LINEA DI ATTIVITÀ
LA 4.3
Descrizione risultati raggiunti LA
Sono state realizzate ed investigate su scala di laboratorio diverse tipologie di celle solari in perovskiti ibride organiche-inorganiche ad alogenuri di piombo, di tipo n-i-p e p-i-n, opache e semitrasparenti, lavorando con un approccio innovativo. Sono state infatti sviluppate procedure di fabbricazione e ottimizzazione rapida di materiali e dispositivi e, in connessione con la LA1.6, sono stati messi a punto opportuni metodi di monitoring di processo. È stato completato il confronto tra tecniche da soluzione e tecniche in vuoto avviato nella linea LA4.2, chiarendo pro e contro dei due approcci e aspetti importanti da indagare in futuro. Riassumendo i punti salienti, in ambiente di laboratorio, i metodi da soluzione consentono sicuramente elevata flessibilità e rapida esplorazione di composizioni e diversi design, contro i tempi lunghi di messa a punto di materiali e processi nel caso dell’evaporazione. A valle della definizione e adozione di metodi di monitoring affidabili, l’evaporazione consente però ripetibilità, controllo fine degli spessori, tuning composizionale, crescita conforme. I film prodotti hanno mostrato ottime proprietà ottiche e morfologiche. Si è inoltre osservato che possono essere prodotte celle solari con efficienze simili con i due approcci, al momento più basse con l’evaporazione, dove è meno diretta la possibilità di includere additivi in bulk. In prospettiva, sarà importante esplorare e definire opportuni trattamenti di bulk e superficie, in parte riadattabili da quanto già studiato per gli approcci da soluzione. Inoltre, l’evaporazione e tecniche similari, essendo solvent-free (aspetto già di per sé importante, in quanto approccio “green”), consentono di realizzare multistrati di diversi materiali senza dover affrontare problemi di compatibilità tra i diversi solventi necessari, rendendo così possibile la combinazione di un maggior numero di materiali, di particolare interesse tra l’altro per lo sviluppo di multigiunzioni “full-perovskite”.
Risultati attesi nel POA
Il fotovoltaico è uno degli attori principali nel processo di transizione energetica necessario per ridurre nel breve termine le emissioni di gas serra e per realizzare la decarbonizzazione del sistema energetico nazionale al minor costo possibile, in linea con gli obiettivi previsti dal PNIEC, dal pacchetto UE sul cambiamento climatico “Fit for 55” e dal Green Deal europeo. Per sostenere le grandi potenzialità del fotovoltaico e favorirne la penetrazione nel sistema energetico nazionale, la ricerca è chiamata ad agire su vari aspetti rilevanti, tra cui lo sviluppo di nuovi materiali, dispositivi e metodi realizzativi. La presente LA, insieme alle LA4.1 e 4.2 delle precedenti annualità di progetto, si è mossa su questo fronte, mirando in particolare alla definizione di materiali innovativi per il fotovoltaico e di processi di fabbricazione di tali materiali rilevanti in un’ottica di produzione industriale. Grazie all’acquisizione di competenze nell’ambito della scienza dei materiali, dello sviluppo di dispositivi fotovoltaici di nuova generazione e di processi innovativi per la loro realizzazione, si possono prevedere ricadute per l’industria nazionale del settore fotovoltaico nel medio-lungo termine, con il trasferimento tecnologico dei risultati ottenuti una volta raggiunta la giusta maturità, e in cascata benefici al sistema energetico nazionale nel processo di decarbonizzazione delle fonti di energia.
REFERENTE/I
Lucia V. Mercaldo – ENEA
Deliverable consegnati con questo LA
D4.3 – Rapporto tecnico: “Definizione di materiali ed architetture per celle solari a base di perovskite”
Livello di innovazione
Il fotovoltaico in perovskite sta progredendo rapidamente verso la commercializzazione. Nonostante il rapido progresso, è ancora una questione aperta quale tecnologia di fabbricazione, basata su soluzione, su fase vapore o combinazioni, sarà vincente nella produzione su larga scala. I metodi in fase vapore dominano la produzione in molti settori ormai consolidati basati su materiali a film sottile (ad esempio il settore degli OLED per l’elettronica di consumo). La stragrande maggioranza degli studi di ricerca su celle solari in perovskite utilizza invece metodi da soluzione (spin-coating in primis), che beneficiano di un rapido feedback e di strumenti poco costosi. Questa sottorappresentazione in letteratura fa sì che il pieno potenziale dei metodi da fase vapore debba ancora essere identificato. Sia il settore produttivo che scientifico a livello internazionale concordano sulla necessità di investigare maggiormente tali tecniche nel campo specifico del fotovoltaico in perovskite (Energy Environ. Sci., 2024, 17, 1645).
L’attività condotta si inserisce in questo rilevante filone di ricerca e sviluppo. L’innovazione principale raggiunta è nelle metodologie sviluppate di sistematizzazione dei processi di fabbricazione di film di perovskite da evaporazione e nelle procedure di ottimizzazione rapida dei materiali e dei dispositivi prodotti, anche grazie all’acquisizione di nuova strumentazione. Il grado di innovazione può essere considerato quindi elevato e al passo con le tendenze attuali a livello internazionale. Il fotovoltaico in perovskite sta progredendo rapidamente verso la commercializzazione. Nonostante il rapido progresso, è ancora una questione aperta quale tecnologia di fabbricazione, basata su soluzione, su fase vapore o combinazioni, sarà vincente nella produzione su larga scala. I metodi in fase vapore dominano la produzione in molti settori ormai consolidati basati su materiali a film sottile (ad esempio il settore degli OLED per l’elettronica di consumo). La stragrande maggioranza degli studi di ricerca su celle solari in perovskite utilizza invece metodi da soluzione (spin-coating in primis), che beneficiano di un rapido feedback e di strumenti poco costosi. Questa sottorappresentazione in letteratura fa sì che il pieno potenziale dei metodi da fase vapore debba ancora essere identificato. Sia il settore produttivo che scientifico a livello internazionale concordano sulla necessità di investigare maggiormente tali tecniche nel campo specifico del fotovoltaico in perovskite (Energy Environ. Sci., 2024, 17, 1645).
L’attività condotta si inserisce in questo rilevante filone di ricerca e sviluppo. L’innovazione principale raggiunta è nelle metodologie sviluppate di sistematizzazione dei processi di fabbricazione di film di perovskite da evaporazione e nelle procedure di ottimizzazione rapida dei materiali e dei dispositivi prodotti, anche grazie all’acquisizione di nuova strumentazione. Il grado di innovazione può essere considerato quindi elevato e al passo con le tendenze attuali a livello internazionale.
Disseminazione
Paper: Gennaro V. Sannino, Thomas W. Gries, Qiong Wang, Maria Federica Caso, Antonella De Maria, Laura Lancellotti, Lucia V. Mercaldo, Ana Belén Muñoz-Garcia, Michele Pavone, Antonio Abate, Paola Delli Veneri, “Optimizing SnO2 Quantum Dot Precursor Solutions for Perovskite Solar Cells with Reduced Hysteresis”, Solar RRL 2024, 2300977
Poster: L.V. Mercaldo et al., “Systematization of the co-evaporation process of MAPbI3 absorbers for perovskite solar cells”, EUPVSEC 2023, Lisbon September 2023
Oral: L.V. Mercaldo “Development of perovskite films for photovoltaics via thermal evaporation and hybrid methods” Nanoinnovation 2023, Rome September 2023
Invited talk: L.V. Mercaldo, “Materials, approaches, and device architectures for the challenges of photovoltaics”, Winter Workshop on Materials for Energy – wWME 2024, Brixen (BZ), Jan. 28 – Feb. 2
Poster (best poster award): L.V. Mercaldo et al., “Development of perovskite solar cells with MAPbI3 absorber via co-evaporation and hybrid approaches”, 2nd annual conference Rete IFV, Bolzano 11 – 12 giugno 2024
Poster: M.F. Caso et al, “Materials and device architectures for monolithic perovskite/silicon-heterojunction tandem solar cells”, TandemPV Workshop, Amsterdam 25-27 June 2024
Poster: L.V. Mercaldo et al., “Development of MAPbI3 films for perovskite solar cells via evaporation and hybrid methods”, EUPVSEC 2024, Vienna, 23-27 September 2024
Poster: M. Ferrara et al., “Co-evaporation and hybrid approaches for fabrication of MAPbI3 for perovskite solar cells”, HOPV 2024, Valencia, May 2024
Poster: C. Serpico et al., “On the effects of punctual defects on the electronic structure of lead halide perovskites”, Matsus 2024, Barcelona, March 2024
Oral: L.V. Mercaldo, “Perovskite solar cells: materials, devices, methods”, IEMAP Training Course, online 02/10/2024
Oral: L.V. Mercaldo, “Sviluppo di materiali e metodi per celle solari in perovskite”, Evento finale Prog IEMAP, Roma 03/12/2024 Paper: Gennaro V. Sannino, Thomas W. Gries, Qiong Wang, Maria Federica Caso, Antonella De Maria, Laura Lancellotti, Lucia V. Mercaldo, Ana Belén Muñoz-Garcia, Michele Pavone, Antonio Abate, Paola Delli Veneri, “Optimizing SnO2 Quantum Dot Precursor Solutions for Perovskite Solar Cells with Reduced Hysteresis”, Solar RRL 2024, 2300977
Oral: L.V. Mercaldo, “Sviluppo di materiali e metodi per celle solari in perovskite”, Evento finale Prog IEMAP, Roma 03/12/2024
