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.

Su tutti questi assorbitori fotovoltaici viene condotta una completa caratterizzazione strutturale e spettroscopica (che include l’uso di microscopia elettronica a scansione, spettroscopia Raman, diffrazione a raggi X e fotoluminescenza). Tutti i nuovi strati assorbitori sono testati in prototipi di dispositivi solari.

La termoelettricità è un fenomeno che consente di convertire il calore in elettricità senza l'uso di parti in movimento. Di conseguenza i generatori termoelettrici sono adatti, soprattutto quando miniaturizzati, per convertire calore a bassa temperatura, rendendolo disponibile come energia elettrica in reti di sensori distribuiti o in altri dispositivi portatili.

Le nanotecnologie bottom-up e top-down hanno svolto un ruolo importante nel miglioramento dell'efficienza dei materiali termoelettrici. Nell'ultimo decennio, sono stati sviluppato metodi per ottenere nanofili e nanolayers di silicio e per migliorare le proprietà termoelettriche del materiale massivo utilizzando la precipitazione controllata di seconde fasi in film sottili di silicio nanocristallino.

La ricerca sul termoelettrico è attualmente orientata lungo due direttrici principali: (a) dispositivi termoelettrici integrati a base di silicio che operano nella regione delle medie temperature per fornire energia elettrica a dispositivi wireless e (b) lo sviluppo di nuovi nanocompositi ibridi organici-inorganici per la conversione del calore corporeo in sensori portatili (indossabili).

Prof. Maurizio Acciarri
Prof.ssa Simona Binetti 
Prof. Dario Narducci

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