessing Solar Power: The photovoltaics Challenge, Plenum Press, New York, 1990, 235-253
[31]. R.W. Buckey and E. Kuets, European photovoltaic education initiative, Renewable Energy, 5, 345-347 (1994)
[32]. I. Dima, I., I. Licea, High Schools, "Photoelectric phenomena in semiconductors and applications", Academy Publishing House, 1980
[33]. I Spânulescu, "Solar Cells", Scientific and Encyclopedic Publishing House, Bucharest, 1983
[34]. S. Antohe, “Electrical and Photovoltaic Properties of CdS/Copper Phthalocyanine Heterojunction”, Rev. Roum. Phys., 37, 309-313, (1992)
[35]. S. Antohe, L. Ion, N. Tomozeiu, T. Stoica, E. Barna, Electrical and photovoltaic properties of photosensitized ITO/a-Si:H p-i-n/TPyP/Au cells, Solar Energy Materials and Solar Cells; 62, 207-16, (2000)
87
[36]. S. Antohe, L. Tugulea, V. Gheorghe, V. Ruxandra, I. Căplanus and L.Ion, Electrical and Photovoltaic Properties of ITO/Chlorophyll a/TPyP/Al p-n Junction Cells, Phys. Stat. Sol.(a), 153, 581-588, (1996)
[37]. S.Antohe et al.J.Phys.Ill.France 6(1996) 1133-1144 [38]. S.Antohe et al.Phys Stat Sol (a) 153,581 (1996) [39]. S. Antohe, „Organic materials and electronic devices”,
"University Publishing House, Bucharest, 1996 [40]. S.Antohe, Phys.Stat.Sol. (a) 128,253, (1991)