Perovskite photovoltaic modules: a technoeconomic and life cycle analysis in an industrial setting, with alternative encapsulation and a responsible end of life approach

In a world fragmented by renewed and widespread tensions, the European energy market is going through a period of extreme uncertainty and rapid adaptation. An unstable balance, aimed at reconciling and smoothing over geopolitical divergences, ultimately affecting the end users. At the same time, crucial issues such as the socioeconomic impact and environmental sustainability in electricity generation are drawing a clear line for the future of this market. Efficient, stable, and clean technologies, capable of combining essential economic convenience with improved sustainability. In this context, perovskites emerge as a promising alternative in the photovoltaic market. With excellent technological flexibility and a reduced impact, these materials could address emerging issues related to silicon, such as the current inconvenience in managing its end-of-life waste and the approaching technical efficiency limits. In this thesis, through the evaluation of different impact categories in a life cycle analysis (LCA) approach and the study of techno-economic parameters such as production cost and levelized cost of energy (LCOE), a comparative analysis between perovskites and silicon in terms of environmental and socioeconomic sustainability has been performed. After necessary ex-ante evaluations on materials and deposition methods aimed at studying alternatives with reduced impacts and mitigating supply chain pressures, this study highlights how, at the current state of the art, this technology proves to be environmentally sustainable but unable to ensure a sufficiently long lifespan to remain competitive in the market. The installation and system balancing costs significantly affect this conclusion. At the same time, the effect of specific procedures chosen ad hoc to improve the overall profile of the technology was studied, with relevant conclusions regarding the cost-effectiveness of glass frit as an encapsulant substitute for more common thermoplastics, the viability of end-of-life regeneration processes, and the unforeseen deleterious contribution of clean solvents compared to alternatives with greater impact.

In un mondo frammentato da rinnovate e dilaganti tensioni, il mercato europeo dell’energia vive un periodo di estrema incertezza e rapido adattamento. Un instabile equilibrio, mirato a bilanciare e appianare divergenze geopolitiche a discapito, di fatto, degli utenti finali. Al contempo, tematiche cruciali quali l’impatto socioeconomico e la sostenibilità ambientale nella produzione di energia elettrica, tracciano una linea ben delineata nel futuro di tale mercato. Tecnologie efficienti, stabili e pulite, che riescano a coniugare l’indispensabile convenienza economica con una migliorata sostenibilità. In questo contesto, le perovskiti si candidano a valida alterativa nel mercato del fotovoltaico. Dotati di un’ottima flessibilità tecnologica e di un ridotto impatto, questi materiali potrebbero sopperire ai problemi emergenti legati al silicio, quali l’attuale sconvenienza nel gestirne gli scarti a fine vita e l’approssimarsi del limite tecnico in termini di efficienza. In questa tesi, tramite la valutazione di diverse categorie di impatto in un’ottica di analisi di ciclo di vita (LCA) e lo studio di parametri tecno-economici quali il costo di produzione e il costo livellato dell’energia (LCOE), si è performata un’analisi comparativa tra perovskite e silicio in termini di sostenibilità ambientale e socioeconomica. Dopo necessarie valutazioni ex-ante su materiali e metodi di deposizione mirate a studiare alternative dai ridotti impatti e sollecitazione delle catene di approvvigionamento, questo studio sottolinea come, all’ attuale stato dell’arte, questa tecnologia si dimostri sostenibile per l’ambiente ma incapace di garantire una vita utile sufficiente per risultare competitiva nel mercato. Su tale conclusione, i costi di installazione e bilanciamento del sistema inficiano in modo preponderante. Al contempo, l’effetto di peculiari procedure scelte ad-hoc per migliorare il profilo generale della tecnologia è stato studiato, ottenendo conclusioni rilevanti in merito alle condizioni di convenienza della fritta di vetro come incapsulante sostitutivo alle più comuni termoplastiche, alla consistenza di processi di rigenerazione al fine vita, e all'imprevisto contributo deleterio portato da solventi puliti rispetto ad alternative dal maggiore impatto.