Ottimizzazione di celle solari organiche stampate per applicazioni indoor e outdoor

The effort of research in the photovoltaics is directed towards lighter and cheaper devices. Among the emerging technologies, one of the most promising from the energy cost point of view is based on organic devices. Although they haven't already reached the conversion efficiencies of crystalline silicon devices, they boast a lower material usage and are solution-processable at room temperature with fast, low-cost printing techniques compatible with mass production. Besides, their cost and flexibility make them fit for new applications, such as supplying low-cost devices even indoor or in environment which are not exposed to direct sunlight (sensoristic sciences, domotics, wearable...). This is the background in which Ribes Tech s.r.l, start-up who developed a fully-printed organic solar cell optimized for indoor applications, was born in March 2016, fostered by the Istituto Italiano di Tecnologia. The work presented here is an optimization of the structure of this cell that does not introduce steps incompatible with a fast and low-cost mass production, and makes it more efficient in a light intensity range spacing from indoor (1000 lx emitted from a fluorescence lamp) and outdoor lighting (1 sun, or 1000 W m-2 AM1.5G), found e.g. in houses and offices exposed to indirect sunlight. Experimental activity included an optimization of the thickness and the morphology of the main layers of the cell and the screen printing of a conductive silver grid on the back electrode; physical principles operating on the device will be discussed, in order to justify experimental choices and be able to understand achieved results. Efficiencies above 1.8% at 0.2 sun have been demonstrated, which maintain an almost constant level between 0.04 and 0.64 sun, i.e. in more than half the range of interest. Efficiency increased by 300% at 1 sun and decreased by 24% indoor, allowing the cell to operate both outdoor during the day and indoor in the evening.

La direzione intrapresa dalla ricerca sul solare fotovoltaico volge verso dispositivi sempre più leggeri ed economici. Fra le tecnologie emergenti, una delle più promettenti dal punto di vista del costo dell'energia si basa su dispositivi organici. Sebbene questi non abbiano attualmente raggiunto le efficienze di conversione dei dispositivi basati sul silicio cristallino, vantano di contro un minore consumo di materiale e sono processabili in soluzione a temperatura ambiente con tecniche di stampa veloci, economiche e compatibili con la grande produzione. La loro economicità e flessibilità, inoltre, li apre ad applicazioni prima non considerate, come l'alimentazione di dispositivi low-cost anche in ambienti indoor o comunque non direttamente esposti alla luce solare (sensoristica, domotica, dispositivi indossabili...). È questo il contesto in cui opera Ribes Tech s.r.l., start-up fondata a marzo 2016 sotto l'ala dell'Istituto Italiano di Tecnologia, che ha sviluppato una cella fotovoltaica organica fully-printed ottimizzata per applicazioni indoor. Il presente lavoro è una ottimizzazione della struttura di questa cella che non introduce passaggi incompatibili con un'economica e veloce produzione di massa, e che la rende più efficiente in un regime di illuminazione intermedio tra quello indoor (1000 lx emessi da una lampada fluorescente) e quello outdoor (1 sun, o 1000 W m-2 AM1.5G), come quello che si riscontra ad esempio in abitazioni e uffici ben illuminati dalla luce solare. L'attività sperimentale ha incluso un'ottimizzazione dello spessore e della morfologia dei principali layer della cella e la stampa di una griglia conduttiva d'argento via screen printing sull'elettrodo posteriore; saranno discussi i meccanismi fisici che governano il dispositivo, per motivare le scelte sperimentali e poter interpretare i risultati ottenuti. Sono state dimostrate efficienze superiori all'1.8% a 0.2 sun, che si mantengono quasi costanti tra 0.04 e 0.64 sun ovvero in più della metà del range di interesse. L'efficienza è aumentata del 300% a 1 sun ed è diminuita del 24% indoor, consentendo alla cella di funzionare bene sia di giorno all'esterno che di sera in casa.