A study on organic and hybrid emerging photovoltaics: modeling and reliability

Il fotovoltaico può essere classificato in tre generazioni a seconda della tecnologia utilizzata: singola giunzione (multi) cristallino (1G), singola giunzione film sottile (2G) ed etero-giunzione (3G). Le celle solari organiche e ibride appartengono alla 3G. Il processo di produzione tipografico a bassa temperatura, i colori personalizzabili, la flessibilità e il breve tempo di ammortamento sono solo alcuni dei vantaggi di queste tecnologie, che rendono il fotovoltaico organico e ibrido attraenti in termini di costi ed integrazione architettonica. Nonostante i vantaggi, il fotovoltaico organico/ibrido ha una minore efficienza, durata ed affidabilità rispetto alle tecnologie inorganiche. Diversi problemi devono essere risolti al fine di migliorare le celle solari organiche/ibride. Studiando celle nuove ed intenzionalmente degradate, abbiamo studiato il comportamento a diverse polarizzazioni ed illuminazioni per implementare un modello di impedenza dettagliato. Le impedenze mostrano una diversa evoluzione dei picchi, a seconda del tipo di degradazione. Per descrivere il comportamento delle impedenze abbiamo sviluppato un modello elettrico basato su elementi distribuiti. Le principali differenze tra celle nuove e degradate sono messe in evidenza. Sottoponendo celle solari in P3HT:PCBM a stress elettrici ed in temperatura, abbiamo identificato e separato diversi contributi che influiscono sulla tensione di circuito aperto e sulla corrente di cortocircuito durante entrambi gli stress. Tramite l’uso di un modello applicato alla foto-corrente abbiamo stimato parametri come la generazione, la ricombinazione, la velocità di dissociazione in funzione del tempo di stress. I parametri estrapolati mostrano che lo stress influisce principalmente sul tasso di ricombinazione della carica polaronica. Nelle celle solari ibride, il comportamento elettrico anomalo dei dispositivi a perovskite impedisce la loro piena affidabilità. Abbiamo studiato l'isteresi e gli effetti del campo elettrico su dispositivi planari in perovskite CH3NH3PbI3, sintetizzati a partire da precursori laser-ablati, mediante misure elettriche a differenti scan-rate e misure ottiche. Lo scopo è quello di caratterizzare i fenomeni di degrado della perovskite quando esposta all’applicazione di campo elettrico. I risultati indicano la presenza di ioni che migrano nella perovskite quando il dispositivo è polarizzato. Per spiegare nel dettaglio i meccanismi che concorrono ai comportamenti osservati, abbiamo presentato un modello qualitativo. La stessa dinamica di degradazione si verifica su dispositivi verticali, tipici delle celle solari in perovskite. Inoltre, abbiamo sottoposto celle solari in perovskite facenti uso di Spiro-OMeTAD come materiale per il trasporto di lacune a stress termico. Abbiamo applicato due diverse tecniche per sigillare ed incapsulare i dispositivi. Correlando i risultati ottenuti durante l'esperimento a differenti dinamiche all'interno delle celle, abbiamo distinto almeno due possibili cause che possono aiutare a capire i meccanismi di degrado delle celle in perovskite. Infine, determinare in modo accurato il tempo di vita di cellule solari ibride/organiche è spesso arduo a causa del comportamento molto dinamico nel tempo e di curve di invecchiamento con forme di varia natura. Pertanto, al fine di determinare con esattezza e riproducibilità la durata di questi dispositivi fotovoltaici (PV), è stato sviluppato un nuovo algoritmo di elaborazione che consente il livellamento, il filtraggio e l'estrapolazione automatica dei parametri determinanti il tempo di vita delle celle, così come definiti nel standard ISOS. L'algoritmo è anche in grado di prevedere la durata dei dispositivi non testati fino a fine vita, fintanto che vi sia una sufficiente quantità di dati utili ad eseguire un'estrapolazione affidabile delle curve di invecchiamento.