Attualmente, i dispositivi basati su Si cristallino (c-Si) dominano il mercato fotovoltaico (PV), rappresentando circa il 96% della produzione annua totale contro il 4% delle tecnologie basate su film sottili (CdTe, Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) e a-Si). Nonostante il forte divario di mercato tra le tecnologie a base Si e le tecnologie a film sottile, lo sviluppo di assorbitori fotovoltaici idonei all’uso in dispositivi a film sottile è oggi ancora più cruciale che in passato per le future applicazioni nel fotovoltaico per l’edilizia, nei prodotti che integrano moduli fotovoltaici e nei dispositivi tandem. Inoltre, la disponibilità di molte materie prime utilizzate nei dispositivi solari a film sottili sta seriamente diminuendo, mentre sia il bisogno di energia che di tecnologia per la vita quotidiana sono fortemente in aumento. Ciò rende cruciale il risparmio di materiale. Le alternative più studiate a CdTe e CIGS negli ultimi anni sono state Cu_2-nSnS₄ (CZTS) e Cu_2-nSnSe₄ (CZTSe), dove elementi più abbondanti e meno costosi come Sn e S vengono utilizzati al posto di In e Ga. Più recentemente, sono emerse altre alternative basate su elementi geoabbondanti tra cui Cu₂MnSnS₄ (CMTS) e Cu₂FeSnS₄ (CFTS).

Le nostre attività di ricerca si occupano degli assorbitori fotovoltaici di cui sopra e dei relativi dispositivi solari. Nel dettaglio:

SILICIO Sotto l'ipotesi realistica che i moduli fotovoltaici basati su c-Si domineranno il mercato fotovoltaico nel prossimo decennio, la nostra attività di ricerca si è concentrata sull'ulteriore aumento dell'efficienza delle celle solari in Si (studiando l'effetto dei difetti, principalmente con tecniche spettroscopiche), sulla caratterizzazione di materie prime per il Si a basso prezzo e di alta qualità solare e infine su nuove iniziative per costruire celle solari tandem ad alta efficienza.

I film sottili di CIGS e CuGaS₂ (CGS) su vetro e substrati flessibili (ad es. fogli di plastica) sono cresciuti con un innovativo approccio ibrido di sputtering-evaporazione (combinando i vantaggi di entrambe le tecniche) e testati sia in dispositivi a giunzione singola che tandem.

CZTS, CFTS e CMTS sono preparati principalmente con processi di soft chemistry che prevedono la coordinazione dei metalli in soluzione grazie all'uso di DMSO come solvente e di tiourea come fonte di zolfo. Ciò rende il processo molto interessante a causa dell'assenza di ulteriori additivi organici e di fonti esterne di zolfo. La soluzione dei precursori viene depositata direttamente mediante drop-casting sul substrato senza l'uso di tecnologie onerose e/o non compatibili con una prospettiva di industrializzazione, rendendo l'intera procedura di sintesi attraente per applicazioni industriali ecocompatibili.

Ultimamente, le celle solari a film sottile a base di perovkite si sono proposte come tecnologia fotovoltaica rivoluzionaria nel campo dei dispositivi flessibili, e come il miglior compagno nei dispositivi con architettura tandem delle tecnologie a base di silicio e a base di calcogenuri. Variando la composizione chimica delle perovskiti si può regolare il suo assorbimento della luce per soddisfare i requisiti della cella solare controparte nel dispositivo tandem. Variando il metodo di deposizione, insieme alla composizione chimica, possono essere realizzate efficienti celle solari semitrasparenti per essere impiegate in finestre intelligenti. Inoltre, le perovkiti possono auto-assemblarsi in materiali massivi in cui la carica è confinata, e per questo chiamate a bassa dimensionalità. La particolare combinazione di proprietà dei sistemi a bassa dimensionalità apre la strada a un'ampia varietà di applicazioni (ad esempio generatori termoelettrici, memorie a resistenza variabile e sensori).

Per tutti questi composti viene eseguita una caratterizzazione strutturale e spettroscopica completa (compresa la microscopia elettronica a scansione, la spettroscopia Raman, la diffrazione di raggi X e la fotoluminescenza). Tutti i film sottili vengono prodotti, testati e completamente caratterizzati in dispositivi prototipo su substrati rigidi e flessibili.

Prof. Maurizio Acciarri
Prof.ssa Simona Binetti 
Dott.ssa Vanira Trifiletti
Dott. Giorgio Tseberlidis

Laboratorio di Misure elettriche e spettroscopiche – Edificio U5, Piano 1, locale 1032-1034-1037
Laboratorio MIBSOLAR – Edificio U5, Piano Terra, locale T057-T067
Laboratorio Misure elettriche e Trattamenti termici – Edificio U5, Piano 1, locale 1041
Edificio U4 – Locale 101
Edificio U9 – Locale 10