Una cella solare a tripla giunzione interamente in perovskite raggiunge un’efficienza del 25,1% grazie a una nuova tecnica di passivazione

Un gruppo internazionale di ricercatori guidati dall’Università di Toronto, in Canada, ha sviluppato una cella solare a tripla giunzione interamente in perovskite che, secondo quanto riferito, mostra una migliore omogeneizzazione del film di perovskite alogenata.

Gli scienziati hanno dichiarato che la loro nuova strategia per migliorare la qualità del film e l’efficienza della cella mirava a superare una sfida tipica dei dispositivi fotovoltaici monolitici a tripla giunzione a base di perovskite, che di solito presentano un maggiore disallineamento di banda con gli strati di trasporto della carica e una densità di difetti negli assorbitori di perovskite ad ampio bandgap. Questo fa sì che le loro efficienze rimangano a livelli inferiori rispetto a quelle ottenute dalle loro controparti a doppia e singola giunzione.

“Abbiamo cercato di migliorare l’omogeneità degli alogenuri in massa e interfacciali nell’assorbitore di perovskite wide-bandgap da 2 eV ricco di bromo per ridurre le perdite energetiche”, ha spiegato a pv magazine l’autore corrispondente della ricerca, Edward Sargent.

Il loro approccio consiste in una doppia tecnica di passivazione di massa e di interfaccia, volta a promuovere l’omogeneità degli alogenuri all’interfaccia tra l’assorbitore di perovskite e lo strato di trasporto del foro (HTL). Essa prevede l’introduzione di un sale di alogenuro diammonico noto come ioduro di propano-1,3-diammonio (PDA) durante la formazione del film.

La cella aveva un’area di 0,049 cm2 e una configurazione invertita. Le celle di perovskite invertite hanno una struttura del dispositivo nota come “p-i-n”, in cui il contatto foro-selettivo p si trova nella parte inferiore dello strato intrinseco di perovskite i, mentre lo strato di trasporto di elettroni n si trova nella parte superiore.

Il dispositivo è stato progettato con un substrato di vetro, un contatto posteriore trasparente di ossido di indio (IOH) drogato con idrogeno, uno strato di trasporto delle buche (HTL) costituito da ossido di nichel(II) (NiOx) e acido fosfonico chiamato carbazolo metil-sostituito (Me-4PACz), un assorbitore di perovskite ad ampio bandgap, uno spaziatore a base di estere metilico di acido fenil-C61-butirrico (PCBM) e polietilenimina (PEI), uno strato tampone di ossido di stagno (SnOx), uno strato di ossido di indio-stagno (ITO), un altro HTL a base di NiOx e Me-4PAC, un assorbitore di perovskite a banda media, uno strato di trasporto di elettroni (ETL) di buckminsterfullerene (C60), un altro strato tampone di SnOx, un contatto metallico in oro (Au), un altro HTL a base del polimero PEDOT: PSS, un assorbitore di perovskite a bandgap stretto, un ETL a base di C60, un altro strato tampone di SnOx e un contatto metallico in argento (Ag).

Il bandgap energetico dei tre assorbitori era rispettivamente di 1,97 eV, 1,61 eV e 1,25 eV.

I ricercatori hanno affermato che la PDA è risultata efficace nell’interagire con i precursori di perovskite e nel rallentare la formazione di film di perovskite durante lo spin coating, con film che presentano una cristallizzazione ritardata. “Abbiamo quindi ipotizzato che la PDA consenta una crescita controllata tra le specie di alogenuri e faciliti la trasformazione omogenea in fasi perovskitiche miste”, hanno spiegato i ricercatori. “I cationi della PDA si legano fortemente alle interfacce dei frammenti di perovskite adiacenti, consentendo un maggiore tempo di rilassamento per lo scambio di diversi ioni alogenuri e quindi la formazione di fasi di perovskite miste uniformi”.

Testato in condizioni di illuminazione standard, il dispositivo a tripla giunzione ha mostrato un’efficienza di conversione di potenza del 25,1%, una tensione a circuito aperto di 3,33 V, una corrente di cortocircuito di 9,7 mA cm2 e un fattore di riempimento di 0,78. Il dispositivo è stato anche in grado di mantenere l’80% della sua efficienza iniziale dopo 200 ore di inseguimento continuo del punto di massima potenza (MPPT).

Il National Renewable Energy Lab (NREL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha certificato un’efficienza del 23,87% per il dispositivo utilizzando il protocollo di scansione asintotica della potenza massima.

“Abbiamo osservato che, mentre il sale di diammonio non sopprime la segregazione degli alogenuri indotta dalla luce, la cella wide-bandgap mantiene un’elevata stabilità operativa sotto illuminazione prolungata, oltre la stabilità delle precedenti celle da circa 2 eV riportate in letteratura”, hanno dichiarato gli scienziati.

La cella è stata descritta nello studio “Halide homogenization for low energy loss in 2-eV-bandgap perovskites and increased efficiency in all-perovskite triple-junction solar cells”, pubblicato su nature energy. Il team comprendeva accademici della Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi e dell’Università di Washington negli Stati Uniti, oltre che dell’Università di Oxford e dell’Università di Cambridge nel Regno Unito.

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