Sintesi e caratterizzazione di quantum dots di PbS per l'applicazione in celle solari su substrato cartaceo

The aim of this work is inspired by the new generation quantum dots solar cells, in particular by the Schottky cells, widely investigated in literature, and it aims to the nanoparticles synthesis and characterization for their integration into a new paper-based solar cell. The main nanostructure characteristics and properties of the particles are then underlined, focusing on the lead sulphide (PbS) quantum dots, chosen as the present research material because of their facile synthesis, their reagents low toxicity and their absorbance tunability even in the area where the solar radiation’s energy is low (infra-red radiation). Through the analysis of a synthesis found in literature, some methods for the production of PbS nanocrystals, that would allow a good shape, size and absorbance control, are here discussed and some synthesis procedures, which would produce nanoparticles that can meet the size-tuning and the band-gap tuning, have been developed and validated. The tests, which were made on different samples, synthesized changing reactions conditions, have shown good dimensional control and highlighted the possibility to produce quantum dots whose size ranges from 2 to 6 nanometers. The optical characterizations have underlined that the nanocrystals can absorb and emit light with graphical peak in the near infra-red area (NIR, 750-1400 nm). At last, the practical quantum dots application in printed paper-based solar cell is shown and its structure, based on standard Schottky solar cells and developed in the frame work of the here presented research activity, is explained and discussed.

Lo scopo del presente lavoro di tesi prende spunto dalle celle solari di nuova generazione a quantum dots, in particolare dalle celle Schottky, presenti in letteratura, e mira alla sintesi e alla caratterizzazione di nanoparticelle per l’integrazione in celle solari a substrato cartaceo. Vengono quindi messe in luce le caratteristiche peculiari e le proprietà legate alla nanostruttura delle particelle, facendo particolare riferimento ai nanocristalli a base di solfuro di piombo II (PbS), che sono stati scelti come materiale su cui si basa la presente ricerca grazie alla facilità di sintesi, alla ridotta tossicità dei reagenti e alla capacità di assorbire la radiazione solare anche in zone dello spettro dove è scarsamente energetica (radiazione infrarossa). Attraverso l’analisi dei punti salienti di una sintesi presente in letteratura, sono state proposte modalità di produzione dei quantum dots di PbS che consentono un buon controllo di forma, dimensione e assorbanza e sono stati sviluppati dei metodi che permettono di produrre nanoparticelle in grado soddisfare in maniera particolare ed esauriente il size-tuning e il band-gap tuning associato alle stesse. Le analisi che sono state condotte sui differenti campioni sintetizzati, grazie al cambiamento delle condizioni di reazione, hanno dimostrato un buon controllo dimensionale e hanno messo in luce la possibilità di produrre nanocristalli di dimensioni che variano da 2 a 6 nanometri; le caratterizzazioni ottiche, inoltre, hanno evidenziato uno spettro di assorbimento ed emissione con picchi nella zona degli infrarossi vicini (NIR, 750-1400 nm). Infine, viene messa in luce l’applicazione pratica dei quantum dots prodotti come materiale fotoattivo all’interno di una cella solare su substrato cartaceo, la cui struttura è stata sviluppata nel contesto di questa attività di ricerca e prende spunto da una più studiata cella Schottky.