I materiali solari di prossima generazione sono più economici e più sostenibili da produrre rispetto alle tradizionali celle solari in silicio, ma rimangono degli ostacoli nel rendere i dispositivi sufficientemente resistenti da resistere alle condizioni del mondo reale. Una nuova tecnica sviluppata da un team di scienziati internazionali potrebbe semplificare lo sviluppo di celle solari in perovskite efficienti e stabili, chiamate così per la loro struttura cristallina unica che eccelle nell’assorbire la luce visibile.
Gli scienziati, tra cui Nelson Dzade, docente della Penn State, hanno riferito sulla rivista Energia della natura il loro nuovo metodo per creare celle solari in perovskite più durevoli che raggiungono comunque un’elevata efficienza pari al 21,59% di conversione della luce solare in elettricità.
Le perovskiti sono una tecnologia solare promettente perché le celle possono essere prodotte a temperatura ambiente utilizzando meno energia rispetto ai tradizionali materiali in silicio, rendendole più convenienti e più sostenibili da produrre, secondo Dzade, assistente professore di ingegneria energetica e mineraria alla John e Willie Leone. Dipartimento di Ingegneria Energetica e Minerale della Famiglia e coautore dello studio. Ma i principali candidati utilizzati per realizzare questi dispositivi, alogenuri metallici ibridi organici-inorganici, contengono componenti organici sensibili all’umidità, all’ossigeno e al calore e l’esposizione alle condizioni del mondo reale può portare a un rapido degrado delle prestazioni, hanno detto gli scienziati.
Una soluzione prevede invece il ricorso a materiali di perovskite completamente inorganici come lo ioduro di piombo e cesio, che ha buone proprietà elettriche e una tolleranza superiore ai fattori ambientali. Tuttavia, questo materiale è polimorfico, nel senso che ha più fasi con diverse strutture cristalline. Due delle fasi fotoattive sono buone per le celle solari, ma possono facilmente convertirsi in una fase non fotoattiva indesiderata a temperatura ambiente, che introduce difetti e degrada l’efficienza della cella solare, hanno detto gli scienziati.
Gli scienziati hanno combinato i due polimorfi fotoattivi dello ioduro di piombo e cesio per formare un’eterogiunzione di fase, che può sopprimere la trasformazione nella fase indesiderata, hanno detto gli scienziati. Le eterogiunzioni si formano impilando diversi materiali semiconduttori, come gli strati di una cella solare, con proprietà optoelettroniche diverse. Queste giunzioni nei dispositivi solari possono essere adattate per aiutare ad assorbire più energia dal sole e convertirla in elettricità in modo più efficiente.
“La cosa bella di questo lavoro è che mostra che la fabbricazione di celle solari a eterogiunzione di fase utilizzando due polimorfi dello stesso materiale è la strada da percorrere”, ha detto Dzade. “Migliora la stabilità del materiale e previene l’interconversione tra le due fasi. La formazione di un’interfaccia coerente tra le due fasi consente agli elettroni di fluire facilmente attraverso il dispositivo, portando a una maggiore efficienza di conversione della potenza. Questo è ciò che abbiamo dimostrato in questo lavoro. “
I ricercatori hanno fabbricato un dispositivo che ha raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 21,59%, tra le più alte riportate per questo tipo di approccio, e un’eccellente stabilità. I dispositivi hanno mantenuto più del 90% dell’efficienza iniziale dopo 200 ore di conservazione in condizioni ambientali, ha affermato Dzade.
“Quando siamo passati da un laboratorio a un modulo solare reale, il nostro progetto ha mostrato un’efficienza di conversione di potenza del 18,43% per un’area di cella solare di oltre 7 pollici quadrati (18,08 centimetri quadrati)”, ha affermato Dzade. “Questi risultati iniziali evidenziano il potenziale del nostro approccio per lo sviluppo di moduli di celle solari in perovskite ultra-grandi e per la valutazione affidabile della loro stabilità”.
Dzade ha modellato la struttura e le proprietà elettroniche dell’eterogiunzione su scala atomica e ha scoperto che l’unione delle due fasi fotoattive crea una struttura di interfaccia stabile e coerente, che promuove un’efficiente separazione e trasferimento della carica, proprietà desiderabili per ottenere dispositivi solari ad alta efficienza.
I colleghi di Dzade presso l’Università di Chonnam in Corea del Sud hanno sviluppato l’esclusivo metodo di doppia deposizione per fabbricare il dispositivo: depositando una fase con una tecnica ad aria calda e l’altra con evaporazione termica a tripla fonte. L’aggiunta di piccole quantità di additivi molecolari e organici durante il processo di deposizione ha ulteriormente migliorato le proprietà elettriche, l’efficienza e la stabilità del dispositivo, ha affermato Sawanta S. Mali, professore di ricerca presso l’Università di Chonnam in Corea del Sud e autore principale dell’articolo.
“Crediamo che la tecnica di doppia deposizione che abbiamo sviluppato in questo lavoro avrà importanti implicazioni per la fabbricazione di celle solari in perovskite altamente efficienti e stabili in futuro”, ha affermato Nelson Dzade, assistente professore di ingegneria energetica e mineraria presso il Dipartimento di Energia della Famiglia John e Willie Leone. e ingegneria mineraria e coautore dello studio.
I ricercatori hanno affermato che la tecnica della doppia deposizione potrebbe aprire la strada allo sviluppo di ulteriori celle solari basate su perovskiti inorganiche o altre composizioni di perovskiti alogenuri. Oltre ad estendere la tecnica a diverse composizioni, il lavoro futuro riguarderà il rendere le attuali celle a eterogiunzione di fase più durevoli nelle condizioni del mondo reale e il loro ridimensionamento fino alle dimensioni dei pannelli solari tradizionali, hanno detto i ricercatori.
“Con questo approccio, crediamo che dovrebbe essere possibile nel prossimo futuro portare l’efficienza di questo materiale oltre il 25%”, ha detto Dzade. “E una volta fatto ciò, la commercializzazione diventa molto vicina.”
Hanno contribuito anche Chang Kook Hong, professore, e Jyoti Patil, professore di ricerca, presso la Chonnam National University, Corea del Sud; Yu-Wu Zhong, professore, e Jiang-Yang Shao, ricercatore, presso l’Istituto di Chimica, Accademia Cinese delle Scienze; e Sachin Rondiya, professore assistente, Indian Institute of Science.
La Fondazione Nazionale di Ricerca della Corea ha sostenuto questo lavoro. Le simulazioni al computer sono state eseguite sul supercomputer Roar presso l’Institute for Computational and Data Sciences della Penn State.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
