PV accumulo 3T, Sperimentale

LINEA DI ATTIVITÀ

LA4.13, LA4.14, LA4.15

Strumento/i principale utilizzato per IEMAP (o in generale il tipo di laboratorio)

  • Pulsed Laser Deposition. 
  • Deposizione Sputtering a Radio-Frequenza.
  • Spettroscopia di impedenza.
  • Elettrometri e simulatori solari.
  • Caratterizzazioni elettrochimiche.
  • XRD.
  • SEM. 
  • Ellissometria. 
  • DFT.
  • Laboratorio celle solari.
  • Laboratorio di fabbricazione e caratterizzazione dispositivi.
  • Laboratorio di fabbricazione celle solari e misure di mobilità di carica in materiali organici.


Tipo di misure che sono possibili da realizzare in questo laboratorio, con questo strumento/i

  • Fabbricazioni di elettrodi. 
  • Caratterizzazione elettrochimica di supercapacitori e batterie.
  • Diagrammi di Nyquist. 
  • Analisi di stress sotto illuminazione continua.
  • Misure strutturali. 
  • Misure ottiche. 
  • Modelli di struttura atomica e di comportamento ottico.
  • Fabbricazione dispositivi a film sottile tramite tecniche di deposizione da soluzione. 
  • Fabbricazione e caratterizzazione di film e celle solari a base di perovskite. 
  • Caratterizzazione fotovoltaica. 
  • Assorbimento.
  • Microscopia a scansione elettronica.
  • Diffrazione a raggi x.
  • Caratterizzazioni ottiche, elettriche e morfologiche di singoli strati e/o dispositivi.
  • Caratterizzazione ottica con spettroscopia di assorbimento.
  • Caratterizzazione elettrica con misure I-V. 
  • Spettroscopia d’impedenza.
  • Profilometria.

Applicazione (su quali materiali è stato utilizzato)

  • Celle solari a perovskite.
  • Sistemi di incapsulamento.
  • Metalli (Cu, Ag, Au) per elettrodi.
  • Batterie allo ione Zinco e allo ione di Litio.
  • Perovskite Alogena, TiO2 e la combinazione dei due materiali.
  • Perovskiti metallo alogeno ed interlayer molecolari.
  • Composti organici (polimeri, small-molecules).
  • Composti inorganici (e.g. ossidi metallici).
  • Polimeri e molecole organiche coniugate.

Descrizione risultati raggiunti SAL2

In questa LA sono state investigate le proprietà di Perovskiti di composizione CsPbI3 in quanto esse presentano una ampiezza di manda proibita relativamente elevata, ~1.8eV, che ben si presta ad un buon accoppiamento ottico con celle DSC per BIPV.  Gli ossidi cresciuti di composizione TiO2 sono materiali standard nelle architetture PSC e DSC, pertanto con opportuna configurazione elettronica, con il requisito aggiuntivo di un’alta trasparenza nel visibile anche correlata alla purezza ed ordine reticolare dei materiali cresciuti con metodo gig-lox. La realizzazione sperimentale è stata anche accompagnata da una analisi teorico-computazionali a principi primi la struttura atomica delle fasi delta (non-fotoattiva) e gamma (fotoattiva) del CsPbI3 come input per investigare la transizione polimorfica tra le due. 

Sono stati testati diversi materiali di interfaccia sia con lo strato trasportatore di elettroni che con lo strato trasportatore di lacune. Dispositivi su scala da laboratorio in configurazione invertita utilizzando materiali polimerici e molecolari come strati trasportatori di lacune e materiali di interfaccia. Inizialmente, il catione PEAI è stato incluso negli inchiostri di precursori di perovskite. Successivamente, le due combinazioni PTAA/PEAI-F e PACz/molecola organica antiossidante sono state testate, fabbricando e caratterizzando dispositivi su scala da laboratorio. Lo studio dei materiali di interfaccia è stato esteso anche ad altri materiali. In particolare, sono stati studiati i MXeni che permettono di migliorare il trasferimento di carica.

Abbiamo studiato e sviluppato Nanoparticelle (NPs) di  ZnO processabili da soluzione da utilizzare come interstrati in celle solari organiche. ZnO è un materiale di tipo n largamente utilizzato in elettronica organica come interstrato o strato interfacciale. Accanto a questa attività si è lavorato all’ottimizzazione di nuovi substrati biopolimerici sia per la fabbricazione di dispositivi fotovoltaici che come potenziale materiale d’interfaccia in un sistema integrato PV/accumulo.

Sono state studiate celle solari organiche a base di un nuovo materiale donatore PATTD realizzato con una procedura di sintesi semplificata nell’ottica di una futura industrializzazione. È stato fatto in particolare uno studio esteso sugli effetti della variazione di spessore nei dispositivi per una blenda di PATTD e un accettore non-fullerenico commerciale IT-4F.

Sono stati investigati materiali per il sistema di accumulo del dispositivo a tre terminali, studiando, in particolare, le proprietà elettrochimiche degli MXeni, selezionando la tipologia di sistema di accumulo ed alcune formulazioni di soluzioni elettrolitiche, anche in forma di gel. 

Al fine di completare il dispositivo si sono studiati i materiali incapsulati che permettono di estendere il tempo di vita della cella è i materiali per contattare la cella. Quest’ultima attività è stata sviluppata sia con processi sputtering che con processi di Pulsed Laser Deposition (PLD).

REFERENTE/I

Aldo di Carlo – CNR – ISM

Via del Fosso del Cavaliere 100

FIGURE CON RELATIVE DIDASCALIE ESAUSTIVE

Figura 1

Didascalia

Evoluzione nel tempo della parte reale e della parte immaginaria della funzione dielettrica della perovskite CsPbI3 nell’arco di 1 ora di esperimento.

Figura 2

Didascalia

Prestazioni elettrochimiche delle membrane anodiche a base di MXene Nb2CTz per batterie a ioni litio. Profili di scarica-carica in funzione della densità di corrente (a) e del numero del numero di cicli (b); capacità specifica ed efficienza coulombica registrate nei primi 60 cicli al variare della densità di corrente (c) e dal 40° al 300° ciclo a densità di corrente costante (d).

Deliverable consegnati al SAL2

  • D4.32 – Analisi dei materiali investigati e relativi metodi di caratterizzazione per contatti elettrici, interfacce e elettroliti per sistemi fotovoltaico-accumulo a tre terminali.
  • D4.33 – Database contenente le informazioni circa i materiali di interfaccia, loro caratterizzazione e impatto sulle caratteristiche dei dispositivi di test per la piattaforma IEMAP.

Livello di innovazione

  • Crescita di ossidi trasparenti con metodo up-scalable in vuoto per superare i limiti delle crescite con solvente. Questi sono ottenuti sia tramite sputtering ed anche tramite PLD. Per quanto riguarda lo sputtering abbiamo visto quali sono le condizioni e i principali limiti per la deposizione su perovksite pubblicando un articolo che per la prima volta descrive tali fenomeni. 
  • Integrazione di perovskiti in Carbon-based architecture, con il carbon electrode che può fungere da elettrodo condiviso con una struttura top di tipo accumulo. 
  • Rispetto allo stato dell’arte, è emerso che la fase 2D, composta da alchilammonio PEAI, segrega all’interfaccia con l’elettrodo superiore (catodo di alluminio), agendo da barriera per l’estrazione di carica quando il suo rapporto rispetto allo ioduro di metilammonio (MAI) è eccessivo; quindi, per utilizzare questa tipologia di cationi altamente idrofobici per proteggere lo strato di perovskite è necessario uno stretto controllo sullo spessore per non inficiarne le prestazioni. 
  • Nella ricerca di possibili materiali innovativi da utilizzare per migliorare le performance e la stabilità delle celle solari a perovskite, è risultato di particolare interesse l’utilizzo di una molecola antiossidante, che oltre a garantire l’ottenimento di film di perovskite molto compatta potrebbe avere un effetto migliorativo sulla stabilità del materiale perovskite. Questo rappresenta sicuramente un avanzamento rispetto allo stato dell’arte in quanto tali molecole simili non sono state mai testati allo scopo. 
  • Impiego di componenti/materiali attivi/passivi a ridotto impatto ambientale per le celle solari organiche. Nel dettaglio, si è studiato l’impatto di nuove formulazioni di nanoparticelle di eco-ZnO. 
  • Sviluppo di un polimero di nuova sintesi PATTD che soddisfa questi requisiti e in particolare è stato valutato l’effetto sulle prestazioni delle celle organiche dell’aumento di spessore dello strato attivo fino a circa 400 nm. I campioni più spessi hanno mostrato un aumento delle prestazioni nel tempo, contrariamente a quanto sinora osservato in letteratura e a quello che si osserva nelle celle standard di laboratorio dello spessore tipico di 100 nm: questo miglioramento fa sperare in un utilizzo futuro del nuovo materiale su larga scala.
  • Per quanto riguarda i sistemi di accumulo abbiamo utilizzato nuovi materiali bidimensionali come i MXenei (in particolare Nb2CTz) per realizzare batterie a ioni litio. MXeni di tipo Ti3C2Tx sono stati anche utilizzati per realizzare celle a perovksite alogena con architettura p-i-n. Questi due esempi di utilizzo di nuovi material 2D rappresentano risultati oltre lo stato dell’arte identificando una nuova strategia di interface engieening comune sia alle celle PV che all’accumulo. 

Disseminazione

  • Sathy Harshavardhan Reddy, Francesco Di Giacomo, Fabio Matteocci, Luigi Angelo Castriotta, and Aldo Di Carlo “Holistic Approach toward a Damage-Less Sputtered Indium Tin Oxide Barrier Layer for High-Stability Inverted Perovskite Solar Cells and Modules”, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 51438−51448.
  • Alessandra Alberti, Emanuele Smecca, Salvatore Valastro, Ioannis Deretzis, Giovanni Mannino, Corrado Bongiorno, Giuseppe Fisicaro and Antonino La Magna, “Perovskite solar cells from the viewpoint of innovation and sustainability”, Phys. Chem. Chem. Phys., 2022, 24, 21549–21566. 
  • Salvatore Valastro, Emanuele Smecca, Corrado Bongiorno, Carlo Spampinato, Giovanni Mannino, Simone Biagi, Ioannis Deretzis, Filippo Giannazzo, Ajay Kumar Jena, Tsutomu Miyasaka, Antonino La Magna, and Alessandra Alberti “Out-of-Glovebox Integration of Recyclable Europium-Doped CsPbI3 in Triple-Mesoscopic Carbon-Based Solar Cells Exceeding 9%”. Solar RRL, 2200267, 1-8 2022; Efficiency.
  • C Spampinato, S Valastro, E Smecca, V Arena, G Mannino, A La Magna, C Corsaro, F Neri, E Fazio, A Alberti “Spongy TiO2 layers deposited by gig-lox sputtering processes: Contact angle measurements”, J. Vac. Sci. Technol. B 41, 012802, 2023.
  • Gianluca Bravetti, Davide Altamura, Barbara Paci, Amanda Generosi, Sonia Carallo, Marco Guaragno, Giuseppe Gigli, Andrea Listorti, Giulia Grancini, Cinzia Giannini, Silvia Colella, Aurora Rizzo Addressing the Role of 2D Domains in High-Dimensionality Ruddlesden–Popper Perovskite for Solar Cells” al. SOLAR RRL Solar RRL 7, 2200860, 2023). 
  • Lorenzo Marchi, Franco Dinelli, Piera Maccagnani, Valentina Costa, Tatiana Chenet, Giada Belletti, Marco Natali, Massimo Cocchi, Monica Bertoldo, and Mirko Seri “Sodium Alginate as a Natural Substrate for Efficient and Sustainable Organic Solar Cells” ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, 10, 15608−15617.
  • Gabriele Bianchi, Chiara Carbonera, Laura Ciammaruchi, Nadia Camaioni, Nicola Negarville, Francesca Tinti, Giacomo Forti, Andrea Nitti, Dario Pasini, Antonio Facchetti, Robert M. Pankow, Tobin J. Marks, Riccardo P, “An Anthradithiophene Donor Polymer for Organic Solar Cells with a Good Balance between Efficiency and Synthetic Accessibility”,  Solar RRL 6, 2200643, 2022.
  • Nadia Camaioni, Chiara Carbonera, Laura Ciammaruchi, Gianni Corso, Jeremiah Mwaura, Riccardo Po, Francesca Tinti, “Polymer Solar Cells with Active Layer Thickness Compatible with Scalable Fabrication Processes: A Meta-Analysis”, Adv. Mater. 35, 2210146, 2023.
  • A. Rizzo, Presentazione a conferenza internazionale MATSUS 2023, 6-10 Marzo 2023, Valencia.
  • A. Di Carlo, Presentazione a Nanoinnovation 2022, 19-23 settembre 2022, Roma.