Celle solari ultra-sottili in silicio

Con l’incremento della popolazione mondiale e la conseguente crescita del fabbisogno di energia dovuta a nuovi lavori e sempre più macchinari in circolazione, è insorta l'esigenza di produrre più energia elettrica. A partire dagli anni ’50 numerosi scienziati hanno analizzato il problema energetico e sono giunti alla conclusione che fonti di energia come petrolio, carbone e gas non erano in grado di soddisfare il bisogno umano sul lungo termine e si è quindi passati alla ricerca di altre fonti di energia come il nucleare. Oggi, grazie ad un progetto ed uno studio di circa 50 anni fa – finalizzato alla alimentazione di satelliti geostazionari - , si sta sempre di più affermando la scelta del fotovoltaico, in quanto rappresenta un’energia pulita e facilmente utilizzabile anche nei luoghi dove non è possibile avere un allaccio alla normale rete elettrica. La ricerca di questo nuovo metodo di produrre energia, che tratta la conversione di luce solare in energia elettrica, si è evoluta, differenziando materiali e metodi di fabbricazione delle celle fotovoltaiche, e quindi anche dei moduli fotovoltaici. Con la crescente produzione di apparati elettronici si è arrivati però ad avere un nuovo problema: il consumo sempre maggiore di silicio con un conseguente aumento di prezzo. Negli ultimi anni il prezzo del silicio è significativamente aumentato e questo va a pesare sull’economia del pannello fotovoltaico, dato che questo materiale incide per il 40-50% sul costo di produzione. Per questo motivo si sono voluti trovare altri materiali e metodi in grado di sostituire il silicio per la costruzione di pannelli fotovoltaici, con il seguire di nuovi studi su materiali e metodi di fabbricazione delle celle. Ma data la conoscenza e lo studio dovuto ai vari utilizzi nell’elettronica del silicio, si è anche studiato un metodo per ottenere una riduzione del silicio utilizzato, creando wafer in silicio sempre più sottili, cercando di abbassare il rapporto costo-watt , in grado di abbassare i costi di produzione e vendita.

Evoluzione delle celle solari al silicio

Negli ultimi anni si è assistito nel panorama mondiale ad un notevole ed importante cambiamento nell’asset della produzione dell’energia elettrica. L’aumentare del costo nell'estrazione dei combustibili fossili ed il conseguente impatto ambientale che questi hanno nell'atmosfera ha influito notevolmente sullo sviluppo e sulla diffusione della tecnologia fotovoltaica. L’evoluzione di questa tecnologia ha permesso di raggiungere la “grid parity”, ossia l’uguaglianza tra il costo di 1 kWh prodotto dal fotovoltaico con 1 kWh prodotto da fonti fossili, per molte aree del pianeta. Tale tecnologia non è recente, già negli anni ‘60 si svilupparono i primi studi a riguardo, ma negli ultimi anni ha subito notevoli migliorie che l’hanno portata ad essere competitiva nel settore dell’energia elettrica. Il presente lavoro di tesi riporta una rassegna delle celle solari a base di silicio, a partire dal silicio monocristallino, al silicio poli e multi cristallino, fino ad arrivare a celle a film sottile o celle costituite da materiali multi-fase contenenti strutture quantiche e nanocristalli di Si. Negli ultimi anni tutti gli studi si stanno concentrando su un nuovo tipo di fotovoltaico, quello di terza generazione, il cui scopo è quello di ottenere dispositivi che, ad un prezzo molto contenuto dovuto ad un utilizzo di materiali economici come i Si-NCs (nano cristalli di silicio), possano garantire elevate efficienze in modo tale che la tecnologia fotovoltaica sia in grado di affermarsi definitivamente nel settore dell’energia.

Studio di celle solari innovative basate su "multiple electron-hole generation"

L’aumento dei consumi energetici e la sempre maggiore attenzione posta al tema ambientale fanno delle energie alternative una valida alternativa alle fonti , quali carbone e petrolio,che presentano una elevata generazione di gas serra . Tra le varie fonti alternative di energia un ruolo preponderante è stato assunto dal solare fotovoltaico, che dagli anni ’80 ad oggi ha conosciuto un rapido sviluppo sia in termini di ricerca che di utilizzo su larga scala. Negli ultimi anni tutti gli studi si stanno concentrando su un nuovo tipo di fotovoltaico, quello di terza generazione , il cui scopo è quello di ottenere dispositivi che possano garantire elevate efficienze in modo tale che la tecnologia fotovoltaica sia in grado di affermarsi definitivamente nel settore dell’energia. Il presente lavoro di tesi analizza il processo di conversione fotovoltaica ed il principio di funzionamento delle celle solari . I limiti termodinamici per l'efficienza di conversione di celle solari a singola giunzione sono stati discussi nella tesi. E' presentata nella tesi una rassegna delle principali strategie per il superamento dei limiti termodinamici per l'efficienza di una cella solare a singola giunzione . Sono stati analizzati : •il processo di rilassamento intrabanda dei nanocristalli ; •la generazione multipla di eccitoni (MEG) •il processo di Generazione di eccitoni multipli in nanocristalli di silicio colloidali (MEG in Si NCs). Tali risultati rivestono un particolare interesse per lo sviluppo di celle solari innovative , ad alta efficienza di conversione , utilizzando un materiale facilmente reperibile ed economico come appunto è il Silicio.

Diketopyrrolopyrrole derivatives for bulk heterojunction and dye sensitised solar cells

This thesis describes the synthesis and characterisation of a series of molecules for use in bulk heterojunction and dye sensitised solar cells. The target molecules were based on a central diketopyrrolopyrrole subunit. Molecules based on diketopyrrolopyrrole have a conjugated structure, allowing for π-π interaction. Diketopyrrolopyrrole molecules also have relatively low lying HOMO and LUMO levels and high absorption coefficients and exhibit efficient charge transport properties. Furthermore, their electron withdrawing properties have warranted their use as promising organic photovoltaic materials. A number of molecules were successfully synthesised and sent to collaborators for testing in organic photovoltaic devices and development of this series of molecules continues to be of interest within the research group.

Sintesi e caratterizzazione di oligo e politiofeni tioalchil sostituiti per applicazioni fotovoltaiche

Nell'ultimo decennio sono stati sviluppati numerosi materiali π-coniugati contenenti unità tiofeniche per applicazioni in dispositivi organici a film sottile. Nel campo delle celle solari, la possibilità di creare dispositivi basati sull’utilizzo di materiali organici, rispetto ai dispositivi attualmente in commercio a base di silicio, ha suscitato grande interesse soprattutto per la possibilità di realizzare dispositivi su larga area con basso costo di produzione e su substrati flessibili. Gli oligo- e i politiofeni sono eccellenti candidati grazie alle ottime proprietà di trasporto di carica e alle caratteristiche di assorbimento di luce. In celle solari di tipo Bulk-Heterojunction (BHJ), ad esempio, il poli(3-esiltiofene) è uno tra i materiali più studiati. Ad oggi, con il P3HT sono state raggiunte efficienze certificate superiori all’8%, variando sia parametri dipendenti dalla struttura molecolare, come ad esempio il peso molecolare, la regioregolarità delle catene alchiliche, il grado di polidispersità, il grado di polimerizzazione, sia parametri da cui dipende l’organizzazione della blend donatore-accettore. Per superare l’efficienza di conversione ottenuta con i polimeri classici come il P3HT è necessario progettare e sintetizzare materiali con precise caratteristiche: basso energy gap per aumentare l’assorbimento di luce, elevata mobilità di carica per avere una rapida estrazione delle cariche, posizione ottimale degli orbitali di frontiera per garantire una efficiente dissociazione dell’eccitone ed infine buona solubilità per migliorare la processabilità. Il presente lavoro di tesi si è articolato nei seguenti punti: sintesi di oligo- e politiofeni tioalchil sostituiti con inserzione di unità benzotiadiazolo per massimizzare l’assorbimento ed abbassare il gap energetico; studio dell’effetto della ramificazione del gruppo tioalchilico sull’organizzazione supramolecolare allo stato solido e successiva ottimizzazione della morfologia del film solido variando metodi di deposizione e solventi; applicazione degli oligomeri e dei polimeri sintetizzati come materiali donatori in celle fotovoltaiche di tipo Bulk-Heterojunction in presenza di fenil-C61-butirrato di metile (PCBM) come materiale accettore.

Synthesis, thin-film morphology, and comparative study of bulk and bilayer heterojunction organic photovoltaic devices using soluble diketopyrrolopyrrole molecules

Diketopyrrolopyrrole (DPP)-based organic semiconductors EH-DPP-TFP and EH-DPP-TFPV with branched ethyl-hexyl solubilizing alkyl chains and end capped with trifluoromethyl phenyl groups were designed and synthesized via Suzuki coupling. These compounds show intense absorptions up to 700 nm, and thin film-forming characteristics that sensitively depend on the solvent and coating conditions. Both materials have been used as electron donors in bulk heterojunction and bilayer organic photovoltaic (OPV) devices with fullerenes as acceptors and their performance has been studied in detail. The best power conversion efficiency of 3.3% under AM1.5G illumination (100 mW cm -2) was achieved for bilayer solar cells when EH-DPP-TFPV was used with C 60, after a thermal annealing step to induce dye aggregation and interdiffusion of C 60 with the donor material. To date, this is one of the highest efficiencies reported for simple bilayer OPV devices.

Sintesi e caratterizzazione di oligo e politiofeni per applicazioni in elettronica e biodiagnostica

Negli ultimi anni sono stati sintetizzati numerosi oligomeri e polimeri del tiofene che, grazie alle loro proprietà di semiconduttori, hanno trovano largo impiego in molti campi di interesse tecnologico come, ad esempio, transistor ad effetto di campo, diodi elettroluminescenti, dispositivi ottici non lineari e celle fotovoltaiche. Più recentemente, oligomeri tiofenici ossidati allo zolfo hanno trovato applicazione sia in campo elettronico, come materiali accettori in blenda con il poli(3-esiltiofene) (P3HT) usato come materiale donatore, in celle solari di tipo Bulk Hetero Junction (BHJ), ma anche in campo biologico come marcatori fluorescenti di proteine e oligonucleotidi. Tuttavia la sintesi di queste specie richiede condizioni di reazione spinte e al contempo rischiose dovute all’utilizzo in largo eccesso di agenti ossidanti molto forti. Uno degli obiettivi di questa tesi è stato lo sviluppo di metodi più versatili per la mono e di-ossidazione selettiva allo zolfo del tiofene di building-blocks dibromurati di diversa natura. Successivamente i building-blocks S-monossido e S,S-diossido derivati sono stati impiegati per la sintesi di oligomeri e polimeri tramite reazioni di cross-coupling Palladio catalizzate. I composti finali sono stati caratterizzati sia dal punto di vista spettroscopico UV-Vis che elettrochimico, mettendo in evidenza le relazioni che esistono fra gli andamenti dei dati sperimentali ottenuti con il diverso stato di ossidazione dei composti tiofenici diversamente sostituiti. Infine i composti finali sono stati testati sia in campo fotovoltaico che biologico.

Studio delle proprieta ottiche di film di silicon oxynitrides (sion) per applicazioni fotovoltaiche

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

Proprietà ottiche di film sottili a base di silicio per applicazioni fotovoltaiche

Questa tesi ha come obiettivo quello di misurare la dipendenza spettrale di alcune proprietà ottiche, come trasmittanza e riflettanza, al fine di ricavare l’energy gap di film sottili costituiti da nanocrystalline silicon oxynitride (nc-SiOxNy) per applicazioni in celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer). Questi campioni sono stati depositati presso l’Università di Konstanz (Germania) tramite tecnica PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Questo materiale risulta ancora poco conosciuto per quanto riguarda le proprietà optoelettroniche e potrebbe presentare una valida alternativa a silicio amorfo (a-Si) e ossido di silicio idrogenato amorfo (a-SiOx:H) che sono attualmente utilizzati in questo campo. Le misure sono state effettuate presso i laboratori del Dipartimento di Fisica e Astronomia, settore di Fisica della Materia, dell’Università di Bologna. I risultati ottenuti mostrano che i campioni che non hanno subito alcun trattamento termico (annealing) presentano un energy gap che cresce linearmente rispetto alla diluizione di protossido di azoto in percentuale. Nei campioni analizzati sottoposto ad annealing a 800°C si è osservato un aumento dell’Eg dopo il trattamento. Un risultato ottimale consiste in un gap energetico maggiore di quello del silicio amorfo (a-Si) e del silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), attualmente utilizzati in questa tipologia di celle, per evitare che questo layer assorba la luce solare che deve invece essere trasmessa al silicio sottostante. Per questo motivo i valori ottenuti risultano molto promettenti per future applicazioni fotovoltaiche.

Fotovoltaico di terza generazione: celle tandem

Questa tesi ha come argomento lo studio dei dispositivi fotovoltaici, sistemi che trasformano la radiazione solare in energia elettrica. In particolare è stata approfondita l'analisi di una specifica categoria di celle solari, le tandem cells, dispositivi a giunzione multipla in cui la radiazione solare attraversa due o più giunzioni singole caratterizzate da gap energetici differenti, al fine di massimizzarne l'assorbimento. In primo luogo sono state analizzate le caratteristiche della radiazione solare, assimilabile a quella di un Corpo Nero. Successivamente, dopo una presentazione introduttiva dei parametri principali dei dispositivi fotovoltaici, sono state studiate in dettaglio le celle a giunzione singola, sia da un punto di vista elettrico che termodinamico. Infine è stato esposto il funzionamento delle celle tandem, dando particolare risalto alla risposta elettrica e ai limiti di efficienza di questi dispositivi.

Studio di celle fotovoltaiche di terza generazione: celle tandem

Il fotovoltaico (FV) costituisce il modo più diretto di conversione dell’energia solare in energia elettrica e si basa sull’effetto osservato da Becquerel nel 1839. Si può affermare che tale effetto è rimasto una curiosità di laboratorio dalla metà del XIX secolo fino al 1954, quando la prima cella solare in silicio con un’efficienza di conversione del 6% fu costruita ai Laboratori Bell. Da allora la ricerca in questo settore ha sperimentato una crescita costante ed oggi si può contare su tecnologie mature, in grado di sviluppare alte prestazioni in via di ulteriore miglioramento. Le celle tandem costituiscono ora il migliore esempio di dispositivi fotovoltaici in grado di convertire buona parte della potenza irraggiata dal sole. Aumentare l’efficienza con le celle tandem significa sfruttare le differenti lunghezze d’onda dello spettro solare. Questi dispositivi sono infatti costruiti impilando semiconduttori, disponendoli dal basso in modo crescente secondo i loro valori di energia di gap. A partire dall’analisi delle caratteristiche principali della radiazione solare e del principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche, questo lavoro si propone di mettere in evidenza le potenzialità della tecnologia a multigiunzione, che ha già dimostrato rilevanti capacità di ottimizzazione delle prestazioni delle celle solari, facendo ben sperare per il futuro.

Optical and microscopic study of a polymer-nanotube mixture for organic photovoltaic applications

Organic solar cells based on bulk heterojunction between a conductive polymer and a carbon nanostructure offer potential advantages compared to conventional inorganic cells. Low cost, light weight, flexibility and high peak power per unit weight are all features that can be considered a reality for organic photovoltaics. Although polymer/carbon nanotubes solar cells have been proposed, only low power conversion efficiencies have been reached without addressing the mechanisms responsible for this poor performance. The purpose of this work is therefore to investigate the basic interaction between carbon nanotubes and poly(3-hexylthiophene) in order to demonstrate how this interaction affects the performance of photovoltaic devices. The outcomes of this study are the contributions made to the knowledge of the phenomena explaining the behaviour of electronic devices based on carbon nanotubes and poly(3-hexylthiophene). In this PhD, polymer thin films with the inclusion of uniformly distributed carbon nanotubes were deposited from solution and characterised. The bulk properties of the composites were studied with microscopy and spectroscopy techniques to provide evidence of higher degrees of polymer order when interacting with carbon nanotubes. Although bulk investigation techniques provided useful information about the interaction between the polymer and the nanotubes, clear evidence of the phenomena affecting the heterojunction formed between the two species was investigated at nanoscale. Identifying chirality-driven polymer assisted assembly on the carbon nanotube surface was one of the major achievements of this study. Moreover, the analysis of the electrical behaviour of the heterojunction between the polymer and the nanotube highlighted the charge transfer responsible for the low performance of photovoltaic devices. Polymer and carbon nanotube composite-based devices were fabricated and characterised in order to study their electronic properties. The carbon nanotube introduction in the polymer matrix evidenced a strong electrical conductivity enhancement but also a lower photoconductivity response. Moreover, the extension of pristine polymer device characterisation models to composites based devices evidenced the conduction mechanisms related to nanotubes. Finally, the introduction of carbon nanotubes in the polymer matrix was demonstrated to improve the pristine polymer solar cell performance and the spectral response even though the power conversion efficiency is still too low.

Multi-wall carbon nanotube coating of fluorine-doped tin oxide as an electrode surface modifier for polymer solar cells

A controlled layer of multi-wall carbon nanotubes (MWCNT) was grown directly on top of fluorine-doped tin oxide (FTO) glass electrodes as a surface modifier for improving the performance of polymer solar cells. By using low-temperature chemical vapor deposition with short synthesis times, very short MWCNTs were grown, these uniformly decorating the FTO surface. The chemical vapor deposition parameters were carefully refined to balance the tube size and density, while minimizing the decrease in conductivity and light harvesting of the electrode. As created FTO/CNT electrodes were applied to bulk-heterojunction polymer solar cells, both in direct and inverted architecture. Thanks to the inclusion of MWCNT and the consequent nano-structuring of the electrode surface, we observe an increase in external quantum efficiency in the wavelength range from 550 to 650 nm. Overall, polymer solar cells realized with these FTO/CNT electrodes attain power conversion efficiency higher than 2%, outclassing reference cells based on standard FTO electrodes.