La rivoluzione delle celle solari tandem in sola perovskite
Non è solo l’accoppiata con il silicio a rendere le perovskiti interessanti. Nella nuova era del fotovoltaico multigiunzione, anche le celle solari tandem in sola perovskite stanno compiendo passi da gigante. Lo abbiamo visto a fine 2024 con il lavoro condotto dall’Huazhong University of Science and Technology e lo vediamo oggi con lo studio del Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE).
Entrambe le ricerche sono state condotte in Cina, ottenendo sensibili progressi nelle prestazioni. Per la precisione, la ricerca del NIMTE ha segnato un nuovo record in materia di efficienza e stabilità per questo segmento, superando i già ottimi risultati della Huazhong University. Merito di una strategia innovativa che ha affrontato uno dei punti deboli del fotovoltaico tandem in perovskite: la tendenza alla corrosione dello strato di trasporto di lacune.
Ma andiamo con ordine.
Celle solari tandem 100% perovskite
Le celle solari tandem interamente in perovskite sono costituite da due celle impilate una sopra l’altra. Quella superiore, a banda proibita larga (1,7-1,8 eV), cattura fotoni ad alta energia (lunghezze d’onda più corte, come il blu e il verde), lasciando passare quelli a bassa energia; quella inferiore, a banda proibita stretta (1,2-1,3 eV), assorbe i fotoni a bassa energia (infrarossi).
Questo design a “sandwich” ottimizza l’utilizzo dello spettro solare, aumentando significativamente l’efficienza complessiva oltre, teoricamente, il limite di Shockley-Queisser per la giunzione singola.
Per aumentare l’efficienza di conversione e anche la stabilità (uno dei punti deboli delle perovskiti), parte della ricerca si sta focalizzando sullo strato di trasporto delle lacune nella sottocella a banda proibita larga. Per realizzare tale strato in questa cella si usa solitamente l’ossido di nichel (NiOx), a cui si aggiunge un sottile monostrato autoassemblato (SAM – Self-Assembled Monolayers) per migliorare la stabilità complessiva. Ed è qui, a livello dei contatti interfacciali tra NiOx e SAM, che iniziano i problemi.
Non solo l’ossido di nichel (NiOx) è un composto reattivo, ma quando si utilizzano i “comuni” SAM funzionalizzati con acido fosfonico – un acido forte – l’ancoraggio tra i due può portare alla corrosione del NiOx.
La conseguenza? La struttura dello strato di trasporto risulta alterata, così come la sua funzione, riducendo nel tempo la conduttività della cella e accelerandone il degrado.
Nuove ancore per i SAM
Per affrontare il problema, il team cinese ha “semplicemente” cambiato le ancore dei SAM, utilizzando il più blando acido borico al posto dell’acido fosfonico. Il risultato è una forte coordinazione tra -BO2 e Ni e, di conseguenza, un robusto legame interfacciale tra ossido di nichel e monostrato autoassemblante. Con un’energia di legame più elevata rispetto ai contatti interfacciali convenzionali.
“Questa interazione migliorata facilita la distribuzione uniforme del SAM, prevenendo efficacemente l’aggregazione molecolare sulla superficie NiOx”, ha affermato il Professore Ge Ziyi del NIMTE.
Grazie a questo approccio, il team ha realizzato una sottocella a banda proibita larga con un’efficienza di conversione aumentata al 20,1%. Integrata con un’unità inferiore a banda proibita stretta, gli scienziati hanno realizzato un’architettura fotovoltaica tandem in grado di convertire il 28,5% della luce in elettricità, mantenendo il 90% dell’efficienza iniziale dopo 500 ore di illuminazione continua.
Lo studio “Less-acidic boric acid-functionalized self-assembled monolayer for mitigating NiOx corrosion for efficient all-perovskite tandem solar cells” è stato pubblicato su Nature Communications.