Approaching green materials for photovoltaics : bismuth(III) sulfide and copper(I) sulfide in hybrid solar cells

The increasing role of photovoltaics as a possible answer to the need of a sustainable source of energy has brought research to face several challenges in order to overtake conventional silicon based solar cells and move towards a cheap, performing and eco-friendly photovoltaics. In this work two promising toxic-free and earth-abundant materials, bismuth(III) sulfide and copper(I) sulfide, have been tested as potentially light absorber in solar cells. Bismuth sulfide (Bi2S3) has been tested in several devices structures, and the fabricated cells have been characterized with JV measurements under simulated solar light. The first architecture is a planar structure composed by Bi2S3 deposed on a transparent conductive oxide (TCO) and covered by a hole tranporting material (P3HT or spiro-OMeTAD). In the second architecture a hole blocking layer of compact TiO2 was added between Bi2S3 and TCO. In the third structure, a mesoporous layer of TiO2 was added on the compact TiO2 layer to provide a scaffold for nanocrystals of Bi2S3. Finally, a structure with a mesoporous layer of TiO2 coated with a blend of nanocrystals dispersed in P3HT has been tried. The last structure resulted in the best performances, showing an open circuit voltage of 0.61 V, a short circuit current density of 1,05 mA/cm2, a fill factor of 42,7% and a power conversion efficiency of 0.28%. Experiments with Copper(I) Sulphide regarded the synthesis procedures. A new technique for a solution process deposition has been tried using a metal salt, copper(I) acetate as copper source, thiourea as sulfur source and pyridine as solvent. Precursors have been deposed via spin coating on different substrates, FTO coated glass, compact TiO2 and mesoporous TiO2, and samples have been optically characterized with a spectrophotometer. Absorption spectra demonstrate that this actual technique lead to a mixed phase and needs to be optimized to obtain a pure copper(I) sulphide.

Il ruolo crescente del fotovoltaico come possibile risposta al bisogno di una risorsa sostenibile di energia ha portato la ricerca ad affrontare diverse sfide per superare la tecnologia tradizionale basata sul silicio e puntare ad un nuovo fotovoltaico ecologico, economico e performante. In questo lavoro sono stati testati due promettenti materiali atossici e abbondanti in nautra, solfuro di bismuto(III) e solfuro di rame(I), per il loro possibile uso come assorbitori di luce in celle solari. Il solfuro di bismuto (Bi2S3) è stato testato in dispositivi con varie architetture, e le celle fabbricate sono state caratterizzate con misure JV sotto luce solare simulata. La prima architettura è composta da Bi2S3 deposto su un ossido conduttivo trasparente (TCO) e coperta da un materiale trasportatore di lacune (P3HT o spiro-OMeTAD). Nella seconda architettura uno strato blocca lacune composto da TiO2 compatto è stato aggiunto fra il Bi2S3 e il TCO. Nella terza struttura, uno strato mesoporoso di TiO2 è stato aggiunto sullo strato di TiO2 compatto per fornire una struttura di sostegno ai nanocristalli di Bi2S3. Infine, è stata testata un'architettura con uno strato mesoporoso di TiO2 ricoperto da una soluzione di nanocristalli dispersi in P3HT. L'ultima architettura è risultata le più performante, mostrando una tensione di circuito aperto di 0.61 V, una densità di corrente di corto circuito di 1,05 mA/cm2, un fill factor di 42,7% e un'efficienza di conversione di potenza dello 0.28%. Gli esperimenti sul solfuro di rame (Cu2S) hanno invece riguardato la procedura di sintesi e fabbricazione di film sottili. Abbiamo testato una nuova tecnica per un processo di deposizione in fase liquida usando un sale metallico, acetato di rame(I) come sorgente di rame, tiourea come sorgente di zolfo e piridina come solvente. I precursori sono stati deposti via spin coating su diversi substrati, vetro ricoperto di FTO, TiO2 compatto e TiO2 mesoporoso, e i campioni sono stati caratterizzati otticamente con uno spettrofotometro Gli spettri di assorbimento dimostrano però che la tecnica attuale risulta in una fase mista di solfuro di rame non stechiometrico, e necessita di un'ottimizzazione per ottenere Cu2S puro.