Un gruppo di ricercatori guidati dal Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ha fabbricato una cella solare a tripla giunzione perovskite-perovskite-silicio che ha raggiunto un’efficienza record del 24,4%.
Fino ad oggi, le celle fotovoltaiche multigiunzione basate sulla perovskite che utilizzano tre, quattro o anche più giunzioni hanno avuto un rendimento inferiore rispetto alle celle solari monolitiche a doppia giunzione basate sulla perovskite.
“Le sfide principali nella lavorazione delle architetture a tripla giunzione sono la lavorazione sequenziale di film sottili di perovskite di alta qualità in un’architettura multistrato sempre più complessa, la gestione della luce e l’adattamento della corrente delle sottocelle interconnesse monoliticamente, nonché lo sviluppo di giunzioni a tunnel/ricombinazione a bassa perdita”, ha dichiarato a pv magazine Ulrich W. Paetzold, leader del gruppo fotovoltaico di nuova generazione del KIT.
“Evidenziamo che ad oggi la giunzione più critica è la sottocella di perovskite centrale, poiché viene lavorata sopra la cella inferiore in Si e deve sopportare la successiva lavorazione della cella superiore in perovskite ad ampio bandgap (WBG)”.
Nello studio “Triple-junction perovskite-perovskite-silicon solar cells with power conversion efficiency of 24.4%”, pubblicato su Energy & Environmental Science, Paetzold e i suoi colleghi hanno spiegato che la cella era basata su una cella superiore in perovskite con un bandgap energetico di 1,84 eV, una cella intermedia in perovskite con bandgap di 1,52 eV e una cella inferiore in silicio con bandgap di 1,1 eV.
La cella inferiore aveva uno spessore di 200 μm. È stata incisa con idrossido di potassio e si basa su giunzioni poly-Si on oxide (POLO) che raccolgono elettroni. Per i dispositivi centrali e superiori, gli scienziati hanno utilizzato una delle perovskiti alogenuri più promettenti, lo ioduro di piombo α-formamidinio noto come α-FAPbI3. Le giunzioni di ricombinazione sono state formate da strati di ossido di indio-stagno (ITO) sputati.
“L’ITO serve anche come ossido di ancoraggio per lo strato sequenziale di trasporto di buchi (HTL), in particolare per i doppi HTL di NiOx/monostrato autoassemblato (SAM)”, hanno spiegato gli studiosi. “In entrambe le sottocelle di perovskite viene utilizzato un doppio HTL basato su una combinazione di ossido di nichel(II) (NiOx) e carbazolo (2PACz), che offre un’eccellente estrazione dei portatori di carica, una robusta barriera per i solventi del precursore della perovskite e un’ottima resa per i dispositivi”.
Testata in condizioni di illuminazione standard, la cella a tripla giunzione ha raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 24,4%, una tensione a circuito aperto di 2,84 V, una corrente di cortocircuito di 11,6 mA cm-2 e un fattore di riempimento del 74%. Il gruppo di ricerca ha dichiarato che si tratta della più alta efficienza mai registrata finora per questo tipo di dispositivo a tripla giunzione.
La cella è stata anche in grado di mantenere il 96,6% dell’efficienza iniziale durante l’invecchiamento al buio a 85 C per 1.081 ore.
“Sfruttando le simulazioni ottiche e le ottimizzazioni sperimentali della tripla giunzione, il disallineamento di corrente è stato ridotto al minimo e la generazione di corrente è stata massimizzata”, ha dichiarato Paetzold. “La chiave di questo risultato è stato lo sviluppo di una sotto-cella di perovskite intermedia ad alte prestazioni, che impiega un film sottile di FAPbI3 stabile in fase pura-α di alta qualità”.
Paetzold ha anche spiegato che la sub-cella di perovskite media è vantaggiosa per fornire un bandgap medio adeguato, un’ottima stabilità termica, interfacce eccellenti per entrambe le giunzioni di ricombinazione e una bassa densità di difetti e fori di spillo.
“Il nostro studio apre le porte a una nuova era del fotovoltaico a tripla giunzione ad alta efficienza basato sulla perovskite”, ha concluso.
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