Solare innovativo: grosso passo avanti per i pannelli organici in Perovskite

Le celle solari a perovskite (PVSC) sono una promettente alternativa alle tradizionali celle solari a base di silicio grazie alla loro elevata efficienza di conversione di potenza, ma la stabilità a lungo termine si è rivelata un problema importante per le celle solari di perovskite.

Un gruppo di ricerca della City University di Hong Kong (CityU) ha fatto un passo avanti sviluppando un innovativo additivo multifunzionale e non volatile che può migliorare l’efficienza e la stabilità delle celle solari in perovskite. Il miglioramento avviene modulando la crescita del film di perovskite con una strategia semplice ed efficace che ha un grande potenziale per facilitare la commercializzazione delle PVSC.

La notizia della scoperta è stata pubblicata su Nature Photonics. Le celle solari a perovskite (PVSC) sono una promettente alternativa alle tradizionali celle solari a base di silicio grazie alla loro elevata efficienza di conversione di potenza e al loro basso costo. Tuttavia, una delle principali sfide nel loro sviluppo è stata quella di raggiungere la stabilità a lungo termine.

Il professor Alex Jen Kwan-yue, docente della cattedra Lee Shau Kee di Scienza dei materiali e direttore dell’Hong Kong Institute for Clean Energy della CityU, che ha guidato lo studio, ha spiegato: “Questo tipo di additivo multifunzionale può essere generalmente utilizzato per ottenere diverse composizioni di perovskite per fabbricare celle solari di perovskite altamente efficienti e stabili. I film di perovskite di alta qualità consentiranno di aumentare la scala dei pannelli solari di grande superficie“.

Struttura cella perovskite

Le PVSC hanno attirato l’attenzione per la loro impressionante efficienza di conversione dell’energia solare (PCE). Poiché le perovskiti possono essere depositate dalle soluzioni sulle superfici di fabbricazione, i PVSC hanno il potenziale per essere applicati nel fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV), nei dispositivi indossabili e nelle fattorie solari, in virtuù del fatto che si tratta di un oggetto sottile e flessibile.

C’è una controindicazione:  l’efficienza e la stabilità sono ancora influenzate dalla grave perdita di energia associata ai difetti incorporati nelle interfacce e nei confini di grano delle perovskiti. Pertanto, la qualità intrinseca del film di perovskite gioca un ruolo fondamentale nel determinare l’efficienza e la stabilità raggiungibili dei PVSC.

Sebbene molte ricerche precedenti si siano concentrate sul miglioramento della morfologia e della qualità del film con additivi volatili, questi additivi tendono a fuoriuscire dal film dopo la ricottura, creando un vuoto all’interfaccia perovskite-substrato.

Per risolvere questi problemi, i ricercatori della CityU hanno sviluppato una strategia semplice ma efficace per modulare la crescita del film di perovskite e migliorarne la qualità. Hanno scoperto che aggiungendo una molecola multifunzionale (cloridrato di acido 4-guanidinobenzoico, (GBAC)) al precursore di perovskite, si forma una fase intermedia legata all’idrogeno e si modula la cristallizzazione per ottenere film di perovskite di alta qualità con grandi grani di cristallo di perovskite e una crescita coerente dei grani dal fondo alla superficie del film. Questa molecola può anche servire come efficace linker di passivazione dei difetti (un metodo per ridurre la densità dei difetti del film di perovskite) nel film di perovskite ricotto grazie alla sua non volatilità, con conseguente riduzione significativa della perdita di ricombinazione non radiativa e miglioramento della qualità del film.

Gli esperimenti di prova hanno dimostrato che la densità di difetti dei film di perovskite può essere significativamente ridotta dopo l’introduzione del GBAC. L’efficienza di conversione di potenza delle celle solari a perovskite invertita (p-i-n) basate sulle perovskiti modificate è stata incrementata al 24,8% (24,5% certificato dal Japan Electrical Safety & Environment Technology Laboratories), uno dei valori più alti riportati in letteratura. Inoltre, la perdita di energia complessiva del dispositivo è stata ridotta a 0,36eV, rappresentando una delle perdite di energia più basse tra i dispositivi PVSC con un’elevata efficienza di conversione di potenza.

Inoltre, i dispositivi non incapsulati mostrano una migliore stabilità termica oltre le 1.000 ore di riscaldamento continuo a 65 ± 5°C in una camera stagna riempita di azoto, mantenendo il 98% dell’efficienza originale.
Il team ha dimostrato l’applicabilità generale di questa strategia a diverse composizioni di perovskite e a dispositivi di grande superficie. Ad esempio, un dispositivo di superficie maggiore (1 cm2) nell’esperimento ha fornito un elevato PCE del 22,7% con questa strategia, indicando un eccellente potenziale per la fabbricazione di PVSC scalabili e altamente efficienti.

Il professor Jen ha osservato: “Questo lavoro fornisce un percorso chiaro per ottenere una qualità ottimizzata del film di perovskite per facilitare lo sviluppo di celle solari di perovskite altamente efficienti e stabili e il loro upscaling per applicazioni pratiche”.

In futuro, il team mira a estendere ulteriormente le strutture molecolari e a ottimizzare la struttura del dispositivo attraverso l’ingegneria compositiva e interfacciale. Si concentrerà inoltre sulla fabbricazione di dispositivi di grande superficie.