Cella solare in perovksite con configurazione invertita raggiunge efficienza del 23,9%

Un team di ricerca statunitense-canadese ha fabbricato una cella solare in perovskite con configurazione invertita utilizzando molecole di base di Lewis per la passivazione superficiale. Le basi di Lewis sono generalmente utilizzate nella ricerca sulla perovskite per applicazioni fotovoltaiche con l’obiettivo di passivare i difetti superficiali del film di perovskite. Ciò ha effetti positivi sull’allineamento del livello di energia, sulla cinetica di ricombinazione interfacciale, sul comportamento di isteresi e sulla stabilità operativa della cella stessa.

“Si ritiene che la basicità di Lewis, che è inversamente proporzionale all’elettronegatività, determini l’energia di legame e la stabilizzazione delle interfacce e dei bordi dei grani”, hanno affermato gli scienziati, osservando che le molecole si sono dimostrate altamente efficienti nel creare un forte legame tra gli strati cellulari a il livello di interfaccia. “Una molecola di base di Lewis con due atomi donatori di elettroni può potenzialmente legare e colmare le interfacce e i confini dei grani, offrendo la possibilità di migliorare l’adesione e rafforzare la resistenza meccanica delle celle solari di perovskite”.

Gli scienziati hanno utilizzato una molecola a base di Lewis nota come 1,3-bis(diphenylphosphino) propane (DPPP) per passivare una delle perovskiti alogenuri più promettenti – lo ioduro di piombo formamidinio noto come FAPbI3 – da utilizzare nello strato assorbente di una cellula.

Hanno depositato lo strato di perovskite su uno strato trasportatore del foro (HTL) fatto di ossido di nichel (II) (NiOx) e dopato con DPPP (HTL). Hanno inoltre osservato che alcune molecole di DPPP si sono disciolte e segregate sia all’interfaccia perovskite/NiOx che nelle regioni superficiali della perovskite, e che la cristallinità del film di perovskite è migliorata, concludendo che questo passaggio ha migliorato la resistenza meccanica dell’interfaccia perovskite/NiOx.

I ricercatori hanno costruito la cella con un substrato di vetro e ossido di stagno (FTO), l’HTL basato su NiOx, uno strato di carbazolo metil-sostituito (Me-4PACz), lo strato di perovskite, uno strato sottile di ioduro di fenetilammonio (PEAI), uno strato trasportatore di elettroni (ETL) costituito da buckminsterfullerene (C60), uno strato tampone di ossido di stagno (IV) (SnO2) e un contatto metallico in argento (Ag).

Il gruppo di ricerca ha confrontato le prestazioni della cella solare dopata con DPPP con un dispositivo di riferimento che non ha subito lo stesso trattamento. La cella dopata ha raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 24,5%, una tensione a circuito aperto di 1,16 V e un fattore di riempimento dell’82%. Il dispositivo non dopato ha raggiunto un’efficienza del 22,6%, una tensione a circuito aperto di 1,11 V e un fattore di riempimento del 79%.

“Il miglioramento del fattore di riempimento e della tensione a circuito aperto ha confermato la riduzione della densità dei difetti nell’interfaccia frontale NiOx/perovskite dopo il trattamento con DPPP”, hanno affermato gli scienziati.

I ricercatori hanno anche costruito una cella dopata con un’area attiva di 1,05 cm2 che ha raggiunto un’efficienza di conversione della potenza fino al 23,9% e non ha mostrato alcun degrado dopo 1.500 ore.

“Con il DPPP in condizioni ambientali, ovvero senza riscaldamento aggiuntivo, l’efficienza complessiva di conversione della potenza della cella è rimasta elevata per circa 3.500 ore”, ha affermato il ricercatore Chongwen Li. “Le celle solari di perovskite che sono state precedentemente presentate in letteratura tendono a vedere un calo significativo della loro efficienza dopo 1.500-2.000 ore, quindi si tratta un grande miglioramento”.

Il gruppo, che ha recentemente richiesto un brevetto per la tecnica DPPP, ha presentato la tecnologia delle celle in “Rational design of Lewis base molecules for stable and efficient inverted perovskite solar cells“, che è stato recentemente pubblicato su Science. Il team comprende accademici dell’Università di Toronto in Canada, nonché scienziati dell’Università di Toledo, dell’Università di Washington e della Northwestern University negli Stati Uniti.