Celle solari a perovskite da una prospettiva sulla sostenibilità

Perovskite Solar Cells (PSCs) are acknowledged to represent a breakthrough in the photovoltaic sector. This is due to the high photoconversion efficiency, likewise to the easiness and versatile methods of device production on different substrates (rigid or flexible) at low-cost. Moreover, the unique and accessible characteristics of semi-transparency and bandgap tunability of the perovskite materials, achieved by regulating composition and thickness, make them suitable for smart cities once integrated in Buildings or applied in Agrivoltaics. Many device architectures and perovskite compositions have been investigated over the years, each having specific pros and cons. The efficiency record of PSCs was recently boosted to the value of 25.8% on a lab-scale but some issues still hinder their commercialization, specifically: • the low performance durability over the time due to 1) the perovskite intrinsic instability which is further worsen by external environmental agents (water, oxygen, or other guest atoms) and 2) the interfaces between perovskite and the charge transporting layers which impact on efficiency and stability of the solar cells; • the up-scaling of the perovskite technology with the related production processes from small-area to large area devices (from lab to fab); • the presence of Pb in the perovskite composition which poses potential risks for human health and environmental matrixes if it is released after PSCs damage. For all those reasons, the photo-conversion efficiency value cannot be considered as the univocal parameter to evaluate a PSC architecture. From a complementary perspective, materials and architectures must fit sustainable criteria. Sustainability is a broad concept related to economic, environmental and social aspects. It moves from the awareness that resources are limited and precious, thus they must be conservatively and carefully used with a long-term vision. Applied to PSCs production, the sustainability must account for • durability: the performances of PSCs should be stable for a time long enough to fulfil the market uptake rules and to avoid increasing of technological wastes. • circular economy: focused recycling procedures for the materials contained in PSCs or reuse of entire devices are strictly required. • environmental protection: solvents and related wastes for PSC production must be drastically reduced. Pb leakage from damaged PSCs demands reliable remedies. • cost and up-scalability: the production cost of PSCs must be appetible for PV companies in terms of equipment, processes and materials. In addition, affordable and up-scalable processes are mandatory to enable high production throughput and commercialization of the perovskite technology. In the chapters of my Ph.D thesis, those aspects will be faced from possible perspectives. By reading the thesis you can specifically find: • In chapter 1, strategies to improve the stability of CsPbI3 formed at low-temperature are illustrated; • In chapter 2, two different approaches are presented to preserve the carbon/MAPbI3 interface in Hole transporting layer-free PSCs and, consequently, to improve performances stability; • In chapter 3, the integration of recyclable CsPbI3 perovskite in Triple‐Mesoscopic Carbon‐based Solar Cells is described; • In chapter 4, a sputtered TiO2 sponge for leaked Pb sequestration in Perovskite Solar Cells is investigated; • In chapter 5, an economic analysis of up-scalable in-vacuum physical deposition methods for affordable perovskite device manufacturing is presented.

Le celle solari a perovskite sono considerate una svolta nel settore del fotovoltaico. Questo è dovuto alle alte efficienze di fotoconversione ed alla facilità dei metodi di produzione dei dispositivi su substrati differenti (rigidi e flessibili) a basso costo. Inoltre, le caratteristiche uniche di semitrasparenza e bandgap regolabile delle perovskiti, ottenibili regolando lo spessore e la composizione chimica dei materiali, le rendono adatte alle applicazioni nelle “smart cities”, in particolare integrate negli edifici o applicate nell’agrivoltaico. Nel corso degli anni sono state investigate varie composizioni di perovskite e architetture di dispositivo, aventi ognuna specifici vantaggi e svantaggi. Il record di efficienza delle celle solari a perovskite su scala di laboratorio si è attestato recentemente al 25.8% ma alcuni problemi ne impediscono la loro commercializzazione e nello specifico: • La bassa durabilità delle prestazioni nel tempo dovuta a 1) l’instabilità intrinseca della perovskite che è ulteriormente aggravata da fattori ambientali (umidità) e 2) le interfacce tra la perovskite e gli strati trasportatori di carica che influiscono sull’efficienza e sulla stabilità delle celle solari; • L’upscaling della tecnologia a perovskite da dispositivi di piccola area a larga area (from lab to fab) con i relativi processi di produzione; • La presenza del piombo nelle perovskiti che pone potenziali rischi per la salute umana e per le matrici ambientali nel caso in cui fosse rilasciato in seguito a danni alle celle solari. Per tutte queste ragioni, il valore di efficienza di fotoconversione non può essere considerato il parametro univoco per valutare un’architettura di dispositivo. Da una prospettiva complementare, materiali e architetture devono soddisfare criteri di sostenibilità. “Sostenibilità” è un concetto ampio, collegato ad aspetti economici, ambientali e sociali. Esso si basa sulla consapevolezza che le risorse sono limitate e preziose quindi devono essere usate in maniera accurata con una visione a lungo termine. Il concetto di sostenibilità, applicato alla produzione di celle solari a perovskite, riguarda: • la durabilità: le prestazioni delle celle solari a perovskite devono essere stabili per un tempo abbastanza lungo da soddisfare le richieste del mercato e per evitare l’aumento di rifiuti tecnologici; • l’economia circolare: procedure di riciclo per i materiali contenuti nelle celle solari a perovskite o di riuso degli interi dispositivi sono strettamente richiesti; • protezione dell’ambiente: solventi e relativi scarti per la produzione delle celle solari devono essere drasticamente ridotti. Sono inoltre necessarie delle strategie affidabili per limitare la fuoriuscita di piombo dalle celle danneggiate; • costo e up-scaling: la produzione delle celle a perovskite deve essere appetibile per le aziende dell’ambito del fotovoltaico in termini di macchinari, processi e materiali. Inoltre, sono necessari processi affidabili e up-scalabili per permettere un’alta capacità di produzione e la commercializzazione della tecnologia. Nei capitoli della mia tesi di dottorato, questi aspetti saranno affrontati da possibili prospettive. Leggendo la tesi, nello specifico, è possibile trovare: • nel capitolo 1, sono illustrate strategie per migliorare la stabilità del CsPbI3 formato a bassa temperatura; • nel capitolo 2, sono presentati due approcci differenti per preservare l’interfaccia carbonio/MAPbI3 e, di conseguenza, aumentare la stabilità delle prestazioni in celle solari a perovskite configurate senza strato trasportatore di lacune; • nel capitolo 3, è descritta l’integrazione di una perovskite riciclabile (CsPbI3) in una cella mesoscopica a base di carbonio; • nel capitolo 4, è investigata una spugna di TiO2 depositata per sputtering che viene utilizzata per il sequestro del piombo rilasciato dalle celle solari a perovskite; • nel capitolo 5, è presentata un’analisi economica di un metodo up-scalabile di deposizione fisica in vuoto per la produzione di celle solari a perovskite a basso impatto ambientale.