L'ingegneria additiva migliora la cristallizzazione nei film di perovskite permettendo ai dispositivi fotovoltaici a doppia giunzione di raggiungere efficienze certificate del 30,3% (rigidi) e del 28,0% (flessibili)
Le celle solari tandem interamente a base di perovskite raggiungono un nuovo traguardo. Grazie agli sforzi dell’Istituto di Tecnologia e Ingegneria dei Materiali di Ningbo (NIMTE) dell’Accademia Cinese delle Scienze, la tecnologia ha portato la sua efficienza di conversione oltre il 30% in una configurazione monolitica a due terminali. Un risultato notevole se si pensa alla storia relativamente breve che questa classe di semiconduttori ha in campo fotovoltaico.
Oltre il silicio: i vantaggi delle celle tandem “all-perovskite”
Beninteso: sono anni che si sta sperimentando la perovskite nei dispositivi fotovoltaici multigiunzione. In accoppiata con il silicio è stato possibile raggiungere prestazioni notevoli, ben oltre le possibilità della giunzione singola (e del cosiddetto limite di Shockley-Queisser). Il record di segmento appartiene al momento a LONGi che, con una cella campione da 1,0028 cm² in perovskite/Si, è riuscito a toccare un’efficienza del 35% con un fill factor dell’84,3%.
Un risultato possibile anche per una delle grandi qualità delle perovskite sintetiche: possono essere facilmente sintonizzate sulle lunghezze d’onda di interesse. Nell’accoppiata con il silicio, ciò permette di catturare i fotoni ad alta energia che il silicio stesso non è in grado di assorbire, sfruttando una porzione molto più ampia della luce solare. Ma perché allora non provare a realizzare celle solari tandem in sola perovskite, e rimuovere definitivamente il silicio e tutti i suoi problemi (a cominciare dall’elevata intensità energetica nella produzione)?
Peccato che anche le perovskiti si portino dietro diverse sfide. Il fotovoltaico tandem “all-perovskite” è limitato dalla cristallizzazione asincrona nei film di perovskite, in cui diverse parti del sistema cristallizzano in momenti diversi. Ciò comporta disomogeneità compositive e strutturali, che riducono l’efficienza e la stabilità del dispositivo.
L’ingegneria additiva per la sincronizzazione dei cristalli
Il team di ricerca del NIMTE potrebbe però aver trovato la soluzione. Il gruppo guidato dal Prof. Ge Ziyi e dal Prof. Liu Chang ha sviluppato una strategia basata sulla durezza chimica per controllare la crescita dei cristalli di perovskite. Nel dettaglio i ricercatori hanno sviluppato una strategia di progettazione degli additivi basata sulla teoria degli acidi e delle basi duri e molli (HSAB). E hanno identificato il difluoro(ossalato)borato (DFOB⁻) per le perovskiti a banda proibita ampia e il tetrafluoroborato (BF₄⁻) per le perovskiti a banda proibita stretta come additivi efficaci. Questi composti si coordinano selettivamente con le specie precursori per sincronizzare la nucleazione e la crescita dei cristalli, migliorando l’uniformità del film.
Il risultato? I tandem monolitici a due terminali in sola perovskite hanno mostrato un’efficienza del 30,3% (dato certificato) con una tensione a circuito aperto migliorata (2,16 V) e un fattore di riempimento (85,2%), mantenendo un’efficienza del 92% dopo 1.000 ore di tracciamento del punto di massima potenza. I tandem flessibili raggiungono un’efficienza del 28,2% (certificata, 28,0%).
Leggi l’articolo Chemical hardness engineering synchronizes crystallization in perovskite tandems pubblicato su Nature Nanotechnology.
