Beyond silicon: holistic risk assessment of perovskite and organic solar cells production

Nowadays solar photovoltaic (PV) has become one of the cheapest forms of electricity production. However, as the solar PV industry evolves, perovskite solar cells (PSC) and organic solar cells (OSC) emerge as particularly promising due to their potential for high efficiency, low production costs and low environmental impact. Nevertheless, the path to deploying these new technologies is full of uncertainties. The risks range from Health, Safety, and Environment (HSE) impacts to material costs and investment costs, performance, and process unreliability. There is a need to comprehensively assess these risks to ensure that the deployment of these technologies does not inadvertently create new problems. The methodology currently used to address these risks are the Life Cycle assessment (LCA) and the cost analysis with the use of tools such as the sensitivity analysis and the Monte Carlo method. While relevant, these methodologies are not able to comprehensively assess these risks. In contrast with the other studies, to assess the risk an innovative methodology known as HoRAM (Holistic Risk Analysis and Modelling) is applied [1]. The methodology aims at exploring the uncertainty in complex scenarios for which the traditional approaches may be inadequate[1]. Thanks to the use of artificial logic the methodology is able to create complete partitions of sizes that are not achievable with traditional, paper and pencil methods. The outcomes may be used in different stages of the research and scaling of these technologies to make critical decisions without the need for extensive investigations. To achieve the target, the thesis analyses the technologies and the production processes available. Then one organic solar cell (OSC) configuration and one perovskite solar cell (PSC) configuration are chosen. They are analysed following the HoRAM methodology, thus developing the risk model and then analysing it. The methodology produces the average cost per m2 and watt-peak (Wp), the yield of the process, the most critical functions, and some graphs to visualize this risk. The average cost per m2 is € 180 for the OSC and at € 116 for the PSC, while their cost per Wp depend on the efficiency. Assuming as reasonable target for the OSC configuration an efficiency of 10% and for the PSC configuration an efficiency of 12%. The cost per Wp is roughly € 2 for the OSC and € 1 for the PSC configuration. Then a series of automation are developed to pose the basis for the development of a generalized model in which all the possible process configurations can be analysed without major changes in the model, thus creating a tool to effectively and efficiently compare different solutions that can be in different stages of their development. While this target will still require a lot of knowledge in the field of OSC and PSC production and the development of a very large model, the tools provided with this work are the first step in this direction.

Al giorno d’oggi il solare fotovoltaico (PV) è diventato una delle forme più economiche di produzione di elettricità. Tuttavia, con l’evoluzione del settore solare fotovoltaico, le celle solari in perovskite (PSC) e le celle solari organiche (OSC) emergono come particolarmente promettenti grazie al loro potenziale di alta efficienza, bassi costi di produzione e basso impatto ambientale. Tuttavia, il percorso verso l’implementazione di queste nuove tecnologie è pieno di incertezze. I rischi spaziano dagli impatti su salute, sicurezza e ambiente (HSE) ai costi dei materiali e ai costi di investimento, alle prestazioni e all’inaffidabilità dei processi. È necessario valutare in modo completo questi rischi per garantire che l’implementazione di queste tecnologie non crei inavvertitamente nuovi problemi. Le metodologie attualmente utilizzate per affrontare questi rischi sono il Life Cycle Assesment(LCA) e l'analisi dei costi con l'utilizzo di strumenti quali l'analisi di sensitività e il metodo Monte Carlo. Sebbene rilevanti, queste metodologie non sono in grado di valutare in modo completo questi rischi. A differenza degli altri studi, per valutare il rischio viene applicata una metodologia innovativa nota come HoRAM (Holistic Risk Analysis and Modelling) [1]. La metodologia mira a esplorare l'incertezza in scenari complessi per i quali gli approcci tradizionali potrebbero essere inadeguati[1]. Grazie all'utilizzo della logica artificiale la metodologia è in grado di creare partizioni complete di dimensioni non realizzabili con i metodi tradizionali, carta e matita. I risultati possono essere utilizzati in diverse fasi della ricerca e del ridimensionamento di queste tecnologie per prendere decisioni critiche senza la necessità di indagini approfondite. Per raggiungere l'obiettivo, la tesi analizza le tecnologie ed i processi produttivi disponibili. Quindi vengono scelte una configurazione di cella solare organica (OSC) e una configurazione di cella solare perovskite (PSC). Vengono analizzati seguendo la metodologia HoRAM, sviluppando così il modello di rischio e poi analizzandolo. Il costo medio per m2 è di 180 € per l'OSC e di 116 € per il PSC, mentre il costo per Wp dipende dall'efficienza. Assumendo come obiettivo ragionevole per la configurazione OSC un'efficienza del 10% e per la configurazione PSC un'efficienza del 12%. Il costo per Wp è di circa 2€ per la configurazione OSC e 1€ per la configurazione PSC. Successivamente vengono sviluppate una serie di automazioni per porre le basi per lo sviluppo di un modello generalizzato in cui tutte le possibili configurazioni di processo possono essere analizzate senza grandi cambiamenti nel modello, creando così uno strumento per confrontare in modo efficace ed efficiente diverse soluzioni che possono essere in diverse fasi del loro sviluppo. Anche se questo obiettivo richiederà ancora molta conoscenza nel campo della produzione di OSC e PSC e lo sviluppo di un modello molto grande, gli strumenti forniti con questo lavoro rappresentano il primo passo in questa direzione.