Comparative life cycle assessment of silicon and multi/single anion-cation perovskite silicon tandem solar cells

This work provides an evaluation of the environmental impact, using Life Cycle Assessment (LCA) methodologies, of the emerging silicon/perovskite tandem (SPT) solar cells. The analysis encompasses three types of solar cells: first-generation SPT, second-generation SPT, and conventional silicon solar cells. A key distinguishing feature between SPT first and second generations is the compositional variation of the perovskite layer, in particular regarding the amounts of different anions and cations, classified as "single" in the first generation and "multi" in the second generation. The study evaluates four critical environmental and health impacts identified through the LCA: the global warming potential, the terrestrial ecotoxicity, the human non-carcinogenic toxicity and the fossil resource scarcity. By comparing these impacts, the thesis explores the potential environmental and health trade-offs of these advanced photovoltaic technologies relative to traditional silicon-based solar panels. It also focuses on the environmental and human effects of certain materials present in the cell production process. This thesis finally reveals the carbon intensity of three different silicon solar cell technologies located in four different regions of Italy (north, central north, central south and south). Our findings aim to inform stakeholders and policymakers about the sustainability and efficacy of next-generation solar technologies, guiding informed decisions in the energy sector. Our results show that the silicon layer is the most environmentally impactful component in the SPT technologies: it accounts for about 70% of the overall impact concerning global warming potential.

Questo lavoro fornisce una valutazione dell'impatto ambientale, utilizzando le metodologie del Life Cycle Assessment (LCA), delle emergenti celle solari tandem silicio/perovskite (SPT). L'analisi comprende tre tipi di celle solari: SPT di prima generazione, SPT di seconda generazione e celle solari convenzionali in silicio. Una caratteristica distintiva chiave tra le SPT di prima e seconda generazione è la variazione compositiva dello strato di perovskite, in particolare per quanto riguarda le quantità di diversi anioni e cationi, classificati come "singoli" nella prima generazione e "multipli" nella seconda generazione. Lo studio valuta quattro impatti critici ambientali e sulla salute identificati attraverso il LCA: il potenziale di riscaldamento globale, l'ecotossicità terrestre, la tossicità umana non cancerogena e la scarsità di risorse fossili. Confrontando questi impatti, la tesi esplora i potenziali compromessi ambientali e sanitari di queste tecnologie fotovoltaiche avanzate rispetto ai pannelli solari tradizionali a base di silicio. Si concentra anche sugli effetti ambientali e umani di alcuni materiali presenti nel processo di produzione delle celle. Questa tesi rivela infine l'intensità di carbonio di tre diverse tecnologie di celle solari in silicio situate in quattro diverse regioni d'Italia (nord, centro-nord, centro-sud e sud). I nostri risultati mirano a informare stakeholder e decisori politici sulla sostenibilità e l'efficacia delle tecnologie solari di nuova generazione, guidando decisioni informate nel settore energetico. I nostri risultati mostrano che lo strato di silicio è il componente più impattante dal punto di vista ambientale nelle tecnologie SPT: rappresenta circa il 70% dell'impatto complessivo riguardante il potenziale di riscaldamento globale.