Indagine preliminare su strati compatti di TiO2 come blocking layer in celle solari acquose = Preliminary investigation of compact TiO2 layers as blocking layer in aqueous solar cells

Il progetto di tesi svolge un’indagine preliminare degli effetti del blocking layer in TiO2 sulle DSSC acquose. Le DSSC, dye-sensitized solar cells o celle di Grätzel, sono celle solari ibride di terza generazione che impiegano un semiconduttore poroso di tipo-n, un sensibilizzante organico ed un elettrolita, tutti racchiusi tra due elettrodi, uno trasparente all'anodo ed uno con delle importanti caratteristiche catalitiche al catodo. Questi dispositivi fotovoltaici sono semplici, hanno basso costo e con essi sono state raggiunte efficienze di conversione superiori al 14%. Oggigiorno, le ‘DSSC tradizionali’ sono messe in discussione in quanto impiegano nella soluzione elettrolitica un solvente organico, che ha un impatto ambientale non trascurabile, molto spesso è tossico e/o esplosivo e limita la stabilità della cella per la sua elevata tensione di vapore. Dunque, come alternativa è stato proposto l’utilizzo di elettroliti acquosi e si è sviluppata una nuova tipologia di celle, le ‘DSSC acquose’. Queste, si caratterizzano per essere ecosostenibili, sicure e stabili nel tempo, tuttavia, godono di performance fotovoltaiche minori rispetto ai dispositivi standard; la massima efficienza di conversione per le DSSC acquose è poco superiore al 7%. Nel progetto di tesi si è descritto il processo fotoelettrochimico e l’architettura delle DSSC tradizionali. Si è affrontato il problema del solvente organico impiegato nella soluzione elettrolita e l’instabilità promossa in questi dispositivi dall’acqua; quindi, si presentano le DSSC acquose: sono esaminate le loro peculiarità, descritti i materiali, gli additivi ed i surfattanti utilizzati per il loro sviluppo. L’indagine dell’effetto del blocking layer sulle DSSC acquose può considerarsi una novità in letteratura scientifica; questo elemento può essere capace di incrementare le performance fotovoltaiche della cella, riducendo il gap con le DSSC tradizionali. Il blocking layer è uno strato di materiale compatto in ossido semiconduttore ad ampio energy gap con uno spessore inferiore al µm, che ricopre il substrato di FTO, ponendosi al di sotto del layer mesoporoso del fotoanodo. Questo componente è impiegato per ostacolare la reazione di ricombinazione che coinvolge l'elettrone nello stato altamente conduttivo dell'FTO con l'accettore della coppia redox dell'elettrolita. È presentato lo stato dell’arte del blocking layer, individuando i meccanismi con cui ostacola la ricombinazione elettronica, gli effetti sulle performance fotovoltaiche del dispositivo, ed infine, i principali metodi di deposizione. Il lavoro sperimentale svolto presso il GAME Lab del Politecnico di Torino e nel centro interdipartimentale NIS dell’Università degli studi di Torino, ha riguardato la fabbricazione e lo studio fotovoltaico ed elettrochimico di differenti DSSC acquose, in termini di tipologia di elettrolita (liquido o quasi-solido) e presenza del blocking layer. La deposizione del blocking layer in TiO2 ha interessato tre differenti tecniche: spray pyrolysis, spin coating e doctor blade. I risultati hanno rivelato che il blocking layer può incrementare l’efficienza di conversione della DSSC acquosa; tuttavia, l’unica tecnica di deposizione capace di portare a tale miglioramento è stata la spray pyrolysis. L’indagine è da considerarsi preliminare.