The energy transition to renewable energy sources is the challenge of our generation, which has the ultimate goal of eliminating greenhouse gas emissions, in order to be able to intervene on the current climate crisis. The use of fossil fuels has been fundamental for today's most industrialized countries to get out of the pitiful conditions of poverty left by the two world wars. In fact, fossil fuels have the advantage of being both sources and carriers of energy at the same time, which has facilitated their use. Fossil fuels have proved to be a medicine the world needed but now their use is causing catastrophic damage to our ecosystem, putting the lives of millions of people at risk. Therefore solar energy is a great opportunity and will represent a large slice of the renewable energy mix we need in the future. Crystalline Si photovoltaics represent the most distributed type with 95% of the market share, of which 75% is growing monocrystalline silicon (Mono-Si), and 20% in multi-crystalline silicon (Multi-si), with a continuously decreasing share. The only argument, against crystalline Si as an ideal photovoltaic material, is that the chemicals necessary for the purification, reduction and crystallization phases of pure silicon starting from the sand, are highly demanding from an energy point of view and also polluting. Furthermore, it is a highly optimized technology, which leaves little room for improving efficiency. However, scientific research is shifting its attention to reducing the energy costs of the process, through the development of thin film cells. In fact, among the emerging third generation photovoltaic technologies there are the Perovskite Hybrid cells. In less than a decade, Perovskite solar cells (PSCs) have shown remarkable progress in increasing photovoltaic conversion efficiency (PCE), starting from 3.8% in 2009 to 25.6% in 2019. lead in perovskite cells, has opened a debate on the safety and environmental consequences of its use. In response to this problem, research is seeking to develop alternative materials. Many groups are putting a lot of effort into developing devices with close and lead-like elements, such as Sn2 +, Ge2 +, Sb3 +, and Bi3 + .. The price of Bi is also about ten times that of Pb, US $ 21.12 per kg. The abundance and cost of these materials is a major problem in replacing Pb. In this thesis we try to characterize the Bismuth 0D perovskite family. Engineering a device around the 3Bi2I9 perovskite (FA) material which, thanks to its low band gap, represents a promising alternative for the construction of non-toxic photovoltaic devices.
La transizione energetica verso fonti di energia rinnovabili è la sfida della nostra generazione, che ha come scopo ultimo azzerare l’emissione di gas serra, in modo da poter intervenire sulla crisi climatica attuale. L’uso dei combustibili fossili è stato fondamentale per gli attuali paesi più industrializzati, per uscire dalle pietose condizioni di povertà lasciate dalle due guerre mondiali. Infatti i combustibili fossili hanno il vantaggio di essere contemporaneamente fonti e vettori di energia, il che ne ha agevolato il loro impiego. I combustibili fossili si sono rivelati una medicina di cui il mondo necessitava ma adesso il loro uso sta provocando danni catastrofici al nostro ecosistema, mettendo a rischio la vita di milioni di persone. Pertanto l’energia solare è una grande opportunità e rappresenterà in futuro una grande fetta del mix di energie rinnovabili di cui necessitiamo. Il fotovoltaico al Si Cristallino rappresenta il tipo più distribuito con un 95% della quota di mercato, di cui il 75% è silicio monocristallino (Mono-Si) in crescendo, e il 20% in silicio multi-cristallino (Multi-si), con una quota in continua diminuzione. L'unico argomento, contro il Si cristallino come materiale fotovoltaico ideale, è che le sostanze chimiche necessarie per le fasi di purificazione, riduzione e cristallizzazione del silicio puro a partire dalla sabbia, sono altamente esigenti da un punto di vista energetico e anche inquinanti. Inoltre, si tratta di una tecnologia altamente ottimizzata, che lascia poco margine per migliorare l'efficienza. La ricerca scientifica sta però spostando la propria attenzione nel diminuire i costi energetici del processo, tramite lo sviluppo di celle thin film. Infatti tra le tecnologie del fotovoltaico emergente di terza generazione ci sono le celle a Perovskite Ibrida. In meno di un decennio le celle solari a Perovskite (PSCs) hanno mostrato notevoli progressi nell'aumento dell'efficienza di conversione fotovoltaica (PCE), a partire dal 3,8% nel 2009 al 25,6% nel 2019. La presenza di piombo nelle celle a perovskite, ha aperto un dibattito sulla sicurezza e le conseguenze ambientali del suo utilizzo. In risposta a questo problema, la ricerca sta cercando di sviluppare materiali alternativi. Molti gruppi stanno facendo molti sforzi nello sviluppo di dispositivi con elementi vicini e simili al piombo, come Sn2+, Ge2+, Sb3+, e Bi3+.. Il prezzo di Bi è anche circa dieci volte quello di Pb, 21,12 USD per kg. L'abbondanza e il costo di questi materiali risulta un problema importante nel sostituire il Pb. In questo lavoro di tesi cerchiamo di caratterizzare la famiglia delle perovskiti 0D al Bismuto. Ingegnerizzando un device intorno al materiale a perovskite (FA)3Bi2I9 che grazie al suo basso band gap rappresenta una promettente alternativa per la costruzione di dispositivi fotovoltaici non tossici.
Progettazione di Perovskiti Ibride senza Piombo con basso Band Gap per la Conversione di Energia Solare
COZZOLINO, GUIDO
2020/2021
Abstract
The energy transition to renewable energy sources is the challenge of our generation, which has the ultimate goal of eliminating greenhouse gas emissions, in order to be able to intervene on the current climate crisis. The use of fossil fuels has been fundamental for today's most industrialized countries to get out of the pitiful conditions of poverty left by the two world wars. In fact, fossil fuels have the advantage of being both sources and carriers of energy at the same time, which has facilitated their use. Fossil fuels have proved to be a medicine the world needed but now their use is causing catastrophic damage to our ecosystem, putting the lives of millions of people at risk. Therefore solar energy is a great opportunity and will represent a large slice of the renewable energy mix we need in the future. Crystalline Si photovoltaics represent the most distributed type with 95% of the market share, of which 75% is growing monocrystalline silicon (Mono-Si), and 20% in multi-crystalline silicon (Multi-si), with a continuously decreasing share. The only argument, against crystalline Si as an ideal photovoltaic material, is that the chemicals necessary for the purification, reduction and crystallization phases of pure silicon starting from the sand, are highly demanding from an energy point of view and also polluting. Furthermore, it is a highly optimized technology, which leaves little room for improving efficiency. However, scientific research is shifting its attention to reducing the energy costs of the process, through the development of thin film cells. In fact, among the emerging third generation photovoltaic technologies there are the Perovskite Hybrid cells. In less than a decade, Perovskite solar cells (PSCs) have shown remarkable progress in increasing photovoltaic conversion efficiency (PCE), starting from 3.8% in 2009 to 25.6% in 2019. lead in perovskite cells, has opened a debate on the safety and environmental consequences of its use. In response to this problem, research is seeking to develop alternative materials. Many groups are putting a lot of effort into developing devices with close and lead-like elements, such as Sn2 +, Ge2 +, Sb3 +, and Bi3 + .. The price of Bi is also about ten times that of Pb, US $ 21.12 per kg. The abundance and cost of these materials is a major problem in replacing Pb. In this thesis we try to characterize the Bismuth 0D perovskite family. Engineering a device around the 3Bi2I9 perovskite (FA) material which, thanks to its low band gap, represents a promising alternative for the construction of non-toxic photovoltaic devices.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/13815