Modulazione della crescita cristallina per celle solari ibride a perovskite efficienti

The continuous rise in global energy demand, driven by population growth and industrial expansion, has led to an associated increase in CO₂ emissions, underscoring the urgent need for a swift transition to sustainable energy sources. Among the available options, solar energy stands out as one of the most promising solutions due to its abundance and the rapid advancement of photovoltaic technologies. Although silicon-based solar cells currently dominate the market, their energy-intensive production processes and relatively long energy payback times highlight the importance of identifying alternative materials. In this context, hybrid halide perovskites (HHPs) have emerged as a highly attractive class of materials, owing to their excellent optoelectronic properties, low-temperature solution processability, and rapidly increasing power conversion efficiencies, now on par with those of mature silicon technologies. This thesis explores the relationship between processing conditions and the resulting structural and optoelectronic properties of perovskite materials, both as thin films and within complete photovoltaic devices. Particular emphasis is placed on understanding how parameters such as solvent environment, annealing protocols, and compositional tuning affect material stability, defect formation, and device performance. A central objective of this work is to identify fabrication routes that mitigate the intrinsic environmental sensitivity of perovskite materials, enabling more stable and reproducible devices. By correlating nanoscale crystallization dynamics with macroscopic device behavior, the study offers insights into mechanisms of defect passivation and phase stabilization. Ultimately, this research contributes to the advancement of scalable, efficient, and stable perovskite solar cells, supporting their integration into sustainable energy technologies and reinforcing their potential as a viable alternative in the global shift toward renewable energy.

L’aumento continuo della domanda energetica globale, trainato dalla crescita della popolazione e dall’espansione industriale, ha comportato un corrispondente incremento delle emissioni di CO₂, evidenziando l’urgente necessità di una rapida transizione verso fonti energetiche sostenibili. Tra le opzioni disponibili, l’energia solare si distingue come una delle soluzioni più promettenti grazie alla sua abbondanza e al rapido avanzamento delle tecnologie fotovoltaiche. Sebbene le celle solari al silicio dominino attualmente il mercato, i loro processi produttivi ad alta intensità energetica e i tempi di ritorno energetico relativamente lunghi sottolineano l’importanza di individuare materiali alternativi. In questo contesto, le perovskiti alogenuri ibride (HHP) sono emerse come una classe di materiali altamente interessante, grazie alle eccellenti proprietà optoelettroniche, alla processabilità in soluzione a bassa temperatura e al rapido aumento delle efficienze di conversione di potenza, ormai paragonabili a quelle delle tecnologie al silicio mature. Questa tesi esplora la relazione tra le condizioni di processo e le conseguenti proprietà strutturali e optoelettroniche dei materiali perovskitici, sia in forma di film sottili sia all’interno di dispositivi fotovoltaici completi. Particolare enfasi è posta sulla comprensione di come parametri quali l’ambiente solvente, i protocolli di ricottura e l’ottimizzazione della composizione influenzino la stabilità del materiale, la formazione di difetti e le prestazioni del dispositivo. Un obiettivo centrale di questo lavoro è identificare percorsi di fabbricazione che mitighino l’intrinseca sensibilità ambientale dei materiali perovskitici, consentendo dispositivi più stabili e riproducibili. Correlando le dinamiche di cristallizzazione su scala nanometrica al comportamento macroscopico del dispositivo, lo studio fornisce indicazioni sui meccanismi di passivazione dei difetti e di stabilizzazione di fase. In ultima analisi, questa ricerca contribuisce all’avanzamento di celle solari a perovskite scalabili, efficienti e stabili, favorendone l’integrazione nelle tecnologie energetiche sostenibili e rafforzandone il potenziale come valida alternativa nella transizione globale verso le energie rinnovabili.