Meccanismi di degradazione nelle celle solari a colorante DSSC

Il grande interesse nei confronti della tecnologia fotovoltaica DSSC (Dye-sensitized Solar Cell) è stato principalmente legato a diversi fattori, tra cui: regolazione del colore e della trasparenza; possibilità di utilizzare sia substrati rigidi che flessibili; bassa energia incorporata; ottime prestazioni in ambienti interni e con luce diffusa. Nel corso degli anni la stabilità e la durata nel tempo dei dispositivi DSSC sono diventate questioni fondamentali che hanno guidato numerosi studi anche in relazione al tipo di applicazione. I meccanismi di degradazione possono essere sia intrinseci che estrinseci oltre il fatto che un dispositivo DSSC deve essere stabile a livello molecolare, di singola cella e di modulo.

Per quanto riguarda i materiali, il colorante, l’elettrolita, il foto-elettrodo ed il contro-elettrodo sono soggetti a specifici meccanismi di degradazione.

Il desorbimento e la degradazione del colorante sono causati dall’acqua, dalla luce UV, dalle alte temperature e dai prodotti di decomposizione (iodio) dell’elettrolita. Poiché l’umidità può essere adsorbita dallo strato mesoporoso di biossido di titanio idrofilico, i coloranti idrofobici sono la soluzione migliore per superare i test di stress in temperatura. I coloranti anfifilici permettono di avere entrambe le caratteristiche: l’ancoraggio al biossido di titanio ed evitare l’adsorbimento dell’acqua.

Le degradazioni relative al foto-elettrodo sono correlate al film di biossido di titanio oltre che al colorante. I principali meccanismi sono causati dalla contaminazione, la resistenza al trasporto e al contatto, e la ricombinazione e la diminuzione del tempo di vita dell’elettrone. Inoltre, l’aumento dell’area superficiale per migliorare l’efficienza potrebbe avere un effetto dannoso sulle prestazioni del dispositivo.

L’alterazione dell’elettrolita è la principale ragione della degradazione delle DSSC durante i test di stabilità. I principali meccanismi di degradazione sono legati al consumo del triioduro, al bleaching e all’evaporazione del solvente. La concentrazione di iodio è un elemento fondamentale nella formulazione dell’elettrolita per la stabilità e l’efficienza. Un modo per ottenere dispositivi stabili termicamente è utilizzare elettroliti con solventi ad alto punto di ebollizione. La stabilità termica e il miglioramento del potenziale redox rendono possibile la coesistenza di stabilità e prestazioni. Inoltre, oltre alla classe organica/inorganica di mediatori redox, è stato scoperto che i complessi metallici (per esempio il rame) sono candidati alternativi per sostituire la coppia redox iodio/ioduro a causa delle loro proprietà elettrochimiche reversibili.

Il catalizzatore sul contro-elettrodo può essere influenzato da contaminazioni, corrosione e dissoluzione nell’elettrolita. Polimeri conduttori a basso costo, come il poli(3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT), sono utilizzati per sostituire gli elettrodi in platino, grazie alla loro elevata conducibilità a temperatura ambiente e notevole stabilità.

Nel prossimo contributo vedremo come i fattori ambientali influenzino i meccanismi di degradazione oltre all’impatto che si ha con substrati flessibili ed in presenza di connessione in serie di celle per la realizzazione di moduli fotovoltaici DSSC.