3D Engineered Photoanodes for Dye-Sensitized Solar Cells

Questa tesi di dottorato è stata incentrata principalmente su due aspetti: (i) produzione di energia elettrica dal sole mediante l’uso di celle solari a coloranti organici (DSCs) e (ii) produzione dei loro fotoanodi mediante processi non convenzionali e rispettosi dell'ambiente come il wet-powder spray (WPS) e le tecniche additive come il robocasting (micro-estrusione) e il material jetting (basato sulla stampa a getto d'inchiostro). Queste tecniche sono state utilizzate per l’ingegnerizzazione tridimensionale di fotoanodi per DSCs, costituiti da uno strato mesoporoso realizzato via WPS e da strutture tridimensionali ordinate (micro-pillars) che mirano ad aumentare le prestazioni del dispositivo. Grazie alle sue eccellenti prestazioni, il biossido di titanio(TiO2) è il materiale di riferimento per queste applicazioni; in esse è tradizionalmente utilizzato in forma di film nanocristallino prodotto via screen-printing. Il lavoro di tesi è stato rivolto in primo luogo alla sostituzione di quest’ultimo processo utilizzando la tecnica WPS. Inizialmente è stata studiata un appropriata sospensione per la tecnica spray, derivante dalla modifica di un prodotto commerciale; in particolare, la sua distribuzione delle dimensioni delle particelle ed il potenziale ζ sono stati analizzati per valutarne la stabilità. Quindi, le interazioni sospensione-substrato sono state quantificate attraverso misure di angolo di contatto. Infine, la relazione tra i parametri del processo di deposizione ed i film ottenuti è stata definita in termini di trasparenza e microstruttura del fotoanodo; il film più adatto è stato quindi sensibilizzato e utilizzato per produrre un prototipo DSC completo. Successivamente, micro-pillars a base di TiO2 sono stati sviluppati mediante micro-estrusione. L'obiettivo è stato raggiunto formulando un inchiostro ad alto contenuto di solido avente le giuste caratteristiche reologiche; queste ultime sono state studiate al variare della quantità e della composizione del sistema legante. Inoltre, l'ottimizzazione della deposizione è stata effettuata lavorando sui principali parametri di processo come il flusso di materiale, la velocità di deposizione, ecc. Le strutture prodotte, costruite sul film mesoporoso ottimizzato, sono state caratterizzate in termini di aspect ratio, microstruttura ed infine testate in un prototipo DSC. Un miglioramento delle prestazioni è stato effettivamente registrato a causa di un progressivo aumento sia della densità di corrente che della tensione a circuito aperto (Voc) delle celle. La sezione conclusiva della tesi ha visto la formulazione e la deposizione di un inchiostro a base acquosa per la stampa a getto d'inchiostro. Quest'ultima è una tecnica digitale estremamente potente che è stata selezionata come metodo di deposizione adatto per creare strutture 3D ad alto aspect ratio che garantiscano migliori performance. La stabilità dell'inchiostro, la sua reologia e l'interazione con il substrato sono state studiate dettagliatamente. Alcune limitazioni introdotte dalla presenza di acqua come solvente hanno però portato a considerare un approccio completamente diverso basato su un solvente con ridotto impatto ambientale. In aggiunta sono stati applicati trattamenti di macinatura piuttosto energici al fine di aumentare efficacemente la stabilità dell'inchiostro e garantirne la stampabilità. I risultati preliminari sono stati positivi ed indicano che questo approccio alternativo può essere adeguato agli scopi desiderati.