Le celle solari in perovskite (PVSC) sono un’alternativa promettente alle tradizionali celle solari a base di silicio grazie alla loro elevata efficienza di conversione energetica e al basso costo. Tuttavia, una delle principali sfide nel loro sviluppo è stata il raggiungimento della stabilità a lungo termine. Recentemente, un gruppo di ricerca della City University di Hong Kong (CityU) ha fatto un passo avanti sviluppando un innovativo additivo multifunzionale e non volatile che può migliorare l’efficienza e la stabilità delle celle solari di perovskite modulando la crescita del film di perovskite. Questa strategia semplice ed efficace ha un grande potenziale per facilitare la commercializzazione dei PVSC.
“Questo tipo di additivo multifunzionale può essere generalmente utilizzato per realizzare diverse composizioni di perovskite per fabbricare celle solari di perovskite altamente efficienti e stabili. I film di perovskite di alta qualità consentiranno l’upscaling di pannelli solari di grandi dimensioni”, ha spiegato il professor Alex Jen Kwan-yue , Lee Shau Kee Chair Professor of Materials Science e Direttore dell’Hong Kong Institute for Clean Energy presso CityU, che ha guidato lo studio.
I PVSC hanno attirato un’attenzione significativa grazie alla loro impressionante efficienza di conversione dell’energia solare (PCE). Poiché le perovskiti possono essere depositate dalle soluzioni sulle superfici di fabbricazione, i PVSC hanno il potenziale per essere applicati nel fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV), nei dispositivi indossabili e nelle applicazioni per parchi solari. Tuttavia, l’efficienza e la stabilità sono ancora influenzate dalla grave perdita di energia associata ai difetti incorporati alle interfacce e ai bordi di grano delle perovskiti. Pertanto, la qualità intrinseca del film di perovskite gioca un ruolo fondamentale nel determinare l’efficienza e la stabilità ottenibili dei PVSC.
Sebbene molti studi di ricerca precedenti si siano concentrati sul miglioramento della morfologia e della qualità del film con additivi volatili, questi additivi tendono a fuoriuscire dal film dopo la ricottura, creando un vuoto all’interfaccia perovskite-substrato.
Per affrontare questi problemi, i ricercatori di CityU hanno sviluppato una strategia semplice ma efficace per modulare la crescita della pellicola di perovskite per migliorare la qualità della pellicola. Hanno scoperto che aggiungendo una molecola multifunzionale (cloridrato dell’acido 4-guanidinobenzoico, (GBAC)) al precursore della perovskite, si forma una fase intermedia a ponte idrogeno che modula la cristallizzazione per ottenere film di perovskite di alta qualità con grandi grani di cristallo di perovskite e una crescita coerente del grano dal fondo alla superficie del film. Questa molecola può anche fungere da efficace linker di passivazione dei difetti (un metodo per ridurre la densità dei difetti del film di perovskite) nel film di perovskite ricotto a causa della sua non volatilità, con conseguente perdita di ricombinazione non radiativa significativamente ridotta e migliore qualità del film.
I loro esperimenti hanno dimostrato che la densità dei difetti dei film di perovskite può essere ridotta in modo significativo dopo l’introduzione del GBAC. L’efficienza di conversione della potenza delle celle solari a perovskite invertita (pin) basate sulle perovskiti modificate è stata aumentata al 24,8% (24,5% certificato dai Japan Electrical Safety & Environment Technology Laboratories), che è tra i valori più alti riportati in letteratura. Inoltre, la perdita di energia complessiva del dispositivo è stata ridotta a 0,36eV, rappresentando una delle perdite di energia più basse tra i dispositivi PVSC con un’elevata efficienza di conversione della potenza.
Inoltre, i dispositivi non incapsulati mostrano una migliore stabilità termica oltre le 1.000 ore in condizioni di riscaldamento continuo a 65 ± 5°C in una cella a guanti riempita di azoto, pur mantenendo il 98% dell’efficienza originale.
Il team ha dimostrato l’applicabilità generale di questa strategia per diverse composizioni di perovskite e dispositivi di grandi dimensioni. Ad esempio, un dispositivo di area più ampia (1 cm2) nell’esperimento ha fornito un PCE elevato del 22,7% con questa strategia, indicando un eccellente potenziale per la fabbricazione di PVSC scalabili e altamente efficienti.
“Questo lavoro fornisce un percorso chiaro per ottenere una qualità ottimizzata del film di perovskite per facilitare lo sviluppo di celle solari di perovskite altamente efficienti e stabili e il loro potenziamento per applicazioni pratiche”, ha affermato il professor Jen.
In futuro, il team mira a estendere ulteriormente le strutture molecolari e ottimizzare la struttura del dispositivo attraverso l’ingegneria compositiva e interfacciale. Si concentreranno anche sulla fabbricazione di dispositivi di grandi dimensioni.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Fotonica della natura con il titolo “Intermedio a ponte con legame idrogeno per celle solari di perovskite con maggiore efficienza e stabilità”.
Il professor Jen è l’autore corrispondente della ricerca. I co-primi autori sono la signorina Li Fengzhu e il dottor Deng Xiang del gruppo di ricerca del professor Jen. Altri membri del team di CityU includono il dottor Chen Xiankai, il dottor Tsang Sai?wing, il dottor Yang Zhengbao, il dottor Francis Lin e il dottor Wu Shengfan.
La ricerca è stata supportata da CityU, Commissione per l’innovazione e la tecnologia, Consiglio per le borse di ricerca, Green Tech Fund of the Environment and Ecology Bureau di Hong Kong, Guangdong Major Project of Basic and Applied Basic Research e Guangdong-Hong Kong- Laboratorio congiunto di Macao di materiali funzionali optoelettronici e magnetici.
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