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Fotovoltaico di terza generazione

Dye-sensitized Solar Cells (DSSCs) e Perovskiti

Responsabili: Alessandra Sanson, Alex Sangiorgi

Personale coinvolto: Nicola Sangiorgi

Le celle solari a sensibilizzante organico, dette anche celle di Grätzel, sono dispositivi utilizzati per convertire direttamente la luce solare in energia elettrica. Nel 1991 O’Regan e Grätzel realizzarono i primi prototipi per questa tecnologia con buona efficienza utilizzando materiali meno pregiati e costosi del silicio monocristallino.

Le DSSCs sono costituite da multistrati di materiali a “band gap” selezionato che permettono l’assorbimento dei fotoni e la loro trasformazione in energia elettrica. In dettaglio, queste particolari celle foto-elettrochimiche sono costituite principalmente da: un fotoanodo, un contro-elettrodo ed infine un elettrolita che chiuda il circuito. Il primo elemento è tradizionalmente costituito da un substrato vetroso trasparente conduttivo (vetro FTO) sul quale è depositato un strato mesoporoso di TiO2 dello spessore di circa 10 µm. Quest’ultimo viene poi sensibilizzato con un opportuno colorante metallorganico in grado di catturare la radiazione solare. Il catodo è normalmente costituito anch’esso da un vetro FTO sul quale è depositato un film nanometrico di un catalizzatore metallico (es. Pt). Infine, la soluzione elettrolitica è generalmente costituita da una miscela di solventi organici contenente una coppia redox (es. I–/I3–).

CNR-ISTEC si occupa dello studio e dell’ottimizzazione di prototipi di DSSCs su substrati planari rigidi e flessibili ed in forma di fibra, con particolare attenzione ai materiali ed alle tecnologie per la realizzazione di: (i) film ingegnerizzati a base di materiali semiconduttori, (ii) elettroliti semi-solidi e (iii) contro-elettrodi Pt-free. Vengono inoltre sfruttate le competenze presenti sullo sviluppo e produzione di vetroceramici a basso punto di fusione per sviluppare adatti sistemi sigillanti.

I prototipi vengono prodotti e caratterizzati con tecniche e materiali direttamente legati al mondo industriale per una riduzione di tempi e costi che possa indurre una più rapida introduzione di questo prodotto sul mercato.

Strumenti e Processi

I fotoanodi DSSCs sono realizzati accoppiando tecniche di deposizione di film sottili, quali lo spin-coating a tecniche per film spessi come ad esempio la serigrafia e lo spray atmosferico. Quando si manifesta l’esigenza di realizzare deposizioni di forma complessa, allo scopo di migliorare le performance e l’aspetto di questi dispositivi, vengono utilizzate tecniche additive come l’inkjet printing o la microestrusione. Gli elettrodi realizzati ed i prototipi completi sono caratterizzati dal punto di vista elettrochimico mediante stazione potenziostatica.

Prototipi di celle DSC realizzati su substrato vetroso rigido e su fibra metallica flessibile

Principali collaborazioni

Progetti

Pubblicazioni e brevetti

  • N. Sangiorgi*, A. Sangiorgi, A. Dessì, L. Zani, M. Calamante, G. Reginato, A. Mordini, A. Sanson, “Improving the efficiency of thin-film fiber-shaped Dye-Sensitized Solar Cells by using organic sensitizers” Solar Energy Materials and Solar Cells 204, (2020),110209.
  • N. Sangiorgi*, A. Sangiorgi, F. Tarterini, A. Sanson, “Molecularly Imprinted Polypyrrole counter electrode for gel-state Dye-Sensitized Solar Cells” Electrochimica Acta 305, (2019) 322-328.
  • N. Sangiorgi*, A. Sanson, “Influence of electropolymerized polypyrrole optical properties on bifacial Dye-Sensitized Solar Cells”, Polymers 125, (2017) 208-216.
  • R. Bendoni*, A.L. Barthélèmy, N. Sangiorgi, A. Sangiorgi, A. Sanson, “Dye-sensitized solar cells based on N719 and cobalt gel electrolyte obtained through a room temperature process” Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 330, (2016) 8–14.
  • R. Bendoni*, N. Sangiorgi, A. Sangiorgi, A. Sanson, “Role of water in TiO2 screen-printing inks for Dye-sensitized Solar Cells” Solar Energy 122, (2015) 497-507.
  • A. Sangiorgi*, R. Bendoni, N. Sangiorgi, A. Sanson, B. Ballarin, “Optimized TiO2 blocking layer for dye-sensitized solar cells” Ceramics International 40, (2014) 10727-10735.
  • Brevetto per Invenzione industriale, RIF.: 10395 “MATERIALE COMPOSITO COSTITUITO DA SUPPORTI ORGANICI E IDROSSIAPATITE SOSTITUITA CON TITANIO E/O FERRO PER USO IN CELLE SOLARI A COLORANTE ORGANICO”,(2016) Inventori: A. Tampieri, M. Sandri, S. Sprio, A. Sanson, Titolare: Consiglio Nazionale delle Ricerche.