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Towards Stable and Highly Efficient Tin-based Perovskite Solar Cells

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Un grande passo in avanti verso celle solari perovskitiche stabili e senza piombo

L’efficienza delle celle solari che comprendono l’ultimo arrivato tra i gruppi facenti parte dei materiali cristallini, ovvero le perovskiti, è incrementata drasticamente in un breve periodo di tempo. La traiettoria futura di questi dispositivi riuscirà a portarli rapidamente dal contesto laboratoriale al mondo dell’industria? Un progetto finanziato dall’UE ha affrontato questioni di importanza fondamentale a tal riguardo.

Cambiamento climatico e Ambiente

La struttura e le proprietà affascinanti della perovskite l’hanno catapultata all’avanguardia della ricerca sui materiali per una vasta gamma di applicazioni. Le perovskiti di alogenuro metallico, un sottoinsieme di perovskiti ibride organiche-inorganiche contenenti ioni di alogenuro quali lo ioduro o il bromuro, richiamano una particolare attenzione per il loro potenziale senza precedenti di convertire la luce solare in elettricità. Dalla loro scoperta, avvenuta nel 2009, le efficienze per questi innovativi materiali hanno continuato a crescere vertiginosamente, passando dal 3,8 % a oltre il 25 %. Il loro utilizzo risulta attraente per diverse ragioni. Gli ingredienti sono abbondanti e i ricercatori possono combinarli facilmente in pellicole sottili dotate di una struttura altamente cristallina, simile a quella ottenuta nei wafer di silicio in seguito a una costosa lavorazione a temperature elevate. Sottili e flessibili rotoli di pellicola perovskitica trasparente potrebbero un giorno essere rapidamente impressi da una stampante 3D per produrre lastre solari integrate a finestre e facciate di edifici, un’impresa difficile da emulare per le celle solari in silicio. Sfortunatamente, le perovskiti di alogenuro metallico possono deteriorarsi rapidamente a causa della loro sensibilità all’umidità e al calore. Tra i problemi più delicati che hanno compromesso il percorso verso la commercializzazione delle perovskiti figurano la stabilità e la tossicità del piombo. Il progetto TinPSC, finanziato dal programma Marie Skłodowska-Curie, è stato istituito al fine di affrontare queste sfide.

Strutture a doppia perovskite senza piombo

«Abbiamo concentrato l’attenzione sullo sviluppo di perovskiti doppie senza piombo, una generazione di composti completamente nuova in cui un metallo monovalente e uno trivalente sostituiscono il piombo bivalente. Abbiamo tratto profitto da sforzi compiuti con successo nel passato che erano sfociati nella produzione di un dispositivo altamente stabile caratterizzato da eccellenti proprietà elettroniche e lunghezze di diffusione maggiori di 100 nm. Valori così elevati indicano la qualità del materiale e la sua idoneità all’utilizzo nel campo dell’optoelettronica», osserva Feng Wang, coordinatore di TinPSC. Le attività del progetto si sono ampiamente incentrate sull’elaborazione di strategie efficaci per ridurre la banda proibita delle perovskiti doppie senza piombo, un fattore comune che limita l’efficacia dell’assorbimento di luce. La bellezza delle perovskiti risiede nel fatto che consente ai ricercatori di regolare il salto energetico come desiderato modificando la miscela di ingredienti, con un conseguente aumento delle probabilità di incrementare l’efficienza di assorbimento. «Abbiamo ampliato con successo i margini di assorbimento di Cs2AgBiBr6 fino al vicino infrarosso attraverso il doping del Cu. Secondo i risultati, il doping del Cu influenza debolmente la banda di valenza e quella di conduzione della struttura ospite, ma introduce stati di banda proibita intermedi che incoraggiano fortemente l’assorbimento infrarosso. Elemento ancora più interessante, lo stato sotto-banda proibita è in grado di generare notevoli vettori di banda attraverso l’eccitazione del vicino infrarosso», spiega Wang. I ricercatori hanno inoltre concepito una strategia di ingegneria dei cristalli per modificare la banda proibita del materiale. «Semplicemente controllando la temperatura e la velocità di crescita dei cristalli, abbiamo ridotto la banda proibita al valore record di 1,72 eV. Si tratta dell’intervallo di banda proibita più corto mai registrato per Cs2AgBiBr6 in condizioni ambientali», aggiunge Wang. La riduzione della banda proibita è stata confermata dalle misurazioni sia per quanto concerne l’assorbimento, sia per la fotoluminescenza.

Migliorare la stabilità delle condizioni termiche e del livello di umidità

Proprio come l’architettura di qualsiasi dispositivo a celle solari, la pellicola sottile di perovskite viene inserita tra due strati di estrazione carichi. Una volta esposta alla luce, gli elettroni e le lacune generati nel reticolo di perovskite si spostano verso gli strati esterni, creando una corrente elettrica. Gli strati di trasporto degli elettroni e delle lacune svolgono un ruolo fondamentale nella soppressione delle perdite di ricombinazione nelle interfacce, che sviano il percorso degli elettroni verso l’uscita della cellula. La stabilità degli strati di trasporto determina in gran misura l’intera stabilità del dispositivo. Il team del progetto ha concepito un metodo unico per proteggere lo strato di trasporto delle lacune attraverso l’umidità e il calore, ma sta tenendo celata la maggior parte dei dettagli. Secondo i ricercatori, i dispositivi a celle solari perovskitiche risultanti saranno molto più stabili rispetto ai dispositivi attualmente all’avanguardia.

Parole chiave

TinPSC, perovskite, cella solare, stabilità, senza piombo, umidità, alogenuro metallico, perovskiti, silicio, strato di trasporto delle lacune

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