DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF NANOSTRUCTURED MATERIALS FOR ORGANIC AND HYBRID SOLAR CELLS

Negli ultimi anni, a causa della frenetica evoluzione delle moderne tecnologie, si è andata a creare una divergenza sempre più allarmante tra la produzione e il consumo di energia. Le risorse tradizionali di energia, infatti, non sono più sufficienti a soddisfare la sempre crescente domanda energetica senza il drastico effetto di rovinare l’ambiente che ci circonda. Il fotovoltaico rappresenta una tecnologia promettente per affrontare il problema energetico mondiale. La ricerca scientifica focalizzata su questo argomento fondamentale ha dato luogo a risultati molto interessanti e le celle solari organiche ne sono una dimostrazione. Uno dei principali motivi dello sviluppo e del crescente interesse in questa nuova tecnologia è legato alla sua ecosostenibilità e al basso costo di produzione dei moduli solari che solitamente avviene su substrati (polimerici) flessibili. Inoltre, dal momento che questa tecnologia si basa sulla produzione di celle solari trasparenti e flessibili numerose applicazioni innovative sono già previste. Nonostante ciò, prima che il forovoltaico organico prevalga sulle celle solari al silicio che già da anni si sono affermate nella scena mondiale, due problemi principali devono essere affrontati: la bassa efficienza e la scarsa stabilità dei moduli fotovoltaici organici. Per far fronte a questi problemi la migliore alternativa è focalizzare gli sforzi della ricerca sia sullo sviluppo di nuovi materiali sia sulla loro caratterizzazione fotofisica e morfologica. Recentemente, l’applicazione di nanostrutture all’interno degli strati attivi delle celle solari organiche ha dimostrato di essere un’idea efficace per promuovere l’efficienza delle celle solari. Infatti è risaputo che la miniaturizzazione a livello nanometrico dei materiali apre la strada a numerose possibilità per controllare e incrementare le loro proprietà ottiche ed elettriche. In questo lavoro di tesi, le potenzialità delle nanostrutture vengono prese in considerazione. In particolare, l’attenzione di questa tesi è indirizzata allo sviluppo e alla caratterizzazione fotofisica di nuovi materiali nanostrutturati fotoattivi ibridi. Tre differenti famiglie di nanostrutture, i Quantum Dots colloidali, i Carbon Dots e le nanoparticelle di perovskite ibrida organica/inorganica, sono state incorporate all’interno di materiali fotovoltaici organici. Lo studio dettagliato delle interazioni fotofisiche e morfologiche tra le nanostrutture e i materiali organici ha permesso di considerare questi materiali nanocompositi come materiali promettenti per il fotovoltaico di nuova generazione. La prima parte del lavoro si focalizza sullo studio di uno strato fotoattivo costituito dal derivato fullerenico PCBM e dai Quantum Dots (QDs) core-shell di CdSe/CdS funzionalizzati con tre leganti differenti (l’oleilammina, l’ottadecantiolo e il propantiolo). Il primo obiettivo è stato dimostrare che la presenza dei QDs non solo influenza la morfologia degli strati fotoattivi delle celle solari, come spesso è riportato in letteratura, ma anche la loro fotofisica. Il secondo obiettivo è stato chiarire il ruolo fondamentale dei leganti dei QDs nel processo di trasferimento elettronico, processo essenziale nelle celle solari organiche. Attraverso l’uso combinato di tecniche di risonanza magnetica elettronica di stato stazionario, risolte nel tempo e impulsate, il ruolo fotofisico dei QDs nelle celle solari organiche è stato chiarito in grande dettaglio. Inoltre, è stata dimostrata la possibilità di controllare opportunamente il processo di trasferimento elettronico attraverso la scelta accurata dei leganti dei QDs. La seconda parte del lavoro mira a promuovere l’applicazione dei Carbon Dots (CDs) come materiale elettron-donatore nelle celle solari organiche. I CDs hanno dimostrato di essere una buona alternativa ai QDs colloidali grazie alla loro bassa tossicità e biocompatibilità e alle loro peculiari proprietà fotofisiche. Nonostante ciò, la loro scarsa solubilità in solventi organici e le loro deboli proprietà elettron-donatrici hanno ostacolato sinora la loro applicazione nel campo fotovoltaico. Per far fronte a queste criticità, è stata portata a termine la sintesi e la caratterizzazione fotofisica di CDs contenenti atomi di azoto e funzionalizzati con due diversi gruppi tiofenici. Lo scopo della funzionalizzazione è stato incrementare le proprietà elettron-donatrici dei CDs e migliorare la loro solubilità in solventi organici. L’aumento di solubilità ha permesso di studiare la loro interazione fotofisica con il PCBM sia in soluzione che in film. Tramite l’utilizzo della voltammetria ciclica, della spettroscopia ottica e della spettroscopia EPR, sono state dimostrate le buone proprietà di trasferimento elettronico fotoindotto in questi materiali e il processo di trasferimento elettronico è stato studiato in dettaglio. Infine, l’ultima parte di questo lavoro di tesi si concentra sulle nanoparticelle di perovskite ibrida organica/inorganica. Le perovskiti ibride sono a tutti gli effetti il miglior candidato nella corsa per sostituire le convenzionali celle solari al silicio. Negli ultimi cinque anni le perovskiti ibride massive hanno stabilito record straordinari di efficienza fotovoltaica. Nonostante ciò, l’utilizzo delle nanoparticelle di perovskite nelle celle solari organiche non è stato ancora studiato a fondo. Per ovviare a ciò, nell’ultima parte di questo lavoro è stata portata a termine la sintesi delle nanoparticelle di perovskite ed è stata studiata la loro interazione sia con il PCBM che con il polimero semiconduttore P3HT. Dopo aver confermato l’avvenuta sintesi mediante spettroscopia ottica, diffrazione a raggi X e spettroscopia di fotoemissione a raggi X, è stato analizzato il processo di trasferimento elettronico fotoindotto tra le nanoparticelle di perovskite e il PCBM. In particolare, grazie all’utilizzo di nanoparticelle funzionalizzate con due diversi leganti (ottilammina ed oleilammina), il ruolo fondamentale della lunghezza dei leganti nel processo di trasferimento elettronico è stato evidenziato. Successivamente, l’attenzione è stata rivolta al nanocomposito di nanoparticelle di perovskite e P3HT. In questo caso, è stato osservato che la presenza delle nanoparticelle di perovskite svolge un triplice effetto sulle proprietà del polimero: (1) un incremento nella dimensione dei domini cristallini, (2) un drogaggio di tipo p, e (3) un aumento dell’ordine intercatena nella fase polimerica. I risultati di questo lavoro di tesi evidenziano la rilevanza delle nanostrutture nei materiali fotovoltaici organici sottolineando il loro effetto positivo non solo sulla morfologia, ma anche su tutti i principali processi fotofisici che hanno luogo nelle celle solari. Inoltre, viene dimostrata l’importante funzione dell’ingegnerizzazione superficiale di queste nanostrutture al fine di favorire il processo di conversione dell’energia solare. Tutti questi risultati hanno lo scopo di promuovere la progettazione, lo sviluppo e l’efficienza delle celle solari di nuova generazione.