Cella solare a perovskite invertita raggiunge un’efficienza del 25,1% grazie a una nuova tecnica di passivazione

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Un gruppo di ricercatori guidati dalla Northwestern University negli Stati Uniti ha annunciato di aver raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 25,1% per una cella solare di perovskite con configurazione invertita. Il risultato è stato certificato dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell’Energia statunitense.

Le celle di perovskite invertite hanno una struttura del dispositivo nota come “p-i-n”, in cui il contatto buco-selettivo p si trova nella parte inferiore dello strato intrinseco di perovskite i, mentre lo strato di trasporto degli elettroni n si trova nella parte superiore. Le celle convenzionali di perovskite alogenata hanno la stessa struttura, ma invertita: una disposizione “n-i-p”. Nell’architettura n-i-p, la cella solare viene illuminata attraverso il lato dello strato di trasporto degli elettroni (ETL); nella struttura p-i-n, viene illuminata attraverso la superficie dello strato di trasporto dei fori (HTL).

“Le celle solari a perovskite invertita sono note per la loro straordinaria stabilità, ma sono state frenate da una minore efficienza nel trasformare la luce solare in elettricità”, ha detto a pv magazine Cheng Liu, autore principale della ricerca. Questo problema si presenta soprattutto nel punto in cui lo strato di perovskite incontra lo strato di trasporto degli elettroni, causando una perdita di energia invece di essere convertita in energia utile”. La perdita di energia è causata principalmente dalla ricombinazione dei portatori, soprattutto all’interfaccia tra la perovskite e lo strato di trasporto degli elettroni”.

Il gruppo di ricerca ha utilizzato una coppia di molecole speciali per interfacciarsi e risolvere il complesso problema della ricombinazione dei portatori. “In primo luogo, abbiamo utilizzato molecole di metiltio modificate con zolfo per passivare i difetti superficiali e sopprimere la ricombinazione attraverso una forte coordinazione e un legame a idrogeno”, ha spiegato Liu. “In secondo luogo, abbiamo utilizzato molecole di diammonio per respingere i portatori di minoranza e ridurre la ricombinazione di interfaccia indotta dal contatto, grazie alla passivazione a effetto campo”.

Gli scienziati hanno costruito la cella con un substrato di ossido di stagno drogato con fluoro (FTO), uno strato di trasporto di buchi (HTL) fatto di ossido di nichel(II) (NiOx) e acido fosfonico chiamato carbazolo metil-sostituito (Me-4PACz), un assorbitore di perovskite, lo strato di passivazione, uno strato di trasporto di elettroni (ETL) di buckminsterfullerene (C60), uno strato tampone di bagnocuproina (BCP) e un contatto metallico di argento (Ag).

Secondo i ricercatori, il loro approccio di passivazione ha portato ad un aumento di cinque volte della vita dei vettori e a una riduzione di tre volte delle perdite di rendimento quantico della fotoluminescenza. Di conseguenza, le celle solari a perovskite invertita hanno mantenuto un funzionamento stabile a 65 C per oltre 2.000 ore.

“È la prima volta che le celle solari a perovskite invertita superano la barriera del 25% di efficienza seguendo un rigoroso protocollo di scansione asintotica della potenza massima”, ha dichiarato Liu, sottolineando che il record precedente era del 24,1%.

Con questa cella, il team di ricerca ha anche fabbricato celle solari tandem interamente in perovskite con un’efficienza fino al 28,1%, una tensione a circuito aperto di 2,14 V, una densità di corrente a corto circuito di 15,6 mA cm2 e un fattore di riempimento dell’84,0%.

“Consideriamo l’approccio della passivazione multimolecolare, insieme a diverse funzionalità, come una direzione promettente per l’esplorazione di strategie di passivazione di prossima generazione per ottenere migliori prestazioni e stabilità nell’optoelettronica a perovskite”, ha spiegato Liu.

Il team di ricerca ha presentato la nuova tecnologia delle celle solari nell’articolo “Bimolecularly passivated interface enables efficient and stable inverted perovskite solar cells”, pubblicato recentemente su Science.

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