Perovskite

May 20, 2023

Le celle solari al silicio si stanno avvicinando al limite teorico di efficienza del 29,4%. Ma l’anno scorso gli scienziati hanno rivelato di aver creato celle solari tandem che per la prima volta hanno superato la soglia di efficienza del 30%. Ora non solo rivelano come ci sono riusciti, ma anche un altro team afferma di aver battuto questo record utilizzando un approccio diverso.

Le celle solari più comuni utilizzano il silicio per assorbire la luce. Le moderne celle solari commerciali in silicio raggiungono ora efficienze superiori al 24%, e la migliore cella da laboratorio ha un’efficienza del 26,8%.

Un modo per aumentare l'efficienza di una cella solare è impilare insieme due diversi materiali che assorbono la luce in un unico dispositivo. Questo approccio in tandem aumenta lo spettro della luce solare che la cella solare può raccogliere.

“Gli aspetti di stabilità e scalabilità dovrebbero ora essere al centro dell’attenzione.”

Sempre più scienziati stanno studiando l’uso delle perovskiti nelle celle solari tandem, poiché questi cristalli sono poco costosi e facilmente prodotti in laboratorio. Un approccio comune consiste nell’utilizzare una cella superiore in perovskite per assorbire la luce visibile ad alta energia e una cella inferiore in silicio per i raggi infrarossi a bassa energia.

Nel 2022, un team di ricercatori tedeschi ha rivelato come hanno sviluppato una cella solare tandem in perovskite-silicio con un'efficienza del 29,8%, mentre un gruppo separato del Centro svizzero di elettronica e microtecnologia di Neuchâtel, in Svizzera, e i loro collaboratori hanno stabilito un nuovo record del 31,25%.

"È la prima volta che una tecnologia con un'architettura compatibile con la produzione di massa raggiunge un'efficienza superiore al 30%", afferma Quentin Jeangros, scienziato dei materiali presso il Centro svizzero di elettronica e microtecnologia.

Ora i ricercatori di Neuchâtel e i loro colleghi hanno rivelato come hanno costruito il loro dispositivo, mentre gli scienziati di Berlino e i loro collaboratori hanno presentato una nuova cella solare tandem con un'efficienza fino al 32,5%.

Il gruppo di Neuchâtel ha rivelato che il loro dispositivo consisteva in una cella superiore di perovskite su una cella inferiore di silicio con piramidi alte pochi micrometri. L'utilizzo di una superficie strutturata anziché piatta ha migliorato le capacità della superficie di intrappolare la luce.

Questa immagine al microscopio elettronico del lato anteriore delle celle solari tandem in perovskite su silicio ad alta efficienza rivela una superficie strutturata e uno strato di fullerene di carbonio-60, che hanno entrambi contribuito a massimizzare la cattura della luce e a prevenire la perdita di carica.Quentin Jeangros e Chin Yu Xin/CSEM

Questo gruppo ha utilizzato un metodo in due fasi per depositare la perovskite. Per prima cosa hanno utilizzato l'evaporazione termica per depositare un modello inorganico sulla cella inferiore in silicio ricoperta di piramide. Successivamente hanno utilizzato una soluzione per cristallizzare questa impalcatura in perovskite. Ciò ha contribuito a garantire che la perovskite formasse anche piramidi per catturare la luce.

Un problema chiave che le celle solari tandem perovskite-silicio hanno dovuto affrontare è quello di prevenire la perdita di carica da parte degli elettroni caricati negativamente e dei fori caricati positivamente che si ricombinano nella cella superiore della perovskite dopo che la luce aiuta a separare queste cariche. Una strategia adottata dai team di Neuchâtel e Berlino per superare questo problema è stata quella di posizionare uno strato di fullerene di carbonio-60 in grado di estrarre in modo efficiente gli elettroni dalla perovskite.

Tuttavia, nei difetti sulla superficie della perovskite, gli elettroni e le lacune potrebbero ricombinarsi. Il gruppo di Neuchâtel ha evitato questo problema utilizzando additivi di acido fosfonico durante la cristallizzazione delle cellule di perovskite che hanno contribuito a prevenire la formazione di questi difetti.

"Questi risultati mostrano che la tecnologia è pronta per passare alla fase successiva del suo sviluppo, il che significa che gli aspetti di stabilità e scalabilità dovrebbero ora essere al centro dell'attenzione", afferma Xin Yu Chin, scienziato dei materiali presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Losanna laboratorio fotovoltaico a Neuchâtel.

Utilizzando un approccio diverso, il team di Berlino si è affidato a un liquido ionico noto come ioduro di piperazinio. Il fluido è un sale costituito sia da cationi caricati positivamente che da anioni caricati negativamente. Ciò gli ha consentito di modificare i difetti superficiali positivi e negativi sulla perovskite per ridurre la ricombinazione.