GRAFENE TRASPARENTE PER APPLICAZIONI NELLE CELLE SOLARI

NEXT-GENERATION PHOTOVOLTAIC DEVICES BASED ON PEROVSKITE MATERIALS ARE PROMISING, BUT ARE STILL LIMITED IN THEIR PRACTICAL PERFORMANCE AND STABILITY BY CONTACT/INTERFACE LOSSES, NON-RADIATIVE RECOMBINATION, INEFFICIENT CHARGE EXTRACTION, AND INTERFACIAL DEGRADATION.TRANSPARENT GRAPHENE IS AN ATTRACTIVE MATERIAL IN THE NEXT GENERATION SOLAR CELLS AS IT HAS HIGH OPTICAL TRANSPARENCY, ELECTRICAL CONDUCTIVITY AND MECHANICAL FLEXIBILITY. ITS USEFULNESS IN PHOTOVOLTAIC DEVICES, HOWEVER, IS NOT JUST A MATTER OF ITS OWN PROPERTIES, BUT ALSO HOW IT INTERACTS WITH THE OTHER LAYERS AND HOW THIS AFFECTS INTERFACIAL CHARGE TRANSPORT. THIS THESIS AIMS TO UNDERSTAND THE ROLE OF TRANSPARENT GRAPHENE IN SOLAR CELLS THROUGH A COMBINED NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY BASED ON A MULTISCALE APPROACH. THE MULTISCALE MODELLING FRAMEWORK RELATED GRAPHENE’S ELECTRONIC STRUCTURE AND DENSITY OF STATES WITH CARRIER DENSITY, KUBO-BASED SHEET CONDUCTIVITY AND CONTINUUM PSC SIMULATIONS. AT THE DEVICE LEVEL, FEM MODELLING ALLOWED THE GRAPHENE TO BE CONSIDERED AS A 2D CONDUCTIVE LAYER, THE RESULTS SHOW THAT GRAPHENE PRESERVES HIGH TRANSPARENCY IN THE VISIBLE RANGE WHILE ITS THZ FREQUENCY RESPONSE IS TUNABLE THROUGH INTRABAND EFFECTS AND THAT ABSORBER THICKNESS STRONGLY INFLUENCES OPTICAL HARVESTING IN GRAPHENE-CONTAINING PEROVSKITE STRUCTURES.THE EXPERIMENTAL J–V CURVES HAVE BEEN INTERPRETED THROUGH CIRCUITAL MODELLING USING THE SINGLE-DIODE MODEL WITH FIVE PARAMETERS. CIRCUITAL MODELLING ENABLED THE IDENTIFICATION OF THE DOMINANT ELECTRICAL LOSSES, SUCH AS THOSE DUE TO RECOMBINATION, LEAKAGE, SERIES RESISTANCE AND TRANSPORT LIMITATIONS. THE EXPERIMENTAL DATA REVEALED THAT GRAPHENE/ITO HYBRID ELECTRODES EXHIBITED ENHANCED ELECTRICAL TRANSPORT AT BOTH THE NANOSCALE AND MACROSCALE, WITH A 60% INCREASE IN LOCAL TUNNELLING CURRENT AND A 23% REDUCTION IN SHEET RESISTANCE. THE GRAPHENE BASED INVERTED PSCS WERE CONSTRAINED BY THE QUALITY OF INTERFACES, TRAP FORMATION, SLOW EXTRACTION OF HOLES, AND NON-RADIATIVE RECOMBINATION. TRANSIENT PHOTOVOLTAGE MEASUREMENTS SHOWS THAT GRAPHENE INTERFACES MODIFY BURIED CHARGE DISTRIBUTION, SUPPRESS THE STRONG INITIAL NEGATIVE DISPLACEMENT RESPONSE OF ITO/MOO3/PEROVSKITE CONTACTS, AND SHIFT THE RESPONSE TOWARD SLOWER HOLE DYNAMICS. OVERALL, THIS THESIS SHOWS THAT GRAPHENE HAS STRONG INTRINSIC AND ELECTRODE-LEVEL POTENTIAL, WHILE THE DEVELOPED MULTISCALE MODELLING ROUTE PROVIDES A DESIGN TOOL TO PREDICT AND OPTIMIZE ITS ROLE IN PSCS; HOWEVER, SUCCESSFUL DEVICE IMPLEMENTATION DEPENDS CRITICALLY ON CONTROLLING THE BURIED GRAPHENE/PEROVSKITE/TRANSPORT-LAYER INTERFACE.

I DISPOSITIVI FOTOVOLTAICI DI NUOVA GENERAZIONE BASATI SU MATERIALI PEROVSKITE SONO PROMETTENTI, MA PRESENTANO ANCORA LIMITAZIONI NELLE LORO PRESTAZIONI PRATICHE E STABILITÀ A CAUSA DI PERDITE DI CONTATTO/INTERFACCIA, RICOMBINAZIONE NON RADIATIVA, INEFFICIENTE ESTRAZIONE DI CARICA E DEGRADAZIONE INTERFACCIALE. IL GRAFENE TRASPARENTE È UN MATERIALE INTERESSANTE PER LE CELLE SOLARI DI NUOVA GENERAZIONE IN QUANTO PRESENTA UN'ELEVATA TRASPARENZA OTTICA, CONDUTTIVITÀ ELETTRICA E FLESSIBILITÀ MECCANICA. LA SUA UTILITÀ NEI DISPOSITIVI FOTOVOLTAICI, TUTTAVIA, NON DIPENDE SOLO DALLE SUE PROPRIETÀ, MA ANCHE DA COME INTERAGISCE CON GLI ALTRI STRATI E DA COME QUESTA INTERAZIONE INFLUISCE SUL TRASPORTO DI CARICA INTERFACCIALE. QUESTA TESI MIRA A COMPRENDERE IL RUOLO DEL GRAFENE TRASPARENTE NELLE CELLE SOLARI ATTRAVERSO UNO STUDIO COMBINATO NUMERICO E SPERIMENTALE BASATO SU UN APPROCCIO MULTISCALA. IL MODELLO MULTISCALA HA CORRETTO LA STRUTTURA ELETTRONICA DEL GRAFENE E LA DENSITÀ DEGLI STATI CON LA DENSITÀ DEI PORTATORI, LA CONDUTTIVITÀ DI STRATO BASATA SUL MODELLO DI KUBO E LE SIMULAZIONI PSC CONTINUE. A LIVELLO DI DISPOSITIVO, LA MODELLAZIONE FEM HA PERMESSO DI CONSIDERARE IL GRAFENE COME UNO STRATO CONDUTTIVO 2D. I RISULTATI MOSTRANO CHE IL GRAFENE MANTIENE UN'ELEVATA TRASPARENZA NELLA REGIONE DEL VISIBILE, MENTRE LA SUA RISPOSTA IN FREQUENZA THZ È SINTONIZZABILE ATTRAVERSO EFFETTI INTRABANDA E CHE LO SPESSORE DELL'ASSORBENTE INFLUISCE FORTEMENTE SULLA RACCOLTA OTTICA NELLE STRUTTURE PEROVSKITE CONTENENTI GRAFENE. LE CURVE J-V SPERIMENTALI SONO STATE INTERPRETATE ATTRAVERSO LA MODELLAZIONE CIRCUITA UTILIZZANDO IL MODELLO A DIODO SINGOLO CON CINQUE PARAMETRI. LA MODELLAZIONE CIRCUITA HA PERMESSO L'IDENTIFICAZIONE DELLE PERDITE ELETTRICHE DOMINANTI, COME QUELLE DOVUTE A RICOMBINAZIONE, DISPERSIONE, RESISTENZA IN SERIE E LIMITAZIONI DI TRASPORTO. I DATI SPERIMENTALI HANNO RIVELATO CHE GLI ELETTRODI IBRIDI GRAFENE/ITO HANNO MOSTRATO UN TRASPORTO ELETTRICO MIGLIORATO SIA A LIVELLO NANOMETRICO CHE MACROSCOPICO, CON UN AUMENTO DEL 60% DELLA CORRENTE DI TUNNELING LOCALE E UNA RIDUZIONE DEL 23% DELLA RESISTENZA SUPERFICIALE. I DISPOSITIVI PSCS INVERTITI A BASE DI GRAFENE ERANO LIMITATI DA QUALITÀ DELLE INTERFACCE, FORMAZIONE DI TRAPPOLE, LENTA ESTRAZIONE DELLE LACUNE E RICOMBINAZIONE NON RADIATIVA. LE MISURAZIONI DELLA FOTOTENSIONE TRANSITORIA MOSTRANO CHE LE INTERFACCE DI GRAFENE MODIFICANO LA DISTRIBUZIONE DELLA CARICA SEPOLTA, SOPPRIMONO LA FORTE RISPOSTA INIZIALE DI SPOSTAMENTO NEGATIVO DEI CONTATTI ITO/MOO3/PEROVSKITE E SPOSTANO LA RISPOSTA VERSO UNA DINAMICA DELLE LACUNE PIÙ LENTA. NEL COMPLESSO, QUESTA TESI DIMOSTRA CHE IL GRAFENE HA UN FORTE POTENZIALE INTRINSECO E A LIVELLO DI ELETTRODO, MENTRE IL PERCORSO DI MODELLAZIONE MULTISCALA SVILUPPATO FORNISCE UNO STRUMENTO DI PROGETTAZIONE PER PREVEDERE E OTTIMIZZARE IL SUO RUOLO NEL PSCS; TUTTAVIA, LA FUNZIONALITÀ DI IMPLEMENTAZIONE DEL DISPOSITIVO DIPENDE IN MODO CRITICO DAL CONTROLLO DELL'INTERFACCIA GRAFENE/PEROVSKITE/STRATO DI TRASPORTO INTERRATA.