Synthesis and characterization of inks for photovoltaic applications

World energy demand is continuously increasing and, due to the future depletion of the fossil fuels and their high environmental impact, is more and more growing the interest towards the use of renewable energy sources. Among them, solar energy is the most abundant, since the quantity of solar energy that comes on the Earth surface in an hour would be enough to satisfy the yearly energy demand of all human activities. Actually, the energy generated from a photovoltaic cell is too much expensive compared to the other renewable energy sources, such as hydroelectric and biomass energies. To make it cheaper, could be improved the efficiencies of the already existing devices or could be developed new technologies using innovative and economic materials. Thesis purpose is to develop Schottky third generation photovoltaic cells, specifically photovoltaic inks made by nanoparticles of lead sulfide (PbS) and copper zinc tin sulfide (CZTS), able to absorb the solar radiation even at wavelength in which the solar spectrum has low energy (infrared radiation). Reactants used for their synthesis are at low price to obtain reasonably cheap photovoltaic cells. Nanoparticles made by lead sulfide, a harmful compound both for human health and for the environment, are synthesised starting by lead oxide and thiols, smelly compounds, through a method of nucleation at high temperature (hot-injection). Several solvents have been tested to disperse the product and obtain in this way the desired ink. Thiol usage, the dispersion of nanoparticles into harmful solvents such as toluene and tetrahydrofuran and the presence of lead in the final product, have oriented the study towards alternatives materials. Inks made by copper zinc tin sulphide (CZTS) satisfy this requirement because they are constituted by environmentally friendly materials and need the usage of low toxicity solvents, such as ethylene glycol and ethanol. The synthesis is completed in one-step and require the usage of a microwave oven to supply heat. The dimension and the composition of the products has been evaluated in order to verify the real effectiveness of the synthesis adopted. Inks have been deposited manually through the drop casting technique on transparent substrates previously covered with a layer of indium tin oxide (ITO) to make their surface conductive. Drop casting technique is not precise and does not allow a high control of the thickness of the deposited layers, so in the thesis work is proposed an alternative technique, more precise and automated. The selected technique is the spin coating deposition that can guarantee a higher uniformity of the deposited layers. Glass and polyethylene terephthalate (PET) are the materials chosen for the substrates because of their low price and high production volume. In operative conditions, photovoltaic cells should resist to atmospheric phenomena and glass is an optimal substrate that guarantee a stiff structure and high resistance to the atmospheric and chemical agents. PET has a lower resistance to the atmospheric degradation but has the advantage to be cheaper than glass; in addition, it is thin and flexible and requires lower costs of transport and installation. Finally, solar cells have been analysed at solar simulator in order to evaluate the response under light radiation.

La domanda energetica mondiale è in continuo aumento e a causa del futuro esaurimento delle fonti fossili e del loro alto impatto ambientale, è sempre più in crescita l’interesse verso l’utilizzo di fonti di energia rinnovabili. Tra di esse, l’energia solare è la più abbondante, basti pensare che la quantità di energia solare che colpisce la superficie terrestre in un'ora basterebbe a coprire l’energia consumata da tutte le attività umane in un anno. Attualmente, l’energia generata da una cella fotovoltaica è ancora troppo costosa per essere comparata a quella di altre energie rinnovabili, ad esempio all’energia idroelettrica o da biomasse. Per renderla più economica si può migliorare l’efficienza dei dispositivi già esistenti oppure si possono sviluppare nuove tecnologie basate sull’utilizzo di materiali innovativi ed economici. Lo scopo della tesi è quello di sviluppare celle fotovoltaiche Schottky di terza generazione, nello specifico inchiostri fotovoltaici costituiti da nanoparticelle a base di solfuro di piombo (PbS) e a base di rame zinco stagno zolfo (CZTS) in grado di assorbire la radiazione solare anche in zone in cui lo spettro solare possiede poca energia (radiazione infrarossa). I reagenti utilizzati per la loro sintesi sono a basso costo in modo tale da ottenere celle fotovoltaiche ragionevolmente economiche. Le nanoparticelle a base di solfuro di piombo, composto nocivo per la salute dell’uomo e per l’ambiente, sono sintetizzate a partire da ossido di piombo e da tioli, composti dall’odore sgradevole, attraverso un metodo di nucleazione ad alta temperatura (hot-injection). Diversi solventi sono stati testati per disperdere il prodotto ed ottenere in questo modo l’inchiostro desiderato. L’utilizzo del tiolo, la dispersione delle nanoparticelle in solventi tossici, quali toluene e tetraidrofurano (THF), e la presenza del piombo nel prodotto finale hanno orientato lo studio verso materiali alternativi. Gli inchiostri a base di rame zinco stagno zolfo (CZTS) nascono proprio da questa esigenza in quanto sono costituiti da materiali ecosostenibili e prevedono l’utilizzo di solventi meno tossici, quali etanolo e glicol etilenico. La sintesi avviene in un solo passaggio e prevede la somministrazione di calore tramite l’utilizzo di un forno a microonde. I prodotti ottenuti sono stati analizzati sia per quanto riguarda le dimensioni sia da un punto di vista della composizione per verificare che il metodo di sintesi utilizzato sia stato efficace. Gli inchiostri sono stati deposti manualmente per deposizione a goccia su substrati trasparenti precedentemente coperti con uno strato di ossido di indio-stagno (ITO) per rendere la loro superficie conduttiva. Tale tecnica consente un basso livello di precisione e uno scarso controllo sullo spessore degli strati, di conseguenza nella tesi viene anche proposta una tecnica alternativa, più precisa e automatizzata. Questo secondo metodo prevede l’utilizzo di un rivestitore per rotazione (spin coater), che garantisce una maggiore uniformità degli strati di inchiostro deposti. I substrati scelti sono vetro e polietilentereftalato (PET) grazie ai loro bassi costi e alto volume di produzione. In condizioni operative le celle fotovoltaiche dovranno resistere ai fenomeni atmosferici e il vetro è un ottimo substrato dato che presenta una struttura rigida e un’alta resistenza agli agenti atmosferici e chimici. Il PET si degrada più facilmente ma ha il vantaggio di essere più economico del vetro; inoltre, occupando meno volume ed essendo flessibile e leggero, prevede dei costi di installazione e trasporto inferiori. Le celle solari prodotte, infine, sono state testate utilizzando un simulatore solare per valutare la risposta in condizioni di esposizione alla luce.