LINEA DI ATTIVITÀ
LA 4.15
Descrizione risultati raggiunti LA
L’attività di ricerca ha esplorato nuovi materiali, tecniche di deposizione innovative e metodologie per migliorare l’efficienza e la stabilità operativa dei dispositivi. In questa LA sono state investigato le proprietà degli inchiostri di perovskite al fine di realizzare film per celle solari depositabili da soluzione tramite tecniche di stampa. A tal scopo sono state studiate le proprietà reologiche degli inchiostri e definito un modello per la cristallizzazione di film di perovskite in presenza di modificanti reologici e in funzione dei parametri di processo. La tecnica di stampa del blade-coating è stata testata per ottenere dei film con una morfologia adeguata e adatta all’ integrazione in celle solari. È stato trattato lo sviluppo di formulazioni di perovskiti inorganiche a stabilità aumentata e relativamente più resistenti all’umidità ambientale integrando specie Br ed Eu in g-CsPbI3. Misure in-operando testimoniano una estensione del tempo di vita t80 dei dispositivi in aria umida a seguito dell’introduzione di bromo ed europio. Le soluzioni di ingegnerizzazione reticolare adottate a livello atomistico costituiscono azioni di mitigazione verso l’instabilità intrinseca della perovskite, mentre per ridurre l’instabilità dovuta ad agenti esterni possono essere adottate soluzioni consolidate di incapsulamento del materiale e del dispositivo. I dispositivi utilizzati, dotati di elettrodo top in carbonio, sono integrabili in sistemi capacitore/PSC. L’accoppiamento tra i due dispositivi può essere realizzato mettendo in comune l’elettrodo in carbonio, oppure i due dispositivi possono essere meccanicamente accoppiati. Parallelamente, è stata esplorata la deposizione fisica della perovskite mediante Pulsed Laser Deposition (PLD), che ha permesso di ottenere film di MAPbBr₃ in singola fase, con ottime proprietà strutturali e ottiche. Inoltre, si è studiata l’evaporazione termica in ultra-alto vuoto tramite molecular-beam epitaxy, tecnica che ha permesso la crescita controllata di perovskiti a larga bandgap per applicazioni tandem. Per quanto riguarda le celle solari organiche, le attività svolte sono state mirate all’ottimizzazione dell’efficienza delle celle solari organiche processate da soluzione, non solo attraverso l’impiego di materiali ad alte prestazioni, ma anche mediante lo studio dell’effetto di diverse tecniche e condizioni di processo. Inoltre, la ricerca è stata estesa all’utilizzo e all’ottimizzazione di supporti flessibili di origine naturale, come il sodio alginato, con l’obiettivo di sviluppare sistemi ad alte prestazioni ma anche a ridotto impatto ambientale. Lo studio separato della componente fotovoltaica e di quella di accumulo ha permesso di selezionare due tipi di dispositivi ottimali per la realizzazione di un dispositivo a 3 terminali: cella fotovoltaica a perovskite FAPbBr3 e batteria ibrida acquosa a ioni zinco. Questi due componenti sono stati appropriatamente accoppiati realizzando un prototipo di dispositivo a 3 terminali per utilizzo indoor, utilizzando due celle fotovoltaiche, una batteria e due diodi al silicio, capace di accumulare energia in presenza di luce e di cederla in fase di buio a piccole apparecchiature elettroniche di bassa potenza, senza che sia richiesta la presenza di alcuna elettronica di controllo.
Risultati attesi nel POA
Lo sviluppo di nuovi materiali per celle solari da produrre su larga scala e depositabili con tecniche di stampa permette di ridurre il CAPEX per la prodizione di FV.
I dispositivi HTL-free a base carbonio adoperati sono a più basso costo rispetto ai dispositivi dotati di HTL e di contatti in oro e dunque possono ridurre il costo del fotovoltaico
La crescita PLD di film di perovskiti ibride a basso contenuto di difetti permette di realizzazione di celle solari ad alto rendimento con tutti gli strati realizzati in un unico processo di vuoto senza uso di solventi (green).
Il fotovoltaico/accumulo 3T può essere utilizzato per l’alimentazione di piccoli dispositivi indoor (ad es. sensori di allarme, IoT, …) che richiedano bassa potenza, utilizzando la luce indoor per la sua ricarica. Si evita l’utilizzo di batterie non ricaricabili che richiedono sostituzione, con chiari vantaggi economici ed ambientali. Lo sviluppo di nuovi materiali per celle solari da produrre su larga scala e depositabili con tecniche di stampa permette di ridurre il CAPEX per la prodizione di FV.
Il fotovoltaico/accumulo 3T può essere utilizzato per l’alimentazione di piccoli dispositivi indoor (ad es. sensori di allarme, IoT, …) che richiedano bassa potenza, utilizzando la luce indoor per la sua ricarica. Si evita l’utilizzo di batterie non ricaricabili che richiedono sostituzione, con chiari vantaggi economici ed ambientali.
REFERENTE/I
Aldo Di Carlo – CNR
Deliverable consegnati con questo LA
D4.34 – Rapporto tecnico: “Analisi e selezione dei materiali investigati per la deposizione fisica e in fase liquida”
D4.35 – Rapporto tecnico: “Prototipo sistema fotovoltaico/accumulo a tre terminali e feedback al database dei materiali”
D4.36 – Database: “Database contenente le informazioni che correlano i materiali alla tecnica di deposizione per la piattaforma IEMAP” D4.34 – Rapporto tecnico: “Analisi e selezione dei materiali investigati per la deposizione fisica e in fase liquida”
D4.36 – Database: “Database contenente le informazioni che correlano i materiali alla tecnica di deposizione per la piattaforma IEMAP”
Livello di innovazione
Il livello di innovazione del progetto riguarda sia l’aspetto dei materiali e dei processi per la deposizione che l’integrazione di un dispositivo a tre terminali che combina celle solari a perovskite (PSC) FAPbBr₃ e una batteria ibrida a ioni zinco (AZIB) senza l’utilizzo di elettronica di controllo attiva, un aspetto non ampiamente esplorato nella letteratura scientifica. Rispetto agli approcci convenzionali, che prevedono l’uso di circuiti di gestione dell’energia per ottimizzare la carica e proteggere il sistema di accumulo, questo progetto ha introdotto una soluzione completamente passiva, basata su diodi al silicio, che regola automaticamente il flusso di corrente tra la cella fotovoltaica e la batteria, prevenendo la scarica inversa e il degrado delle celle.
Per quanto riguarda i materiali, è stato sviluppato un modello per la cristallizzazione della perovskite partendo da soluzione con l’obiettivo di razionalizzare l’effetto dei parametri di processo (es. velocità di riscaldamento) sulle condizioni di cristallizzazione e sull’energia di attivazione in funzione della concentrazione di additivo polimerico e quindi viscosità della soluzione. L’uso degli elettrodi in carbonio nelle PSC rappresenta un’innovazione significativa rispetto ai dispositivi tradizionali, consentendo di realizzare celle più economiche, scalabili e stabili, senza la necessità di elettrodi metallici costosi e degradabili.
Abbiamo dimostrato la possibilità di depositare in maniera fisica con PLD e MBE la perovskite, definendo un nuovo stato dell’arte nel settore. L’innovazione introdotta nel progetto sulle celle solari organiche (OSC – Organic Solar Cells) riguarda principalmente l’ottimizzazione dei materiali, delle tecniche di deposizione e delle condizioni operative per applicazioni indoor e flessibili. Rispetto alla letteratura, il progetto ha sviluppato inchiostri polimerici ottimizzati compatibili con solventi green, riducendo l’uso di solventi tossici come il cloroformio. È stata migliorata la processabilità tramite blade-coating e slot-die coating, tecniche scalabili per la produzione industriale. Un ulteriore elemento di innovazione è rappresentato dall’impiego di batterie ibride acquose a ioni zinco, che combinano un catodo LiFePO₄ e un elettrolita misto Zn/Li, migliorando la stabilità e la sicurezza rispetto alle tradizionali batterie a ioni di litio, spesso soggette a rischi di instabilità termica. In letteratura, l’uso di AZIB in sistemi fotovoltaico-accumulo è ancora poco studiato, e il progetto ha dimostrato come questa tecnologia possa offrire un’alternativa sostenibile, con elevate prestazioni elettrochimiche e un’ottima reversibilità dei cicli di carica/scarica. Il livello di innovazione del progetto riguarda sia l’aspetto dei materiali e dei processi per la deposizione che l’integrazione di un dispositivo a tre terminali che combina celle solari a perovskite (PSC) FAPbBr₃ e una batteria ibrida a ioni zinco (AZIB) senza l’utilizzo di elettronica di controllo attiva, un aspetto non ampiamente esplorato nella letteratura scientifica. Rispetto agli approcci convenzionali, che prevedono l’uso di circuiti di gestione dell’energia per ottimizzare la carica e proteggere il sistema di accumulo, questo progetto ha introdotto una soluzione completamente passiva, basata su diodi al silicio, che regola automaticamente il flusso di corrente tra la cella fotovoltaica e la batteria, prevenendo la scarica inversa e il degrado delle celle.
Abbiamo dimostrato la possibilità di depositare in maniera fisica con PLD e MBE la perovskite, definendo un nuovo stato dell’arte nel settore. L’innovazione introdotta nel progetto sulle celle solari organiche (OSC – Organic Solar Cells) riguarda principalmente l’ottimizzazione dei materiali, delle tecniche di deposizione e delle condizioni operative per applicazioni indoor e flessibili. Rispetto alla letteratura, il progetto ha sviluppato inchiostri polimerici ottimizzati compatibili con solventi green, riducendo l’uso di solventi tossici come il cloroformio. È stata migliorata la processabilità tramite blade-coating e slot-die coating, tecniche scalabili per la produzione industriale. Un ulteriore elemento di innovazione è rappresentato dall’impiego di batterie ibride acquose a ioni zinco, che combinano un catodo LiFePO₄ e un elettrolita misto Zn/Li, migliorando la stabilità e la sicurezza rispetto alle tradizionali batterie a ioni di litio, spesso soggette a rischi di instabilità termica. In letteratura, l’uso di AZIB in sistemi fotovoltaico-accumulo è ancora poco studiato, e il progetto ha dimostrato come questa tecnologia possa offrire un’alternativa sostenibile, con elevate prestazioni elettrochimiche e un’ottima reversibilità dei cicli di carica/scarica.
Disseminazione
G. Mannino et al. Sol. RRL, 7, 2300610 (2023)
C. Spampinato et al. Vac. Sci. Technol. B 41, 1-8, 3 (2023)
Giuri et al. Mater. Adv., 4, 4294 (2023)
Giuri et al. Cell Report Physical Science 5, 102245 (2024)
E. Ghavidel et al. J. Mater. Chem. C, 12, 13141 (2024)
F. Santoni et al. Journal of Energy Storage 8230, 110389 (2024)
Rizzo et al. Crystallization dynamics of hybrid perovskite mediated by a biopolymer: from precursor solution to thin film under revision
Rizzo et al. Inclusion of polysaccharides in perovskite thin film: from in-solution interaction to film formation and stability under revision
M. Natali et al. ; Stable organic solar cells with enhanced efficiency built on sodium alginate; Adv. Sustainable Syst., 2025, Accepted
Notte Europea dei Ricercatori e Ricercatrici: 27 settembre 2024, Lecce,
Perovskite Evaporation Conference PEC 2024: Roma, 20.09.2024
Seminario “SMeet” Science Sharing Meetings,
https://hq.imm.cnr.it/smeet-science-sharing-meetings,
https://hq.imm.cnr.it/content/perovskiti-foto-attive…quando-dove-perché-come G. Mannino et al. Sol. RRL, 7, 2300610 (2023)
https://hq.imm.cnr.it/content/perovskiti-foto-attive…quando-dove-perché-come
