Gli scienziati dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno sviluppato una nuova cella solare tandem in perovskite/Si a tripla giunzione in grado di raggiungere un’efficienza di conversione energetica certificata da record mondiale del 27,1% su un’area di assorbimento dell’energia solare di 1 cm quadrato, che rappresenta la cella solare tandem perovskite/Si a tripla giunzione con le migliori prestazioni finora. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha progettato una nuova cella solare in perovskite integrata con cianato, stabile ed efficiente dal punto di vista energetico.
Le celle solari possono essere fabbricate in più di due strati e assemblate per formare celle solari multi-giunzione per aumentare l’efficienza. Ogni strato è costituito da diversi materiali fotovoltaici e assorbe l’energia solare in un intervallo diverso. Tuttavia, le attuali tecnologie delle celle solari multi-giunzione pongono molti problemi, come la perdita di energia che porta a una bassa tensione e all’instabilità del dispositivo durante il funzionamento.
Per superare queste sfide, il professore assistente Hou Yi ha guidato un team di scienziati del NUS College of Design and Engineering (CDE) e del Solar Energy Research Institute di Singapore (SERIS) per dimostrare, per la prima volta, la riuscita integrazione del cianato in una perovskite cella solare per sviluppare una cella solare tandem in perovskite/Si a tripla giunzione all’avanguardia che superi le prestazioni di altre celle solari multi-giunzione simili. Asst Prof Hou è un giovane professore presidenziale presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare del CDE, nonché capogruppo presso SERIS, un istituto di ricerca di livello universitario nel NUS.
“Sorprendentemente, dopo 15 anni di ricerca in corso nel campo delle celle solari a base di perovskite, questo lavoro costituisce la prima prova sperimentale dell’inclusione del cianato nelle perovskiti per aumentare la stabilità della sua struttura e migliorare l’efficienza di conversione dell’energia”, ha affermato il Prof Asst Ho.
Il processo sperimentale che ha portato a questa scoperta rivoluzionaria è stato pubblicato nel Natura il 4 marzo 2024.
Realizzazione di una tecnologia per celle solari ad alta efficienza energetica
Le interazioni tra i componenti della struttura della perovskite determinano l’intervallo di energia che può raggiungere. Regolare la proporzione di questi componenti o trovare un sostituto diretto può aiutare a modificare la gamma energetica della perovskite. Tuttavia, la ricerca precedente deve ancora produrre una ricetta di perovskite con una gamma di energia ultraampia e un’elevata efficienza.
In questo lavoro recentemente pubblicato, il team NUS ha sperimentato il cianato, un nuovo pseudoalogenuro, come sostituto del bromuro, uno ione del gruppo degli alogenuri comunemente usato nelle perovskiti. Il dottor Liu Shunchang, ricercatore nel team dell’Asst Prof Hou, ha utilizzato vari metodi analitici per confermare la riuscita integrazione del cianato nella struttura della perovskite e ha fabbricato una cella solare in perovskite integrata con cianato.
Ulteriori analisi della struttura atomica della nuova perovskite hanno fornito – per la prima volta – prove sperimentali che l’incorporazione del cianato ha contribuito a stabilizzare la sua struttura e a formare interazioni chiave all’interno della perovskite, dimostrando come sia un valido sostituto degli alogenuri nelle celle solari a base di perovskite. .
Nel valutare le prestazioni, gli scienziati della NUS hanno scoperto che le celle solari alla perovskite incorporate con cianato possono raggiungere una tensione più elevata di 1,422 volt rispetto ai 1,357 volt delle celle solari alla perovskite convenzionali, con una significativa riduzione della perdita di energia.
I ricercatori hanno anche testato la cella solare in perovskite di nuova progettazione facendola funzionare continuamente alla massima potenza per 300 ore in condizioni controllate. Dopo il periodo di prova, la cella solare è rimasta stabile e ha funzionato al di sopra del 96% della capacità.
Incoraggiato dalle prestazioni impressionanti delle celle solari alla perovskite integrate con cianato, il team NUS ha portato la sua scoperta innovativa al passo successivo, utilizzandola per assemblare una cella solare tandem perovskite/Si a tripla giunzione. I ricercatori hanno impilato una cella solare in perovskite e una cella solare in silicio per creare una semicella a doppia giunzione, fornendo una base ideale per il collegamento della cella solare in perovskite integrata con cianato.
Una volta assemblate, i ricercatori hanno dimostrato che, nonostante la complessità della struttura della cella solare tandem perovskite/Si a tripla giunzione, è rimasta stabile e ha raggiunto un’efficienza record mondiale certificata del 27,1% da un laboratorio di calibrazione fotovoltaico indipendente accreditato.
“Collessivamente, questi progressi offrono intuizioni rivoluzionarie per mitigare la perdita di energia nelle celle solari a perovskite e stabiliscono un nuovo corso per l’ulteriore sviluppo della tecnologia solare a tripla giunzione basata sulla perovskite”, ha affermato il prof. Asst Hou.
Prossimi passi
L’efficienza teorica delle celle solari tandem perovskite/Si a tripla giunzione supera il 50%, presentando un potenziale significativo per ulteriori miglioramenti, soprattutto nelle applicazioni in cui lo spazio di installazione è limitato.
Guardando al futuro, il team NUS mira a estendere questa tecnologia a moduli più grandi senza compromettere l’efficienza e la stabilità. La ricerca futura si concentrerà sulle innovazioni nelle interfacce e nella composizione della perovskite: queste sono le aree chiave identificate dal team per far avanzare ulteriormente questa tecnologia.
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