Progettato un nuovo assorbitore organico a banda stretta che ha potenziato la raccolta dei fotoni nel vicino infrarosso, raggiungendo un'efficienza di conversione record.
Un nuovo risultato degno di nota nel campo della tecnologia fotovoltaica tandem è stato raggiunto. Dopo i progressi ottenuti con le celle solari in sola perovskite, il settore accoglie un nuovo record mondiale: celle solari perovskite-organiche con un’efficienza di conversione del 26,4%. Si tratta del valore più alto mai raggiunto per questa particolare combinazione di semiconduttori su un’area attiva di 1 cm².
A “segnare il punto” è stato un gruppo di ricercatori della National University of Singapore (NUS), intervenendo sull’assorbitore organico.
Celle solari perovskite-organiche
Sulla carta, il fotovoltaico tandem perovskiti-semiconduttori organici appare particolarmente allettante. La sintonizzabilità del bandgap di entrambi i materiali consente lo sviluppo di celle con un’efficienza teorica elevata e un basso costo, eliminando i problemi di approvvigionamento legati oggi al silicio cristallino.
Tuttavia, le efficienze certificate delle celle solari perovskite-organiche riportate in ambito scientifico sono profondamente più basse di quelle a base di perovskite a giunzione singola. Perché? Principalmente a causa dell’insufficiente fotocorrente generata nella sottocella organica. Dato che non esistono efficienti assorbitori organici a film sottile nella porzione del vicino infrarosso, una parte significativa dell’energia solare che colpisce l’unità viene sprecata.
Un nuovo accettore organico asimmetrico
Per superare questa sfida, il Prof. Hou Yi e il suo team hanno sviluppato un accettore organico asimmetrico, il P2EH-1V, caratterizzato da una sequenza di legami singoli e doppi alternati che permette agli elettroni di muoversi liberamente lungo la molecola, facilitando l’assorbimento della luce e il trasporto di carica.
La struttura della molecola consente l’assorbimento in profondità dei fotoni nel vicino infrarosso, mantenendo al contempo una forza sufficiente per un’efficiente separazione di carica. Le analisi spettroscopiche delle celle prototipali hanno confermato che questo design consente un’elevata raccolta di portatori di carica liberi con una minima perdita di energia.
I ricercatori hanno impilato la nuova sottocella organica con una cella superiore in perovskite ad alta efficienza, interfacciando i due strati con un interconnettore basato su ossido conduttore trasparente. Il fotovoltaico tandem così progettato ha raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 27,5% su campioni da 0,05 cm² e del 26,7% su dispositivi da 1 cm², con un risultato del 26,4% certificato in modo indipendente.
Si tratta delle prestazioni più elevate mai certificate fino ad oggi tra celle a perovskite organica, perovskite-CIGS e celle a perovskite a giunzione singola di dimensioni comparabili.
Possibili applicazioni delle celle solari perovskite-organiche
“Con efficienze destinate a superare il 30%, queste pellicole flessibili sono ideali per la produzione roll-to-roll e per la perfetta integrazione su substrati curvi o in tessuto: si pensi ai cerotti sanitari autoalimentati che catturano la luce solare per far funzionare i sensori integrati, o ai tessuti intelligenti che monitorano i dati biometrici senza bisogno di ingombranti batterie“, ha osservato il Prof. Hou.
Nella fase successiva della ricerca, il team della NUS si concentrerà sul miglioramento della stabilità operativa nel mondo reale e sul passaggio alla produzione su linea pilota, passaggi cruciali per immettere sul mercato una tecnologia solare flessibile e ad alte prestazioni.
Il team di ricerca della NUS ha pubblicato il proprio lavoro sulla rivista Nature il 25 giugno 2025.
