Passi avanti per il fotovoltaico in trisolfuro di antimonio
La nuova generazione del fotovoltaico a film sottile potrebbe fare a meno dei materiali più conosciuti come il CdTe o il silicio amorfo per puntare a un composto più economico e usato storicamente come colorante. Parliamo del trisolfuro di antimonio (Sb₂S₃), semiconduttore ad ampio bandgap (circa 1,7 eV) con eccezionali proprietà optoelettroniche, abbondante e atossico. Peccato che, nonostante le ottime proprietà sulla carta, nella pratica il fotovoltaico in trisolfuro di antimonio “arranchi”.
La sua efficienza di conversione, infatti, è ancora estremamente bassa: circa il 6-7%, valori che ne rendono impossibile l’arrivo sul mercato fotovoltaico.
A dare una mano al composto è oggi una nuova ricerca guidata dai professori Wang Mingtai e Chen Chong degli Istituti di Scienze Fisiche di Hefei dell’Accademia Cinese delle Scienze. Il team ha sviluppato una cella solare a film sottile in (Sb₂S₃) con un’efficienza di conversione record: un 8,21% che segna il valore più alto mai raggiunto con questo materiale fotovoltaico.
Ma per capire quali sono le difficoltà superate e quelle da superare, occorre fare un passo indietro.
Celle solari in trisolfuro di antimonio, come funzionano?
Il trisolfuro di antimonio ha iniziato a destare parecchio interesse nelle applicazioni fotovoltaiche grazie al suo alto coefficiente di assorbimento della luce visibile, che permette di utilizzare quantità minime di materiale, e un bandgap ottimale per assorbire quasi tutta la luce visibile e una piccola parte dell’infrarosso vicino, rendendolo ideale sia in unità a singola giunzione che in tandem con altri semiconduttori.
Questo composto è anche stato studiato come strato in dispositivi più complessi, ad esempio come il Back Surface Field (Campo di Superficie Posteriore) nelle celle in CIGS.
Il problema principale? Fino a ieri l’efficienza di conversione massima segnalata era di appena il 7,69%. Questo perché l’(Sb₂S₃) soffre di gravi perdite di ricombinazione indotte dall’interfaccia, derivanti da un disallineamento dei livelli energetici e da difetti intrinseci.
Il nuovo approccio alla passivazione dei difetti
Per superare queste sfide, i ricercatori cinesi hanno proposto un approccio di passivazione dei difetti a piena dimensione, vale a dire sia quelli puntuali come atomi mancanti o fuori posizione, sia quelli lineari, superficiali o volumetrici. La strategia messa in campo si affida alla permeazione dello ioduro di fenetilammonio degradabile (PEAI) in film amorfi di (Sb₂S₃).
Si legge nell’articolo pubblicato su Advanced Energy Materials:
“Il pretrattamento PEAI di film amorfi di (Sb₂S₃) consente la cristallizzazione orientata a [hk1], la passivazione dei difetti a dimensione intera (massa e interfacce) e la ricostruzione del livello energetico a doppia interfaccia tramite legame Cd-I e Sb-I. Il PEAI riduce l’energia superficiale del Solfuro di Cadmio (CdS) e si adsorbe preferenzialmente sui piani Sb₂S₃, promuovendo l’orientamento [hk1] e migliorando il trasporto dei portatori”.
Detto in altre parole, il PEAI guida la crescita dei cristalli del trisolfuro di antimonio e si lega ai siti vacanti o ai legami insaturi, neutralizzando i difetti. Non solo. Stabilisce nuovi legami chimici in entrambe le interfacce (Cd-I e Sb-I), creando una sorta di “cucitura” molecolare che migliora i livelli energetici e di conseguenza il trasporto dei portatori di carica.
Il risultato? I ricercatori sono riusciti a fabbricare una cella solare a eterogiunzione in Sb₂S₃ con un’efficienza di conversione dell’8,21%, la più alta finora registrata.
“Questo lavoro stabilisce un paradigma a quadrupla integrazione (passivazione dei difetti, controllo dell’orientamento, ottimizzazione dei livelli energetici e progettazione dell’architettura), fornendo una roadmap universale per il fotovoltaico sostenibile ad alta efficienza”.
Lo studio Full‐Dimensional Penetration Strategy with Degradable PEAI Enables 8.21% Efficiency in Bulk Heterojunction Sb2S3 Solar Cells appare su Advanced Energy Materials.