Sviluppata una cella solare tandem perovskite-silicio trasparente con efficienza del 30,2%

I ricercatori dell’Indian Institute of Technology Bombay hanno spiegato che la nuova cella a quattro terminali (4T) è basata su un uno strato di trasporto di lacune (HTL) capace di ridurre la ricombinazione interfacciale, aumentando al contempo il rendimento quantico della fotoluminescenza e la separazione del livello quasi-Fermi.

“La cella presenta anche una funzione di lavoro regolabile in modo dinamico, che consente un accoppiamento efficace con assorbitori perovskitici a diverso bandgap”, ha dichiarato a pv magazine l’autore corrispondente, Dinesh Kabra. “Attraverso tre diverse composizioni di perovskite, il dispositivo mostra un netto miglioramento della tensione a circuito aperto e del fattore di riempimento, indipendentemente dal bandgap. Implementato in celle solari perovskitiche trasparenti con configurazione n-i-p, questo HTL universale aumenta l’efficienza e la stabilità operativa, consentendo di raggiungere un’efficienza combinata del 30,2% quando è otticamente accoppiato in tandem 4T con celle commerciali al silicio n-TOPCon”.

“La nostra strategia elimina la necessità di un’ingegnerizzazione specifica dell’HTL in base al bandgap, riducendo così la segregazione degli alogenuri, che rappresenta una delle principali limitazioni delle perovskiti a bandgap ampio nei sistemi tandem», ha aggiunto Kabra. «Separare la compatibilità dello strato di trasporto dalla composizione dell’assorbitore permette di selezionare le formulazioni di perovskite in base alla stabilità intrinseca e alla qualità optoelettronica, piuttosto che ai vincoli d’interfaccia. In questo modo, è possibile ottimizzare l’assorbitore indipendentemente dallo strato di selezione delle cariche: l’HTL universale ridefinisce i principi di progettazione dei dispositivi tandem e fornisce una via scalabile verso fotovoltaici perovskite-silicio commercialmente validi, stabili e altamente efficienti”.

Nello studio “Bandgap-tunable transparent perovskite solar cells for 4T Si/perovskite tandem photovoltaics with PCE > 30% via rational interface management”, pubblicato dalla Royal Society of Chemistry, gli scienziati spiegano che la cella è stata realizzata con un HTL in spiro-OMeTAD modulato con ioni. Normalmente, lo spiro-OMeTAD destinato alle celle perovskitiche viene drogato con lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) per migliorare l’estrazione delle lacune e la conduttività. Tuttavia, questo processo richiede una lunga ossidazione all’aria, fino a 24 ore, rappresentando un ostacolo per la produzione commerciale di celle perovskitiche.

L’HTL in spiro-MeOTAD drogato con radicali e modulato con ioni può invece ottenere un’ottimale regolazione della funzione di lavoro grazie al sale 4-tert-butil-1-metilpiridinio bis(trifluorometansulfonil)imide (TBMPTFSI), garantendo al contempo maggiore stabilità. A differenza delle tecniche di ingegnerizzazione molecolare per la regolazione dei livelli energetici, questo approccio offre un metodo più semplice e controllabile per allineare i livelli di energia e ridurre i difetti interfacciali.

Il dispositivo tandem è stato costruito con una cella superiore in perovskite realizzata con un substrato di vetro, uno strato di trasporto di elettroni (ETL) realizzato su ossido di stagno ( SnO ₂ ), un assorbitore in perovskite, lo strato di trasporto di buche spiro-MeOTAD (HTL), uno strato di ossido di indio e zinco (IZO) che funge da elettrodo trasparente superiore (TE) e griglie metalliche in argento (Ag).

Secondo i ricercatori, l’ottimizzazione della concentrazione di TBMPTFSI tra il 15% e il 20%, unita a una regolazione accurata delle velocità di spin-coating dell’HTL, ha portato a significativi miglioramenti in termini di efficienza, tensione a circuito aperto e fattore di riempimento per ciascuna composizione perovskitica. L’integrazione dello strato di trasporto di lacune Ion‑Spiro ha aumentato in modo sostanziale la vita utile dei portatori e ridotto le costanti di ricombinazione di Shockley‑Read‑Hall rispetto all’HTL convenzionale, indicando una minore densità di difetti interfacciali. La caratterizzazione ottica ha confermato variazioni minime nei bordi di banda delle perovskiti, mentre le misurazioni della resa quantica di fotoluminescenza (PLQY) hanno ulteriormente confermato la ridotta densità di difetti nei dispositivi Ion‑Spiro.

I ricercatori hanno integrato le perovskiti in configurazioni tandem a quattro terminali (4T) impilate meccanicamente con celle solari al silicio n‑TOPCon, ottenendo un’efficienza complessiva del 28,4‑30,2%. Le misurazioni dell’efficienza quantica esterna (EQE), della trasmittanza e della corrente di corto circuito integrata (JSC) hanno confermato i risultati delle analisi J‑V e ottiche, validando i miglioramenti prestazionali forniti dall’HTL modulato con ioni. Infine, i test di stabilità condotti in condizioni di calore, illuminazione continua e tracciamento del punto di massima potenza hanno mostrato che i dispositivi dotati di HTL Ion‑Spiro presentano una robustezza leggermente superiore, coerente con la minore densità di difetti interfacciali.

“In particolare, l’introduzione di spiro‑MeOTAD modulato con ioni e dotato di una funzione di lavoro ottimizzata ha migliorato in modo significativo la tolleranza ai difetti superficiali, influenzando positivamente la dinamica dei portatori e portando a un aumento della tensione a circuito aperto del 2‑5% e del fattore di riempimento del 6‑7%”, ha affermato Kabra. “Questi risultati evidenziano il ruolo essenziale della passivazione dei difetti interfacciali tramite spiro‑MeOTAD modulato con ioni nel conseguimento di celle solari a perovskite stabili e ad alta efficienza per applicazioni tandem, aprendo la strada a tecnologie fotovoltaiche di nuova generazione”.

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