Si laurea in fisica con lode all'Università di Roma "La Sapienza" e ottiene il dottorato di ricerca all'Università Tecnica di Monaco di Baviera. Nel 1996 diventa ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università di Roma "Tor Vergata", dove nel 2001 è nominato Professore Associato e nel dicembre 2012 Professore Ordinario. Da settembre 2019 dirige l'Istituto di Struttura della Materia del CNR (CNR-ISM).

Le sue ricerche si concentrano su dispositivi elettronici e optoelettronici, con particolare attenzione alla simulazione di dispositivi micro e nanoelettronici, alle celle fotovoltaiche organiche (Dye Solar Cell e Perovskite Solar Cells) e al loro sviluppo industriale. Ha fondato e diretto il Polo Solare Organico della Regione Lazio (2007-2019), contribuendo alla nascita di 5 spin-off e un consorzio pubblico-privato.

Di Carlo è coordinatore europeo del progetto H2020 CITYSOLAR e ha coordinato o partecipato a numerosi progetti H2020 e FP7, inclusi IMPRESSIVE, MOSTOPHOS, CHEOPS, Graphene Flagship, CHIPSCOPE, MAESTRO, ESPRESSO, ULTRADSSC e OPTHER. È autore di oltre 450 pubblicazioni scientifiche (H-index=58, Citazioni=13.700), 13 brevetti internazionali, articoli di review, capitoli di libri e due libri in italiano editi da Aracne.