Development and optimization of fibre-shaped dye-sensitized solar cells employing an innovative fully organic sensitizer

The quality of human life depends to a large degree on the availability of energy. In recent years, photovoltaic technology has been growing extraordinarily as a suitable source of energy, as a consequence of the increasing concern over the impact of fossil fuels on climate change. Developing affordable and highly efficiently photovoltaic technologies is the ultimate goal in this direction. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) offer an efficient and easily implementing technology for future energy supply. Compared to conventional silicon solar cells, they provide comparable power conversion efficiency at low material and manufacturing costs. In addition, DSSCs are able to harvest low-intensity light in diffuse illumination conditions and then represent one of the most promising alternatives to the traditional photovoltaic technology, even more when trying to move towards flexible and transparent portable devices. Among these, considering the increasing demand of modern electronics for small, portable and wearable integrated optoelectronic devices, Fibre Dye-Sensitized Solar Cells (FDSSCs) have gained increasing interest as suitable energy provision systems for the development of the next-generation of smart products, namely “electronic textiles” or “e-textiles”. In this thesis, several key parameters towards the optimization of FDSSCs based on inexpensive and abundant TiO2 as photoanode and a new innovative fully organic sensitizer were studied. In particular, the effect of various FDSSCs components on the device properties pertaining to the cell architecture in terms of photoanode oxide layer thickness, electrolytic system, cell length and electrodes substrates were examined. The photovoltaic performances of the as obtained FDSSCs were fully characterized. Finally, the metal part of the devices (wire substrate) was substituted with substrates suitable for the textile industry as a fundamental step towards commercial exploitation.

Studio di catalizzatori a base di Ni modificati con La per la metanazione della CO2

Le emissioni di CO2 in atmosfera da fonti antropogeniche sono attualmente la principale causa del surriscaldamento globale. Tecnologie sostenibili note come Power-to-gas, consentono di valorizzare la CO2, per la produzione di metano, mediante reazione con H2 proveniente dall’elettrolisi dell’acqua, utilizzando energia prodotta da fonti rinnovabili. Il metano, essendo un vettore energetico molto importante, se possiede requisiti di purezza adeguati, può essere introdotto direttamente nella rete del gas. In questo lavoro di tesi sono state investigate le prestazioni catalitiche, nella reazione di metanazione della CO2, di catalizzatori derivati da composti tipo idrotalcite a base di Ni, modificati con La, e con l’aggiunta di Mg e Zn. I catalizzatori sono stati sintetizzati per coprecipitazione a pH costante, calcinati e ridotti prima di condurre le prove catalitiche. Sono stati inoltre caratterizzati mediante tecniche XRD, H2-TPR, analisi porosimetrica e spettroscopia micro-Raman, sia da calcinati che da spenti. I risultati ottenuti dalle prove catalitiche hanno dimostrato che la presenza del La in un catalizzatore Ni/Al aumenta notevolmente l’attività in termini di conversione di CO2 e selettività in CH4, soprattutto a temperature tra 250 e 300°C. L’aggiunta dello Zn nella struttura ad ossidi misti invece ne inibisce l’attività catalitica, portando ad una diminuzione drastica della conversione e selettività. La presenza del Mg promuove una migliore attività catalitica, rispetto ai catalizzatori con solo La, ma necessita di una temperatura di riduzione più elevata.

Adsorbimento dinamico di CO2 in compositi innovativi a base geopolimerica

Fra le alternative proposte per la riduzione delle emissioni di CO2, le tecniche di Carbon Capture si presentano come un’efficace soluzione per il breve e medio termine. Fra queste, l’adsorbimento su fase solida per la rimozione di CO2 da correnti gassose si prospetta come una valida alternativa rispetto al convenzionale assorbimento ad umido. Questo lavoro di tesi si è occupato della sintesi di un composito a base geopolimerica presso l’ISTEC/CNR di Faenza, da impiegare per l’adsorbimento di CO2 a bassa temperatura, e dell’analisi del suo comportamento in regime di adsorbimento dinamico. Tale materiale è stato sintetizzato tramite attivazione con soluzione alcalina di metacaolino 1200S addizionato con polveri di zeolite Na13X. Esso costituisce una opzione interessante per la cattura di CO2, mostrando capacità di adsorbimento superiori a 1 mmol/g per concentrazioni di CO2 del 14% (a pressione atmosferica), simili a quelle presenti in molti processi industriali. Le prestazioni in regime dinamico risultano inoltre simili a quelle registrate nel regime statico. Le prove sperimentali hanno evidenziato la criticità della rigenerazione del materiale, in particolare riguardo all’eliminazione dell’acqua. Una temperatura di 130°C si mostra adatta per ottenere un’elevata rigenerazione del materiale, con rimozione sia di CO2 che dell’umidità adsorbita. Dalle prove svolte è risultato evidente come non sia conveniente operare con desorbimenti a temperatura ambiente e pressione atmosferica, ma sia necessario operare combinando swing di pressione e temperatura. È stato inoltre valutato l’effetto di una più bassa temperatura di adsorbimento (2°C), che porta ad un aumento della capacità del materiale. Sviluppi futuri in questo campo potrebbero essere la produzione di monoliti geopolimerici a porosità strutturate tramite tecniche innovative quali il freeze-casting e l’utilizzo di compositi integrati con additivi che ne migliorino le performance in termini di conducibilità termica.

Sintesi e caratterizzazione di eptameri a base tiofenica con sequenza D-A1-D-A-D-A1-D per applicazioni in BHJ solar cells

L’interesse della ricerca scientifica sta crescendo sempre più tra i materiali a base tiofenica, spinta dalle loro sorprendenti proprietà funzionali e semiconduttive. Gli oligotiofeni trovano infatti applicazione in molti campi interdisciplinari, in particolare nei dispositivi fotovoltaici organici. In questo studio è stato sintetizzato un nuovo eptamero T7-Bz-TSO2 con sequenza D-A1-D-A-D-A1-D grazie alla reazione di cross-coupling Suzuki-Miyaura catalizzata da un complesso di palladio e assistita da microonde. Questo lavoro si è incentrato sull’introduzione di una nuova unità tiofenica S,S-diossidata lungo la catena oligomerica principale e sullo studio delle diverse proprietà ottiche ed elettrochimiche del nuovo materiale, utilizzato come strato fotattivo in una cella solare organica di tipo bulk heterojunction (BHJ). Lo studio dei parametri di cella ha rivelato una promettente natura ambipolare del T7-Bz-TSO2, non comune in questa classe di composti e di grande interesse per lo sviluppo di dispositivi fotovoltaici organici.

Studio sperimentale di una pompa di calore elio-assistita a CO2 per la climatizzazione e la produzione di acqua calda sanitaria

Il seguente lavoro di tesi ha come obiettivo lo studio delle prestazioni energetiche di una pompa di calore elio-assistita, reversibile e multi-sorgente, la quale combina la tecnologia delle pompe di calore aria-acqua con quella dei collettori solari ibridi termo-fotovoltaici. L’impianto oggetto di studio è situato presso il centro di ricerca ENEA Casaccia ed è stato sviluppato con lo scopo di soddisfare la richiesta di riscaldamento/raffrescamento e produzione di acqua calda di un edificio residenziale o commerciale. In questo elaborato si è analizzato il funzionamento invernale della pompa di calore finalizzato alla produzione di acqua calda sanitaria, confrontando due modalità operative differenti con diverse impostazioni di lavoro della frequenza del compressore e della valvola di laminazione. L’elemento distintivo delle due modalità operative è il componente avente la funzione di evaporatore in quanto in una modalità è stata impiegata una batteria alettata con ventilazione forzata, mentre nell’altra un campo di pannelli termo-fotovoltaici. I risultati ottenuti dalle prove sperimentali hanno evidenziato migliori prestazioni della pompa di calore con i collettori ibridi termo-fotovoltaici, in caso di presenza di elevati valori di irraggiamento solare. Elemento di innovazione dell’impianto sperimentale è l’utilizzo del fluido naturale R744 (CO2) come refrigerante il quale viene sfruttato anche per raffreddare le celle fotovoltaiche comportando in questo modo, un doppio effetto utile all’impianto stesso: miglioramento del rendimento elettrico dei collettori solari e contemporaneamente un incremento della temperatura di evaporazione con conseguente beneficio sulle prestazioni della pompa di calore.

Studio dell’idrogenazione della CO2 a MeOH mediante catalizzatori a base di Cu/In/Al

Ad oggi, l’aumento delle emissioni di gas serra, principalmente di CO2, dovuto alle attività antropiche, ha portato ad un aumento delle temperature medie globali. La sintesi del metanolo da CO2 ha attirato molto l’interesse della ricerca e attualmente il catalizzatore Cu/ZnO/Al2O3, sviluppato per la produzione di metanolo da gas di sintesi si dimostra il più utilizzato. Tuttavia, alcune sue problematiche, legate alla bassa selettività rispetto a MeOH all’aumentare della temperatura, per via della reazione concorrente di RWGS e problemi di disattivazione per sinterizzazione relazionati con l’acqua prodotta, hanno portato allo studio di nuovi catalizzatori. Recentemente, catalizzatori a base di In2O3 hanno catturato molto l’attenzione già che hanno una elevata selettività in metanolo. Lo scopo della tesi si è basato sullo studio di catalizzatori a base di Cu/In/Al per l’idrogenazione della CO2 a MeOH. Una volta sintetizzati e caratterizzati i catalizzatori sono stati messi a confronto con un catalizzatore commerciale (Cu/ZnO/Al2O3). Sono stati investigati gli effetti del contenuto di Cu, metodo di preparazione e temperatura di riduzione nelle prestazioni catalitiche (conversione, selettività  e resa spazio-temporale). I valori di conversione e selettività  dipendono del contenuto di Cu, raggiungendo il massimo con un contenuto intermedio di Cu (30 % rapporto atomico), tuttavia i risultati sono inferiori a quelli ottenuti con il catalizzatore commerciale. La temperatura di riduzione più adatta è stata 300 °C. Riguardo al metodo di preparazione, non sembra modificare significativamente le prestazioni catalitiche. Saranno necessari ulteriori studi su altre formulazioni di catalizzatori per migliorare sia la attività che la selettività.