Nuovo record di efficienza per il fotovoltaico tandem perovskite-organico: uno studio cinese tocca il 28,04% superando il primato del 2022
I progressi del fotovoltaico tandem perovskite-organico
È possibile rendere le celle solari ancora più leggere e flessibili senza perdere in efficienza? A questa domanda ha tentato di rispondere uno studio dell’Accademia cinese della scienza alle prese con il fotovoltaico tandem perovskite-organico.
Il ricercatore Ruihan Wu assieme a un nutrito gruppo di colleghi ha approcciato il mondo del solare multigiunzione scegliendo un’accoppiata particolare e decisamente sfidante: uno strato di perovskiti accoppiato a uno strato di materiali organici, ricetta che dovrebbe garantire moduli sottoli e flessibili. E grazie all’innovazione portata dal team anche ad elevata efficienza.
Ma per capire il valore della ricerca è necessario fare qualche passo indietro.
L’accoppiata perovskite-materiali orgnaici
Le perovskiti costituiscono a tutti gli effetti l’ultima frontiera del fotovoltaico, in termini di materiali utilizzati. La configurazione a singola giunzione – la più semplice – ha una presenza ancora inesistente sul mercato ma gli studi stanno già accelerando sulla giunzione multipla.
Celle solari a doppia o tripla giunzione sono oramai il chiodo fisso della ricerca solare che sta testando questa classe di semiconduttori in accoppiata con il silicio, con il CIGS o con altra perovskite. Uno dei problemi principali in ognuno di questi approcci è riuscire a rendere la perovskite in grado di resistere ad una serie di stress ambientali come ossigeno, cicli termici e umidità. Problemi spesso simili a quelli che interessano il fotovoltaico organico, decisamente sensibile a ossigeno, calore e UV e meno performante rispetto ai semiconduttori inorganici. Va da sé che accoppiare queste due classi di materiali rappresenta una sfida non da poco.
Beninteso: si tratta di una sfida già intrapresa dal momento che l’ultimo risultato del settore segnalato nella Best Research-Cell Efficiency Chart del NREL statunitense, riporta per questo particolare mix una capacità di conversione del 23,4% raggiunta nel 2022 dal NUS/SERIS.
Il nuovo record mondiale: 28,04%
Ruihan Wu e colleghi non solo hanno deciso di percorrere questa stessa strada ma sono riusciti a segnare il nuovo record mondiale per l’efficienza del fotovoltaico tandem perovskite-organico. Un 28,04% che annulla qualsiasi altro progresso nel segmento.
L’unità realizzata dal team è composta da una sottocella superiore in perovskiti ad alogenuri misti con elevato contenuto di bromo e a banda proibita ampia (WBG), in grado di assorbire la luce visibile ad alta energia (blu/verde). Questa sottocella è accoppiata ad una sottocella inferiore organica che assorbe la luce a bassa energia (rosso/infrarosso). I due materiali lavorano in sinergia: lo strato superiore cattura i raggi ultravioletti dannosi che potrebbero danneggiare lo strato organico, mentre quest’ultimo è dotato di una resistenza all’acqua che protegge la perovskite.
“Questo design permette agli scienziati di ‘sintonizzare’ il materiale, regolando essenzialmente i colori specifici della luce che assorbe”, ha affermato Meng Lei, professore presso l’Istituto di Chimica dell’Accademia Cinese delle Scienze e tra gli autori dello studio.
Il nuovo additivo TDB
Il problema di queste celle ibride si trova però nella fabbricazione. Durante la creazione del film precursore, il bromo tende a precipitare troppo velocemente rispetto allo iodio, creando una miscela non uniforme. Di conseguenza, quando la cella viene colpita dalla luce, gli ioni di iodio e bromo tendono a separarsi creando una sorta di trappole per le cariche elettriche.
Per risolvere questo problema, il team di Meng ha creato una molecola additiva intelligente e fototrasformabile chiamata TDB.
Il TDB agisce come stabilizzatore a due stadi. Durante la produzione, regola la dinamica di cristallizzazione e promuove una miscelazione omogenea degli alogenuri durante la formazione del film. Successivamente, una volta che la cella solare è esposta alla luce solare, la luce innesca la trasformazione delle molecole di TDB ai confini microscopici del materiale. La nuova molecola si “attacca” con molta più forza ai bordi dei grani della perovskite, sigillando i difetti dello iodio, impedendo agli ioni di migrare e dunque alle cariche elettriche di rimanere intrappolate.
Leggi l’articolo Perovskite–organic tandem solar cells with a photo-transformable stabilizer pubblicato su https://www.nature.com/articles/s41586-026-10869-x
