Un team di ricerca del produttore cinese di moduli JA Solar ha realizzato una cella solare in perovskite invertita basata su un sale organico multifunzionale di ammonio che, secondo quanto riferito, riduce la ricombinazione non radiattiva e migliora il trasporto dei portatori all’interfaccia tra l’assorbitore in perovskite e lo strato di trasporto degli elettroni (ETL).
“Il nostro approccio consente la passivazione in due punti dei vuoti di ioduro di piombo (Pb/I), riducendo al minimo l’ostacolo sterico e aumentando così l’efficienza dell’estrazione dei portatori”, ha dichiarato a pv magazine l’autore corrispondente della ricerca, Sun Yang.
Le celle in perovskite invertita hanno una struttura nota come “p-i-n”, in cui il contatto selettivo per i fori p si trova nella parte inferiore dello strato intrinseco di perovskite i, con lo strato di trasporto degli elettroni n nella parte superiore. Le celle convenzionali in perovskite alogenuro hanno la stessa struttura, ma invertita: una disposizione “n-i-p”. Nell’architettura n-i-p, la cella solare è illuminata attraverso il lato dello strato di trasporto degli elettroni (ETL); nella struttura p-i-n, è illuminata attraverso la superficie dello strato di trasporto dei fori (HTL).
Per questo tipo di cella, il buckminsterfullerene ottimizzato (C60) è attualmente il materiale più performante utilizzato per l’ETL, anche se soffre di una significativa aggregazione in soluzione e deve essere calibrato quando viene combinato con il film di perovskite. “Come è noto, l’interfaccia perovskite/C60 è afflitta da una sostanziale ricombinazione non radiattiva, che provoca significative perdite di energia che limitano notevolmente l’efficienza e la durata delle celle”, ha affermato il gruppo di ricerca.
Immagine: JA Solar
A tal fine, gli scienziati hanno utilizzato un sale di ammonio organico multifunzionale noto come 2-(4-(aminometil)fenil)etil-1-ammonio ioduro, o PMEAI, come strato di passivazione per migliorare l’ingegneria dell’interfaccia tra perovskite e C60.
Il team ha costruito la cella con un substrato in ossido di stagno con doping al fluoro (FTO), uno strato di trasporto dei fori (HTL) realizzato con un monostrato autoassemblato noto come 4PADCB, un assorbitore di perovskite, lo strato di passivazione PMEAI, l’ETL C60, uno strato tampone di batocuproina (BCP) e un contatto metallico in argento (Ag).
Testato in condizioni di illuminazione standard, il dispositivo ha raggiunto un’efficienza di conversione energetica del 26,7%, una tensione a circuito aperto di 1,181 V, una densità di corrente di cortocircuito di 26,36 mA/cm2 e un fattore di riempimento dell’85,8%. Al contrario, i dispositivi di controllo costruiti con altri tipi di strati di passivazione hanno raggiunto un’efficienza inferiore del 24,3%, una tensione a circuito aperto di 1,156 V, una densità di corrente di cortocircuito di 26,05 mA/cm2 e un fattore di riempimento dell’80,4%.
La cella basata su PMEAI ha anche raggiunto un’efficienza certificata del 25,84%, con il risultato certificato dal Centro nazionale cinese di metrologia e collaudo dell’industria fotovoltaica (NPVM). Il dispositivo ha anche raggiunto un’efficienza del 24,5% quando è stato scalato a un’area attiva di 1 cm2.
Attraverso ulteriori analisi, gli scienziati hanno scoperto che il PMEAI allineato orizzontalmente sopprimeva sia i difetti di vacanza Pb che I e induceva un’inversione del campo elettrico incorporato all’interfaccia perovskite/C60, riducendo al minimo le perdite di ricombinazione interfacciale.
“Il campo elettrico interfacciale, invertito dal PMEAI per puntare dal C60 verso la perovskite, accelera significativamente l’estrazione di elettroni e sopprime la ricombinazione, superando così i limiti convenzionali imposti dagli strati di passivazione sia sulla densità di corrente che sul fattore di riempimento”, ha affermato Yang.
È stato inoltre riscontrato che la cella manteneva il 97% della sua efficienza iniziale dopo 1.500 ore a 65 °C.
Il dispositivo è stato descritto nell’articolo “Interface Molecular Orientation Engineering Induced Field Reversal for Efficient Inverted Perovskite Solar Cells” (Ingegneria dell’orientamento molecolare dell’interfaccia che induce l’inversione di campo per celle solari in perovskite invertite efficienti), pubblicato su Energy & Environmental Science.
“Nel complesso, questo lavoro stabilisce un paradigma per la progettazione di materiali interfacciali che integra sinergicamente basso ostacolo sterico, passivazione dei difetti e degradazione indotta dalla migrazione ionica soppressa per promuovere il fotovoltaico in perovskite ad alte prestazioni”, ha concluso il gruppo di ricerca.
Attraverso ulteriori analisi, gli scienziati hanno scoperto che il PMEAI allineato orizzontalmente sopprimeva sia i difetti di vacanza Pb che I e induceva un’inversione del campo elettrico incorporato all’interfaccia perovskite/C60, riducendo al minimo le perdite di ricombinazione interfacciale.
“Il campo elettrico interfacciale, invertito dal PMEAI per puntare dal C60 verso la perovskite, accelera significativamente l’estrazione di elettroni e sopprime la ricombinazione, superando così i limiti convenzionali imposti dagli strati di passivazione sia sulla densità di corrente che sul fattore di riempimento”, ha affermato Yang.
È stato inoltre riscontrato che la cella manteneva il 97% della sua efficienza iniziale dopo 1.500 ore a 65 °C.
“Nel complesso, questo lavoro stabilisce un paradigma per la progettazione di materiali interfacciali che integra sinergicamente basso ostacolo sterico, passivazione dei difetti e degradazione indotta dalla migrazione ionica soppressa per promuovere il fotovoltaico in perovskite ad alte prestazioni”, ha concluso il gruppo di ricerca.
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