Il team ha raggiunto una stabilità record dei moduli solari a perovskite sotto esposizione prolungata a luce, calore e raggi UV grazie a una tecnologia di passivazione guidata dalla chimica, compatibile con i processi industriali. In particolare, un modulo dimostrativo da 48 cm² ha conservato circa il 95% dell’efficienza iniziale dopo 5.000 ore di illuminazione solare continua (a intensità 1-sun) e funzionamento al punto di massima potenza (MPP).
“La vera novità di questo lavoro è l’introduzione di una strategia di co-cristallizzazione per perovskiti 2D basata su molecole neutre, anziché sui tradizionali cationi voluminosi ionici”’ ha spiegato Narges Yaghoobi Nia, autrice corrispondente, in un’intervista a pv magazine. Lo studio ha dimostrato che le molecole neutre basate sulla triazina, note come benzoguanamina (BGA), possono fungere da “coformatori” in grado di assemblarsi in una fase co-cristallina di perovskite 2D stechiometrica attraverso interazioni intermolecolari, invece che tramite scambio ionico.
I ricercatori hanno osservato che la BGA passiva selettivamente sia le vacanze alogeniche che quelle cationiche nei film sottili compositi di perovskite, formando forti legami di tipo Lewis e interazioni intermolecolari, e agendo quindi come agente multifunzionale.
“Questi film di perovskite 2D basati su BGA bloccano efficacemente la migrazione ionica e l’emissione di cationi volatili MA⁺ durante un’illuminazione prolungata in ambiente”, spiegano i ricercatori, aggiungendo che la fase 2D stabile non altera la stechiometria originale della perovskite 3D.
Un’altra innovazione è stata l’utilizzo di solventi non polari e compatibili con l’industria per evitare danni allo strato 3D, ha aggiunto Yaghoobi Nia.
Le celle solari trattate con questo approccio hanno mostrato una conservazione dell’efficienza superiore al 95% dopo 5.000 ore di illuminazione in condizioni MPP e un’elevata resistenza termica: oltre il 91% dell’efficienza mantenuta dopo 5.000 ore a 85 °C. In test sotto esposizione continua ai raggi UV per 1.000 ore, i dispositivi hanno mantenuto oltre il 98% di efficienza.
I moduli realizzati con un’area attiva fino a 48 cm² hanno raggiunto un’efficienza di conversione della potenza del 18,5%, con livelli di stabilità superiori ai requisiti IEC/ISOS per applicazioni commerciali. Le celle di piccola area hanno ottenuto un’efficienza del 23,4%.
“Il nostro metodo di co-cristallizzazione mostra un chiaro miglioramento sia in termini di efficienza che di stabilità rispetto ai risultati finora pubblicati”, osservano i ricercatori. “Questi progressi affrontano direttamente una delle ultime grandi sfide per la commercializzazione delle perovskiti: la stabilità a lungo termine dei moduli in condizioni operative reali”, ha dichiarato Yaghoobi Nia.
Dal punto di vista della produzione, il processo di co-cristallizzazione è stato progettato per essere compatibile con i flussi di lavoro esistenti per la fabbricazione di perovskiti.
“Dal punto di vista del processo, consiste in un singolo passaggio addizionale di deposizione sopra lo strato standard di perovskite 3D”, ha spiegato Yaghoobi Nia, aggiungendo che non richiede sintesi complesse, lavorazioni ad alta temperatura, condizioni di vuoto né attrezzature industriali costose. “Questo riduce notevolmente le barriere per il trasferimento tecnologico alle linee di produzione fotovoltaica esistenti”, ha sottolineato.
Lo strato co-cristallino 2D viene formato tramite deposizione in soluzione da un solvente non polare, seguita da un mite trattamento termico di annealing. “È importante sottolineare che la complessità risiede nella chimica molecolare, non nella tecnologia. L’innovazione è nella progettazione molecolare e nella chimica superficiale, non nei passaggi produttivi aggiuntivi. Questo rende l’approccio altamente interessante per la scalabilità e l’adozione industriale”, ha evidenziato ancora Yaghoobi Nia.
La ricerca è stata condotta da un team composto da Iritaly Trading Company e École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), in collaborazione con l’Università di Roma Tor Vergata, l’Istituto di Struttura della Materia, l’Argonne National Laboratory e la società italiana Greatcell Solar.
I ricercatori hanno descritto la BGA come un composto rivoluzionario per la realizzazione di fasi di perovskite co-cristalline a bassa dimensionalità tramite solventi non polari, portando a dispositivi solari altamente efficienti e stabili.
I risultati sono descritti in dettaglio nell’articolo “Co-crystal engineering of a two-dimensional perovskite phase for perovskite solar modules with improved efficiency and stability”, pubblicato su Nature Energy.
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