Rivoluzionare l’energia solare con le perovskiti
Decenni di ricerche sulle celle fotovoltaiche hanno dimostrato che c'è un limite teorico assoluto (il limite di Shockley-Queisser) relativo all'efficienza della conversione di energia da parte delle celle fotovoltaiche. Per celle a singola giunzione di materiale semiconduttore ottimizzato, la massima efficienza di conversione riesce a malapena a superare il 30 %. Per produrre celle fotovoltaiche con limiti di efficienza più elevati, bisogna mettere in campo nuove idee che oltrepassino le limitazioni del meccanismo fondamentale di conversione dell'energia delle celle fotovoltaiche a singola giunzione. Le tecnologie che ricorrono alla fissione di singoletto devono ancora essere pienamente sviluppate, ma sono molto promettenti. Nell'ambito del progetto SOLAR BEYOND SILICON, finanziato dall'UE, gli scienziati hanno studiato come avvicinare l'efficienza delle celle fotovoltaiche in perovskite a quella delle celle in silicio, la tecnologia leader del mercato. La fissione di singoletto: la strada per migliorare l'efficienza delle celle fotovoltaiche Tutte le celle fotovoltaiche a singola giunzione condividono un meccanismo fondamentale di perdita di energia: la termalizzazione. «Proprio come l'assorbimento di un fotone a bassa energia, l'assorbimento di un fotone ad alta energia genera una coppia elettrone-lacuna», spiega il prof. Richard Friend. «L'energia eccedente dei fotoni che supera la banda proibita si perde tramite il rilassamento termico, conducendo al limite di efficienza di Shockley-Queisser, che è di circa il 30 % per una cella in materiale semiconduttore ideale.» La fissione di un eccitone di singoletto è un processo in grado di oltrepassare questo limite evitando le perdite di rilassamento. In questo processo, la fotoeccitazione di un materiale capace di fissione con un fotone ad alta energia produce un eccitone di singoletto che può subire un processo di conservazione dello spin atto a generare due eccitoni di tripletto, ciascuno dei quali trasporta circa metà dell'energia. Quando viene incorporato all'interno di un secondo materiale (quale la perovskite), che assorbe i fotoni a energia più bassa e dissocia gli eccitoni di tripletto, il dispositivo della cella fotovoltaica riesce a superare il limite di efficienza. Il gruppo responsabile del progetto ha utilizzato alcune delle proprietà esclusive dei semiconduttori organici per progredire nel superamento delle limitazioni delle celle fotovoltaiche a singola giunzione. Nello specifico, gli scienziati hanno combinato la fissione di singoletto in semiconduttori organici quali il pentacene o il tetracene con perovskiti specifiche con banda proibita bassa. «Durante lo svolgimento del progetto, abbiamo dimostrato con successo che con questi materiali potrebbero essere prodotte celle fotovoltaiche funzionanti a basso costo e dall'efficienza elevata, oltre ad aver osservato un trasferimento della carica all'interfaccia fra questi materiali», afferma il dott. Sam Stranks, ricercatore affiliato al progetto. In questo approccio, uno dei processi limitanti è la migrazione degli ioni nei materiali sottoposti a illuminazione. Il lavoro svolto ha consentito di comprendere più a fondo la questione e ha prodotto la prima visualizzazione della migrazione degli ioni, nonché approcci esclusivi che prevedono la passivazione atti a mitigare questi e altri effetti parassiti. Ciò fornisce una base da cui le celle fotovoltaiche in perovskite potrebbero presto essere promosse accanto a quelle in silicio. Il progetto SOLAR BEYOND SILICON ha fatto ulteriormente avanzare la comprensione della ricombinazione, della migrazione degli ioni e di altri processi di perdita nelle perovskiti. Il contributo degli scienziati è stato pubblicato in 22 articoli e relazioni su riviste sottoposte a valutazione inter pares. Uno degli articoli riporta la prima prova di banda proibita indiretta nelle perovskiti ad alogenuri metallici ed è stato pubblicato su Nature Materials a ottobre 2016, generando notevoli aspettative per l'apertura di nuove aree d'interesse nel settore.
Parole chiave
SOLAR BEYOND SILICON, perovskiti, celle fotovoltaiche a singola giunzione, energia solare, limite di Shockley-Queisser, semiconduttori organici