Monolithic dye-sensitized solar cells for building integrated photovoltaics

One of the most investigated source of energy in the last half century is the conversion of solar energy directly into electricity. At present the silicon-based technology is the most popular on the market and has achieved power conversion efficiencies of about 22-28%. The high cost of production, the required purity of materials and sophisticated technological steps have prompted the researchers to develop solution-processable solar cells. In 1991, Grätzel et O’Regan introduced dye-sensitized solar cell (DSSC), which has then been widely studied for being a potentially easy and economical way to produce a solar energy conversion device. DSSCs are attractive for the variety and the low cost of materials employed for their fabrication. They are inspired by natural photosynthesis, i.e. they transform sunlight in energy using a dye (like chlorophyll). A DSSC consists in a sensitizing dye anchored on a transparent wide-bandgap semiconductor, a counter electrode and an electrolyte between these two. Grätzel’s devices achieved a maximum power conversion efficiency of about 7.12%. At now, the maximum power conversion efficiency reached with DSSC is over 13%. This work aims to fabricate a monolithic DSSC, a particular kind of DSSC in which the two electrodes are deposited on only one substrate instead than on two. The fabrication happened after a characterization of the different deposited components (photo-anode and counter electrode). This device is the starting point to develop a new Building Integrated Photo-Voltaics (BIPV) in the framework of TIFAIN (Tessere integrate di vetro fotovoltaico per applicazioni innovative) project. This project wants to substitute the traditional building components (windows, facades , brise soleils) with a new photovoltaics component that connects a new concentrator at low intensity (patent MI2010A00061A) with the DSSC technology, in order to take advantage of the overall surface to produce energy. Moreover, these devices provide new ideas and opportunity to designers thanks to their variety of shapes and colors.

Nella seconda metà del ventesimo secolo, uno dei metodi più studiati per produrre energia è stato la conversione dell’energia solare in elettricità. In questo momento, la tecnologia basata sul silicio è la più popolare sul mercato e ha raggiunto efficienze di conversione del 22-28%. I sofisticati processi di produzione, che prevedono costi elevati, e la necessità di usare materiali con elevata purezza, ha indirizzato i ricercatori nello sviluppo di nuove soluzioni più convenienti per la produzione di celle solari. Nel 1991, Grätzel e O’Regan hanno introdotto le dye-sensitized solar cell (DSCC), incontrando un immediato e ottimo riscontro e divenendo oggetto di ampi studi, perché promettono un modo potenzialmente semplice e poco costoso di produrre dispositivi per la conversione dell’energia solare. Il loro funzionamento si ispira alla fotosintesi clorofilliana presente in natura, nel senso che sfruttano un colorante (come la clorofilla) per trasformare la luce solare in energia. Una DSSC è formata da un colorante ancorato su di un semiconduttore trasparente (foto-anodo), un controelettrodo e un elettrolita racchiuso tra i due. Grätzel aveva ottenuto un’efficienza di conversione del 7.12%. In questo momento il record di efficienza è di oltre il 13%. L’obiettivo di questa tesi è la fabbricazione di un particolare tipo di DSSC, chiamato monolitica, che prevede la presenza dei due elettrodi su di un solo substrato. La fabbricazione del dispositivo è avvenuta dopo la caratterizzazione degli elettrodi. La m-DSSC prodotta è il punto di partenza per sviluppare un nuovo dispositivo da integrare sulle facciate degli edifici (BIPV – Building Integrated Photo-Voltaics) all’interno del progetto TIFAIN (Tessere integrate di vetro fotovoltaico per applicazioni innovative). Questo progetto si ripromette di sostituire le tradizionali componenti degli edifici (finestre, facciate) con un componente fotovoltaico, il quale unisce un nuovo concentratore a bassa intensità con la tecnologia delle DSSC. In questo modo si potrebbe utilizzare l’intera superficie degli edifici per lo sfruttamento dell’energia solare e si produrrebbero anche moduli fotovoltaici, con forme e colori variabili, che offrono nuove possibilità alla creatività e al senso estetico dei progettisti.