Sunergy: an easy way to store and manage photovoltaic energy : design of a DSSC-based smart window system

The following dissertation aims to investigate how a particular type of solar panels, such as dye-sensitized solar cells (DSSC), can be used to make buildings more energy sustainable and environmentally friendly. This type of photovoltaic panel, being semi-transparent and colorful unlike the most common ones, can also have an aesthetic function. Inside these cells there is a dye made by organic molecules that when excited by sunlight release electrons. By using more types of dyes characterized by different colors, it is also possible to create captivating patterns that open up to the possibility of using these photovoltaic cells for industrial design projects. After having conducted a theoretical study on this topic, I decided to switch to the experimental phase to verify the feasibility of producing these cells with organic dyes and to better understand the working principle. Thanks to all the tests performed, I understood that these solar panels can be reproduced in a small-scale by anyone by using a natural dye. As a result, in my opinion, these cells can be soon industrially produced on a large-scale by using low-cost and environmentally friendly materials. Analyzing users’ habits within domestic spaces emerged the need to keep track of our electricity consumption in order to reduce it as much as possible. Specifically for this reason, I decided to implement the DSSC in a system able both to produce and manage clean electric energy. The semi-transparent shades of dye-sensitized solar cells allowed me to think about a solution directly placed inside windows, in such a way to have an aesthetic element of design in our homes. An alternative concept presented in the thesis regards a frame structure made by flexible Grätzel cells, a technology still under development. Using a control panel, users will be able to monitor their energy consumption and to manage and utilize the produced electricity within domestic spaces. Once the interface of this pad was defined, a usability test conducted with different users allowed me to improve the overall user experience. The final system has been studied in detail with the goal of proposing a concrete solution to reduce our environmental impact and energy costs. A possible future development of this project can be done by creating a fully functional prototype of the whole system to better demonstrate that this type of photovoltaic panel can be soon used to produce green energy inside our homes.

La seguente tesi si propone di indagare come un particolare tipo di pannello solare, come le celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC), può essere utilizzato per rendere gli edifici più sostenibili dal punto di vista energetico e rispettosi dell’ambiente. Questa tipologia di pannello fotovoltaico, a differenza dei più comuni, può avere anche una funzione estetica, essendo semitrasparente e colorato. All’interno di queste celle è presente un colorante costituito da molecole organiche necessario per generare un flusso di energia elettrica costante. Quando queste molecole vengono colpite dalla luce solare si eccitano rilasciando elettroni. Utilizzando più tipologie di tinture caratterizzate da colorazioni diverse, è inoltre possibile creare pattern accattivanti che rendono questa tecnologia particolarmente interessante per la creazione di progetti di design industriale. Dopo aver condotto uno studio teorico su questo argomento, ho deciso di passare alla fase sperimentale per verificare la fattibilità di produzione di queste celle utilizzando semplici coloranti organici e per capire meglio il loro principio di funzionamento. Grazie a tutti i test effettuati ho appreso che questi pannelli solari possono effettivamente essere riprodotti in scala ridotta da chiunque utilizzando un colorante naturale. Di conseguenza, a mio avviso, queste celle potranno presto essere prodotte industrialmente su larga scala utilizzando materiali a basso costo ed ecocompatibili. Analizzando le abitudini degli utenti all’interno degli spazi domestici è emersa la necessità di tenere traccia dei nostri consumi elettrici, in moto tale da ridurli quanto più possibile. Proprio per questo motivo ho deciso di implementare i DSSC in un sistema in grado sia di produrre che di gestire energia elettrica pulita. Le sfumature semitrasparenti delle celle di Grätzel mi hanno permesso di pensare ad una soluzione posizionata direttamente all’interno delle finestre, creando così anche un elemento estetico di design nelle nostre case. Nella tesi viene inoltre presentato un concept alternativo costituito da una struttura che fa uso delle celle solari sensibilizzate con colorante flessibili, una tecnologia ancora in fase di sviluppo. Attraverso un pannello di controllo, gli utenti potranno monitorare i propri consumi energetici e allo stesso tempo, gestire ed utilizzare l’energia elettrica prodotta all’interno degli spazi domestici. Una volta definita l’interfaccia di questo pad, è stato necessario condurre un test di usabilità con diversi utenti, al fine di migliorare l’esperienza complessiva dell’utente. Il sistema finale è stato studiato nei dettagli con l’obiettivo di proporre una soluzione concreta per ridurre il nostro impatto ambientale ed i costi energetici. Un possibile sviluppo futuro di questo progetto può essere fatto realizzando un prototipo perfettamente funzionante dell’intero sistema, in modo tale da dimostrare che questo tipo di pannello fotovoltaico potrà presto essere utilizzato per produrre energia pulita all’interno delle nostre case.