Celle solari in perovskite ad alta efficienza

I dispositivi perovskite, che hanno entusiasmato la comunità di ricerca, possono essere leggeri e formati con un investimento minimo di energia.

I perovskiti, una classe di materiali segnalati per la prima volta all'inizio del XIX secolo, sono stati riscoperti nel 2009 come possibile candidato per la generazione di energia tramite il loro utilizzo nelle celle solari. Da allora, hanno preso d'assalto la comunità di ricerca sul fotovoltaico, raggiungendo nuovi record di efficienza a un ritmo senza precedenti. Questo miglioramento è stato così rapido che entro il 2021, appena più di un decennio di ricerca dopo, stanno già raggiungendo prestazioni simili ai dispositivi al silicio convenzionali. Ciò che rende i perovskiti particolarmente promettenti è il modo in cui possono essere creati. Laddove i dispositivi a base di silicio sono pesanti e richiedono temperature elevate per la fabbricazione, i dispositivi perovskite possono essere leggeri e formati con un investimento minimo di energia. È questa combinazione - alte prestazioni e facile fabbricazione - che ha entusiasmato la comunità di ricerca.

Poiché le prestazioni del fotovoltaico in perovskite sono aumentate vertiginosamente, sono rimasti indietro alcuni degli sviluppi di supporto necessari per realizzare una tecnologia commercialmente valida. Un problema che continua ad affliggere lo sviluppo della perovskite è la riproducibilità dei dispositivi. Mentre alcuni dispositivi FV possono essere realizzati con il livello di prestazioni desiderato, altri realizzati nello stesso identico modo spesso hanno efficienze significativamente inferiori, sconcertando e frustrando la comunità di ricerca.

Recentemente, i ricercatori dell'Emerging Electronic Technologies Group del Professor Yana Vaynzof hanno identificato, grazie a una ricerca pubblicata su Nature Communications, (1) che i processi fondamentali che avvengono durante la formazione del film di perovskite influenzano fortemente la riproducibilità dei dispositivi fotovoltaici. Quando si deposita lo strato di perovskite dalla soluzione, un antisolvente viene gocciolato sulla soluzione di perovskite per innescare la sua cristallizzazione.

Il Dr. Alexander Taylor, un ricercatore post-dottorato associato nel gruppo Vaynzof e il primo autore dello studio, afferma: «Abbiamo scoperto che la durata dell'esposizione della perovskite all'antisolvente ha avuto un impatto drammatico sulle prestazioni del dispositivo finale, una variabile che fino ad ora era passata inosservata sul campo. Ciò è legato al fatto che alcuni antisolventi possono dissolvere almeno in parte i precursori dello strato di perovskite, alterandone così la composizione finale. Inoltre, la miscibilità degli antisolventi con i solventi della soluzione di perovskite influenza la loro efficacia nell'innescare la cristallizzazione».

Questi risultati rivelano che, mentre i ricercatori fabbricano i loro dispositivi fotovoltaici, le differenze in questo passaggio antisolvente potrebbero causare l'irriproducibilità osservata nelle prestazioni. Andando oltre, gli autori hanno testato un'ampia gamma di potenziali antisolventi e hanno dimostrato che controllando questi fenomeni, potevano ottenere prestazioni all'avanguardia da quasi tutti i candidati testati.

Il Dr. Fabian Paulus, (2) leader del Transport in Hybrid Materials Group presso cfaed e collaboratore dello studio. aggiunge: «Identificando le caratteristiche antisolventi chiave che influenzano la qualità degli strati attivi di perovskite, siamo anche in grado di prevedere l'elaborazione ottimale per nuovi antisolventi, eliminando così la necessità della noiosa ottimizzazione per tentativi ed errori così comune nel campo».

La professoressa Yana Vaynzof, (3) che ha guidato il lavoro, dice: «Un altro aspetto importante del nostro studio è il fatto che dimostriamo come un'applicazione ottimale di un antisolvente possa ampliare in modo significativo la finestra di processabilità dei dispositivi fotovoltaici in perovskite. I nostri risultati offrono alla comunità di ricerca sulla perovskite preziose intuizioni necessarie per il progresso di questa promettente tecnologia in un prodotto commerciale».

Riferimenti:

(1) A general approach to high-efficiency perovskite solar cells by any antisolvent

(2) Fabian Paulus

(3) Yana Vaynzof

Descrizione foto: I ricercatori dell'Istituto di fisica applicata (IAP) e del Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) presso TU Dresden hanno sviluppato una metodologia generale per la fabbricazione riproducibile di celle solari in perovskite ad alta efficienza. - Credit: Christiane Kunath.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Ein umfassender Ansatz für hocheffiziente Perowskit-Solarzellen