Cella fotovoltaica tandem a base di perovskite e carborani raggiunge il 27,2% di efficienza

Un gruppo di ricerca cinese-canadese ha progettato una cella solare monolitica in tandem di perovskite che utilizza un dispositivo fotovoltaico di perovskite invertita superiore basato su un assorbitore realizzato con perovskite mista stagno-piombo (Sn-Pb) attraverso una strategia di regolazione termica di nuova concezione.

Le celle a perovskite invertita 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 e lo strato di trasporto degli elettroni n 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).

Gli scienziati hanno spiegato che il loro approccio consisteva nel migliorare la stabilità termica e la facilità di ossidazione dello Sn incorporando i carborani nel materiale di perovskite. Questi composti, noti anche come dicarba-closo-dodecaborani, sono ammassi elettron-delocalizzati composti da atomi di boro, carbonio e idrogeno con capacità di trasferimento del calore.

“I carborani sono molecole di carbonio e boro delocalizzate elettronicamente con una significativa sovrapposizione tra gli orbitali atomici degli atomi vicini, che consente agli elettroni di muoversi liberamente e di distribuirsi in una regione più ampia all’interno dei materiali”, hanno dichiarato. “La caratteristica della delocalizzazione degli elettroni consente di migliorare la conduttività termica e il trasporto efficiente dei portatori”.

Il gruppo ha selezionato un tipo di carborano noto come orto-carborano (o-CB, C2B10H12) e ha dichiarato che ha una capacità di trasferimento del calore e una stabilità chimica “eccezionali”. È stato inserito nella cella per evitare il contatto diretto tra la perovskite e lo strato di PEDOT: PSS (HTL) per sopprimere la degradazione a temperature elevate.

La cella solare superiore è stata costruita con un substrato di ossido di indio-stagno (ITO), uno strato di trasporto di buche (HTL) basato su PEDOT:PSS, l’assorbitore di perovskite, uno strato di trasporto di elettroni (ETL) basato su buckminsterfullerene (C60), uno strato tampone di ossido di stagno (SnO2) e un contatto metallico di argento (Ag).

Attraverso calcoli di teoria funzionale della densità (DFT), gli studiosi hanno scoperto che l’orto-carborano e la perovskite potevano combinarsi in modo stabile e che ulteriori misure di spettroscopia fotoelettrica ultravioletta (UPS) hanno confermato il miglioramento del livello energetico interfacciale dell’assorbitore.

Il massimo della banda di valenza di un film di perovskite si è spostato da -5,42 a -5,31 eV dopo il trattamento con ortocarborano, rendendo più piccolo l’offset della banda con l’orbitale molecolare occupato più alto del PEDOT:PSS e riducendo la ricombinazione interfacciale”, hanno spiegato.

Una cella solare campione costruita con questa configurazione ha raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 23,4%, una tensione a circuito aperto di 0,877 V, una densità di corrente a corto circuito di 32,19 mA cm2 e un fattore di riempimento dell’82,9%. Il dispositivo ha inoltre mantenuto il 90% dell’efficienza iniziale dopo 1.000 ore. A titolo di confronto, una cella senza trattamento con carborano ha mantenuto solo il 62% dell’efficienza originale dopo 400 ore.

La cella è stata poi integrata come dispositivo superiore in una cella solare monolitica interamente a perovskite, basata su celle inferiori di perovskite Sn-Pb. La cella tandem è stata in grado di raggiungere un’efficienza del 27,2%, una tensione a circuito aperto di 2,16 V, una densità di corrente di corto circuito di 15,6 mA/cm2 e un fattore di riempimento dell’81%.

“Abbiamo poi testato la stabilità delle celle solari tandem incapsulate in condizioni di illuminazione simulata con un solo sole a MPP”, ha spiegato il gruppo. Il tandem incontaminato ha mantenuto l’87% della sua efficienza iniziale dopo 704 ore di funzionamento continuo”.

Il nuovo concetto di cella solare è stato presentato nello studio “Sustainable thermal regulation improves stability and efficiency in all-perovskite tandem solar cells”, pubblicato di recente su Scientific Reports. Il team di ricerca comprendeva accademici dell’Università di Toronto in Canada e della Qingdao University of Science and Technology in Cina.

Un altro gruppo di ricerca dell’Università di Toronto ha recentemente presentato una cella solare a tripla giunzione a base di perovskite con un’efficienza del 25,1% che, secondo quanto riferito, mostra una migliore omogeneizzazione del film di perovskite di alogenuri.

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