Una svolta rivoluzionaria nella ricerca sull’energia solare ha dato impulso allo sviluppo della cella solare a punti quantici (QD) più efficiente al mondo, segnando un passo significativo verso la commercializzazione delle celle solari di prossima generazione. Questa soluzione e questo dispositivo QD all’avanguardia hanno dimostrato prestazioni eccezionali, mantenendo la loro efficienza anche dopo uno stoccaggio a lungo termine. Guidato dal professor Sung-Yeon Jang della Scuola di ingegneria energetica e chimica dell’UNIST, un team di ricercatori ha svelato una nuova tecnica di scambio di ligandi. Questo approccio innovativo consente la sintesi di punti quantici di perovskite (PQD) a base di cationi organici, garantendo una stabilità eccezionale e sopprimendo i difetti interni nello strato fotoattivo delle celle solari.
“La nostra tecnologia sviluppata ha raggiunto un’impressionante efficienza del 18,1% nelle celle solari QD”, ha affermato il professor Jang. “Questo notevole risultato rappresenta la più alta efficienza tra le celle solari a punti quantici riconosciuta dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) negli Stati Uniti.”
Il crescente interesse per i campi correlati è evidente, poiché l’anno scorso tre scienziati che hanno scoperto e sviluppato i QD, come prodotti nanotecnologici avanzati, hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica. I QD sono nanocristalli semiconduttori con dimensioni tipiche che vanno da diversi a decine di nanometri, in grado di controllare le proprietà fotoelettriche in base alla dimensione delle particelle. I PQD, in particolare, hanno attirato un’attenzione significativa da parte dei ricercatori grazie alle loro eccezionali proprietà fotoelettriche. Inoltre, il loro processo di produzione prevede la semplice spruzzatura o l’applicazione a un solvente, eliminando la necessità del processo di crescita sui substrati. Questo approccio semplificato consente una produzione di alta qualità in vari ambienti produttivi.
Tuttavia, l’uso pratico dei QD come celle solari richiede una tecnologia che riduca la distanza tra i QD attraverso lo scambio di ligandi, un processo che lega una grande molecola, come un recettore del ligando, alla superficie di un QD. I PQD organici devono affrontare notevoli sfide, inclusi difetti nei cristalli e nelle superfici durante il processo di sostituzione. Di conseguenza, come materiali per le celle solari sono stati utilizzati prevalentemente PQD inorganici con efficienza limitata fino al 16%.
In questo studio, il gruppo di ricerca ha utilizzato una strategia di scambio di ligandi basata su ioduro di alchilammonio, sostituendo efficacemente i ligandi con PQD organici con eccellente utilizzo solare. Questa innovazione consente la creazione di uno strato fotoattivo di QD per celle solari con elevata efficienza di sostituzione e difetti controllati.
Di conseguenza, l’efficienza dei PQD organici, precedentemente limitata al 13% utilizzando la tecnologia di sostituzione dei ligandi esistente, è stata significativamente migliorata al 18,1%. Inoltre, queste celle solari dimostrano una stabilità eccezionale, mantenendo le loro prestazioni anche dopo uno stoccaggio a lungo termine per oltre due anni. Le celle solari organiche PQD di nuova concezione mostrano contemporaneamente elevata efficienza e stabilità.
“Le ricerche precedenti sulle celle solari QD utilizzavano prevalentemente PQD inorganici”, ha osservato Sang-Hak Lee, il primo autore dello studio. “Attraverso questo studio, abbiamo dimostrato il potenziale affrontando le sfide associate ai PQD organici, che si sono rivelati difficili da utilizzare.”
“Questo studio presenta una nuova direzione per il metodo di scambio dei ligandi nei PQD organici, fungendo da catalizzatore per rivoluzionare il campo della ricerca sui materiali delle celle solari QD in futuro”, ha commentato il professor Jang.
I risultati di questo studio, di cui sono coautori il Dr. Javid Aqoma Khoiruddin e Sang-Hak Lee, sono stati pubblicati online su Energia della natura il 27 gennaio 2024. La ricerca è stata resa possibile grazie al supporto del “Laboratorio di ricerca di base (BRL)” e del “Programma di ricerca a metà carriera”, nonché del “Programma di sviluppo della tecnologia nano·materiale”, finanziato dal Fondo nazionale Fondazione di ricerca coreana (NRF) sotto il Ministero della scienza e delle TIC (MSIT). Ha anche ricevuto sostegno attraverso il “Global Basic Research Lab Project”.
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