Gli scienziati della Northwestern University hanno sviluppato un nuovo rivestimento protettivo che prolunga significativamente la vita delle celle solari in perovskite, rendendole più pratiche per applicazioni fuori dal laboratorio.
Sebbene le celle solari in perovskite siano più efficienti e meno costose delle tradizionali celle solari in silicio, la perovskite è stata finora limitata dalla sua mancanza di stabilità a lungo termine. In genere, le celle solari in perovskite utilizzano uno strato di rivestimento a base di ammonio per migliorare l’efficienza. Sebbene efficaci, gli strati a base di ammonio si degradano sotto stress ambientale, come calore e umidità.
I ricercatori nordoccidentali hanno ora sviluppato uno strato più robusto, basato sull’amidinio.
Negli esperimenti, il nuovo rivestimento si è rivelato 10 volte più resistente alla decomposizione rispetto ai tradizionali rivestimenti a base di ammonio. Ancora meglio: le cellule rivestite di amidinio hanno anche triplicato il T della cellula90 durata: il tempo necessario affinché l’efficienza di una cella scenda del 90% del suo valore iniziale se esposta a condizioni difficili.
La ricerca sarà pubblicata venerdì (22 novembre) sulla rivista Scienza.
“Il campo ha lavorato a lungo sulla stabilità delle celle solari in perovskite”, ha affermato Bin Chen della Northwestern, che ha co-diretto lo studio. “Finora, la maggior parte dei rapporti si concentra sul miglioramento della stabilità del materiale perovskite stesso, trascurando gli strati protettivi. Migliorando lo strato protettivo, siamo stati in grado di migliorare le prestazioni complessive delle celle solari.”
“Questo lavoro affronta uno degli ostacoli critici all’adozione diffusa delle celle solari alla perovskite: la stabilità in condizioni reali”, ha affermato Mercouri Kanatzidis della Northwestern, che ha co-diretto lo studio. “Rinforzando chimicamente gli strati protettivi, abbiamo migliorato significativamente la durata di queste celle senza comprometterne l’eccezionale efficienza, avvicinandoci a un’alternativa pratica ed economica al fotovoltaico a base di silicio.”
Chen è un professore associato di ricerca di chimica presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Ha co-condotto lo studio con Ted Sargent, professore di chimica di Lynn Hopton Davis e Greg Davis a Weinberg e professore di ingegneria elettrica e informatica presso la McCormick School of Engineering, e Kanatzidis, professore di chimica di Charles E. ed Emma H. Morrison a Weinberg. Yi Yang, un ricercatore post-dottorato co-consulente da Sargent e Kanatzidis, è il primo autore dell’articolo.
Perovskite come alternativa al silicio
In uso da decenni, il silicio è il materiale più comunemente utilizzato per lo strato che assorbe la luce nelle celle solari. Anche se il silicio è durevole e affidabile, è costoso da produrre e si sta avvicinando al suo limite massimo di efficienza. Alla ricerca di una cella solare a costo inferiore e con maggiore efficienza, i ricercatori hanno recentemente iniziato a esplorare le perovskiti, una famiglia di composti cristallini.
Sebbene si dimostri promettente come alternativa economicamente vantaggiosa al silicio, la perovskite ha una durata di vita relativamente breve. L’esposizione prolungata alla luce solare, le fluttuazioni estreme della temperatura, l’umidità e l’umidità causano il degrado delle celle solari in perovskite nel tempo.
Per superare questa sfida, i ricercatori hanno aggiunto ligandi di amidinio, molecole stabili che possono interagire con la perovskite per fornire una passivazione dei difetti di lunga durata ed effetti protettivi. Le molecole a base di ammonio hanno un atomo di azoto circondato da tre atomi di idrogeno e un gruppo contenente carbonio, mentre le molecole a base di amidinio comprendono un atomo di carbonio centrale legato a due gruppi amminici. Poiché la loro struttura consente agli elettroni di distribuirsi in modo uniforme, le molecole di amidinio sono più resistenti in condizioni difficili.
“Le celle solari alla perovskite all’avanguardia hanno tipicamente ligandi di ammonio come strato di passivazione”, ha detto Yang. “Ma l’ammonio tende a rompersi sotto stress termico. Abbiamo fatto un po’ di chimica per convertire l’ammonio instabile in un amidinio più stabile.”
I ricercatori hanno eseguito questa conversione attraverso un processo noto come amidinazione, in cui il gruppo ammonio viene sostituito con un gruppo amidinio più stabile. Questa innovazione ha impedito che le cellule di perovskite si rompessero nel tempo, soprattutto se esposte a calore estremo.
Risultati da record
La cella solare risultante ha raggiunto un’impressionante efficienza del 26,3%, il che significa che ha convertito con successo il 26,3% della luce solare assorbita in elettricità. La cella solare rivestita ha inoltre mantenuto il 90% della sua efficienza iniziale dopo 1.100 ore di test in condizioni difficili, dimostrando una T90 durata tre volte superiore rispetto a prima se esposto al calore e alla luce.
Questi esperimenti segnano l’ultimo esempio di miglioramento delle prestazioni delle celle solari in perovskite da parte del laboratorio Sargent. Nel 2022, il team di Sargent ha sviluppato una cella solare in perovskite che ha battuto i record di efficienza energetica e voltaggio. Nel 2023, il suo team ha introdotto una cella solare in perovskite con una struttura invertita, che ne ha anche migliorato l’efficienza energetica. E all’inizio di quest’anno, il gruppo di Sargent ha incorporato cristalli liquidi per ridurre al minimo i difetti nelle pellicole di perovskite, migliorando le prestazioni del dispositivo.
“Le celle solari a base di perovskite hanno il potenziale per contribuire alla decarbonizzazione della fornitura di energia elettrica una volta che avremo finalizzato la loro progettazione, raggiunto l’unione di prestazioni e durata e ampliato i dispositivi”, ha affermato Sargent, che dirige l’Istituto Paula M. Trienens per Sostenibilità ed energia. “L’ostacolo principale alla commercializzazione delle celle solari alla perovskite è la loro stabilità a lungo termine. Ma grazie al suo vantaggio pluridecennale, il silicio ha ancora un vantaggio in alcune aree, inclusa la stabilità. Stiamo lavorando per colmare questa lacuna.”
Questa ricerca è direttamente collegata al pilastro Generate, uno dei sei pilastri della decarbonizzazione del Trienens Institute. Nell’ambito del pilastro Generate, Northwestern si impegna a costruire una nuova classe di produzione di energia solare concentrandosi su celle solari multi-giunzione ad alta efficienza e materiali per celle solari di prossima generazione. Kanatzidis è co-presidente di facoltà del pilastro e Chen è il responsabile dell’implementazione.
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