Le celle solari perovskite sono altamente efficienti e a basso costo in produzione. Tuttavia, mancano ancora di stabilità nel corso dei decenni in condizioni meteorologiche reali. Una collaborazione di ricerca internazionale guidata dal Prof. Antonio Abate ha ora pubblicato una prospettiva su questo argomento sulla rivista Nature Recensioni Materiali. Hanno esplorato gli effetti di più cicli termici sulle microstrutture e le interazioni tra diversi strati di celle solari perovskite. Concludono che lo stress termico è il fattore decisivo nella degradazione delle perovskiti allide metallica. Sulla base di questo, derivano le strategie più promettenti per aumentare la stabilità a lungo termine delle celle solari perovskite.
I perovskiti sono un’ampia classe di materiali con proprietà semiconduttori adatte alla conversione dell’energia in una cella solare: il meglio di essi, i perovskiti allide metallici, offrono già efficienze fino al 27%. La produzione di tali celle solari a film sottile richiede materiale e energia particolarmente ridotti, quindi l’energia solare potrebbe diventare considerevolmente più economica. Tuttavia, se usati all’aperto, i moduli solari dovrebbero fornire un rendimento quasi stabile per almeno 20-30 anni. E qui, c’è ancora molto spazio per il miglioramento dei materiali perovskite.
Risultati di diversi anni
Una collaborazione di ricerca internazionale guidata dal Prof. Antonio Abate ha ora pubblicato i risultati di diversi anni di lavoro in un documento di revisione sulla rivista Natura Recensioni Materiali. Insieme a un team guidato dal Prof. Meng Li, dalla Henan University, dalla Cina e da altri partner in Italia, Spagna, Regno Unito, Svizzera e Germania, mostrano che lo stress termico è il fattore decisivo nel degrado delle perovskiti del metallo.
Condizioni difficili in “vita reale”
“Se usati all’aperto, i moduli solari sono esposti al tempo e alle stagioni”, afferma Abate. Mentre l’incapsulamento può proteggere efficacemente le cellule dall’umidità e dall’ossigeno atmosferico, sono ancora esposte a variazioni di temperatura abbastanza grandi giorno e notte e durante tutto l’anno. A seconda delle condizioni geografiche, le temperature all’interno delle celle solari possono variare da meno di 40 gradi Celsius a più 100 gradi Celsius (nel deserto, per esempio).
Effetti delle differenze di temperatura estreme studiate
Per simulare questo, le cellule solari perovskite nello studio sono state esposte a differenze di temperatura molto più estreme in diversi cicli: da meno 150 gradi Celsius a più 150 gradi Celsius e ancora e ancora. Il dott. Guixiang Li (allora postdoc presso HZB, ora professore alla Southeast University, in Cina), ha studiato come la microstruttura all’interno dello strato di perovskite è cambiata durante i cicli e in che misura le interazioni con gli strati vicini sono state influenzate anche dai cicli di temperatura.
Stress termico all’interno del film perovskite e tra gli strati
Insieme, questi fattori influenzano le prestazioni della cellula. In particolare, i cicli di temperatura hanno causato stress termico, cioè lo stress sia all’interno del film sottile di perovskite sia tra i diversi strati adiacenti: ‘In una cella solare perovskite, gli strati di materiali molto diversi devono essere in perfetto contatto; Sfortunatamente, questi materiali hanno spesso comportamenti termici abbastanza diversi “, spiega Abate. Ad esempio, le materie plastiche tendono a ridursi quando riscaldati, mentre i materiali inorganici tendono ad espandersi. Ciò significa che in ogni ciclo il contatto tra gli strati peggiora. Inoltre, sono state osservate anche transizioni di fase locali e diffusione di elementi in strati adiacenti.
Strategia più promettente
Da questo, i team di ricerca hanno derivato una strategia per aumentare la stabilità a lungo termine delle celle solari perovskite. “Lo stress termico è la chiave”, afferma Abate. La cosa principale, quindi, è rendere le strutture perovskite e gli strati adiacenti più stabili contro lo stress termico, ad esempio aumentando la qualità cristallina, ma anche utilizzando strati tamponi adeguati. Gli scienziati evidenziano l’importanza dei protocolli di test uniformi per la valutazione della stabilità nell’ambito del ciclo della temperatura e propongono un approccio per facilitare il confronto tra diversi studi.
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