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De Bastiani, Michele (2016) The Stability of Third Generation Solar Cells. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In the lasts fifty years the tremendous evolution of modern technologies has gradually unbalanced the equilibrium between the production and the consumption of energy. Traditional energy resources, like coal, oil and natural gases, are no longer sufficient to satisfy the demand of energy without spoiling earth environment. Renewable energies have attracted a lot of attention because they are potential solution to this important problem. In particular photovoltaic solar cells are considered the most promising technology for a low-cost and environmentally friendly energy production. However, in order to exploit these technologies in real world applications, the complete physics of solar cells must be understood. Stability is one of the fundamental aspects and is related to the processes that regulate the energy conversion, both in long-term degradation as well in electrical stability. In this work the stability of two emerging categories of solar cells is thoroughly addressed: organic photovoltaics and organometal-halide perovskite.
In organic photovoltaics understanding the stability and degradation mechanisms of photoactive blends is required to achieve long device lifetimes. Recent reports on organic solar cells presenting power conversion efficiencies exceeding 10% have made the need to improve the device stability compelling. In general, instability is caused by the combination of light and atmospheric agents, with major roles of oxygen and water. The detrimental effects are electron trapping and photo-oxidation that break polymer conjugation and bleach the absorption. However, so far, no effective solution preserving low cost and flexibility has been achieved. The reason is that the degradation mechanisms are still unknown.
Solution-processable hybrid perovskite semiconductors have risen to the forefront of photovoltaics research, offering the potential to combine low-cost fabrication with high-power conversion efficiency (PCE). Originally used in dye-sensitized solar cell technology, the first architectures saw the use of TiO2, both in the form of mesoporous and compact films, as an electron extracting layer. Further development has been driven by empirical optimization strategies and testing of a variety of different architectures. These devices are divided in two categories: standard and inverted. Standard uses TiO2 (compact or mesoporous) to collect the electrons and a small molecule or polymer organic semiconductor for the holes, with record efficiencies of 21% and an open circuit voltage above 1 V; it must be noted that these devices exhibit a kind of electrical instability manifested as slow transient and hysteretic effects that severely affect the final efficiency. The inverted configuration is more similar to organic photovoltaics, exploiting similar materials for the extraction of photogenerated charges. These devices report lower efficiencies respect to standard device but a higher electrical stability which is manifest with stabilized efficiencies and apparently hysteresis-free behaviour.

Abstract (italiano)

Negli ultimi cinquant’anni la rapida evoluzione delle tecnologie ha gradualmente sbilanciato l’equilibrio che esiste tra la produzione e il consumo dell’energia. Le risorse tradizionali che vengono sfruttate per la produzione di energia - carbone, petrolio e gas naturali - iniziano ad essere sempre meno sufficienti per soddisfare la richiesta di energia senza rischiare di danneggiare l’ambiente che ci circonda. E’ proprio per questo motivo che le energie rinnovabili attraggono sempre più interessi e attenzioni andandosi a candidare come una potenziale soluzione al fabbisogno energetico. Tra le energie rinnovabili, il fotovoltaico si conferma come una delle tecnologie più promettenti per fornire energia a costi contenuti nel rispetto dell’ambiente. Tuttavia per poter sfruttare appieno il potenziale di questa tecnologia la fisica e i meccanismi di conversione fotovoltaica devono essere studiati nel dettaglio. Tra questi la stabilità delle celle solari ricopre uno degli aspetti fondamentali, dove per stabilità si intendono sia la durata e il tempo di vita dei dispositivi sia la stabilità dei meccanismi elettrici delle celle. In questa tesi viene studiata nel dettaglio la stabilità di due tecnologie emergenti nel settore fotovoltaico: le celle solari polimeriche e le celle solari a base di perovskiti.
Nelle celle solari polimeriche capire e comprendere i meccanismi di degrado dei materiali foto attivi permette di sviluppare nuovi materiali in grado di aumentare la durata e l’efficienza delle celle. In generale, il degrado di questi dispositivi è dovuto all’interazione tra la parte ultravioletta della luce e gli agenti atmosferici, in particolare ossigeno e vapore acqueo. Gli effetti del decadimento si riscontrano da un lato nella formazione di stati elettronici che fungono da “trappole” per le cariche fotogenerate diminuendo l’efficienza generale della cella, dall’altro nella modifica chimica dei materiali che porta ad una rottura delle catene polimeriche deteriorando completamente le proprietà ottiche della cella. Studiare e comprendere questi meccanismi è la corretta strada per lo sviluppo di nuovi materiali per celle più efficienti.
L’introduzione delle perovskiti ibride ha rappresentato una rivoluzione nel settore fotovoltaico. Questa tipologia di materiali offre il vantaggio sia di essere processabile da soluzioni sia quello di avere un’efficienza confrontabile a quella del silicio cristallino. Inizialmente queste perovskiti erano utilizzate come materiale fotoassorbente in celle solari simili alle dye senistized solar cells (DSSCs). Questi primi dispositivi sfruttavano uno scaffold mesoporoso di diossido di titanio per estrarre gli elettroni. Successivamente, in seguito allo sviluppo empirico delle celle, lo scaffold mesoporoso è stato rimosso in favore di una configurazione planare. Tuttavia, in entrambe le configurazioni, queste celle hanno dimostrato una naturale instabilità elettrica che si manifesta in una forma di isteresi nella determinazione della caratteristica curva corrente/voltaggio. Questo fenomeno rende ambigua la determinazione finale dell’efficienza di questi dispositivi limitandone effettivamente le possibili applicazioni. In questa tesi viene presentata un’indagine completa delle cause e delle conseguenze di questo fenomeno, mostrando una possibile soluzione a questo problema.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Meneghetti, Moreno
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 27 > scuole 27 > SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI
Data di deposito della tesi:28 Gennaio 2016
Anno di Pubblicazione:28 Gennaio 2016
Parole chiave (italiano / inglese):Celle solari, Perovskiti, polimeri, PCBM Solar Cell, perovskite, hysteresis, OPVs, PCBM
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/03 Fisica della materia
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Scienze Chimiche
Codice ID:9248
Depositato il:18 Ott 2016 12:10
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Bibliografia

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