Realizzata una cella solare tandem perovskite-perovskite-silicio da 16 centimetri quadrati con un'efficienza di conversione del 23,3%
Fotovoltaico a tripla giunzione in perovskite, gli ultimi progressi
Nuovo record mondiale per l’energia solare. Un nutrito gruppo di scienziati, provenienti da Australia, Cina, Slovenia e Germania, ha realizzato un dispositivo fotovoltaico a tripla giunzione con un’efficienza di conversione degna del Guinness dei primati. Una piccola unità da 1 cm2 in grado di trasformare il 27,06% della luce incidente in elettricità.
L’elemento più interessante di questo lavoro? Si tratta di una cella solare tandem perovskite-perovskite-silicio che ha mostrato sia un’ottima stabilità durante i test termici sia una buona scalabilità. Una volta portata l’area attiva a 16 cm2, infatti, l’efficienza si è mantenuta sopra il 23%, il valore più alto mai raggiunto da questa tecnologia su tali dimensioni.
“Si tratta del più grande dispositivo a tripla giunzione a base perovskite mai dimostrato ed è stato rigorosamente testato e certificato da laboratori indipendenti”, ha affermato la professoressa Anita Ho-Baillie dell’Università di Sydney, alla guida del team. “Questo ci dà ulteriore fiducia nel fatto che la tecnologia possa essere adattata all’uso pratico“.
Le potenzialità del fotovoltaico multigiunzione
Il fotovoltaico multi-giunzione rappresenta lo strumento più promettente per superare il tradizionale limite di Shockley-Queisser. Tale limite, ricordiamo, fissa al 33,7% la porzione massima di luce che una “ideale” cella solare a singola giunzione può trasformare in elettricità.
Le celle fotovoltaiche tandem a due o più giunzioni aggirano l’ostacolo impilando uno sopra l’altro materiali semiconduttori con bandgap differenti, e in grado quindi di convertire diverse sezioni dello spettro solare. L’approccio permette di elevare il limite teorico dell’efficienza a circa il 45% per le celle a doppia giunzione e a circa il 51% per quelle a tripla giunzione.
Le perovskiti ad alogenuri metallici hanno fatto ormai da tempo il loro debutto in questi sandwich di materiali. Merito di una innata facilità di fabbricazione, che favorisce a sua volta l’integrazione monolitica, e della possibilità di sintonizzare il bandgap a piacimento.
Il mondo della ricerca ha così dato i natali, in successione, alla prima cella perovskite-perovskite-Silicio nel 2018 (efficienza al 14,0%) e alla prima unità a tripla giunzione interamente in perovskite nel 2019 (efficienza al 6,7%). Negli anni a venire è stata migliorata sia la conversione che la stabilità, passata da pochi minuti a centinaia di ore.
I nodi di questa tecnologia sono purtroppo la scalabilità e la resistenza agli stress ambientali. È esattamente a questo livello che si inserisce il lavoro condotto da Ho-Baillie e colleghi.
Ridisegnare il design delle celle solari in perovskite
Il gruppo si è focalizzato sui difetti superficiali nella giunzione perovskite superiore, riprogettando la chimica del materiale e il design stesso della cella. Nel dettaglio gli scienziati hanno sostituito il metilammonio, comunemente utilizzato nelle celle a perovskite ad alta efficienza ma poco stabile, con il rubidio, creando un reticolo di perovskite a banda larga meno soggetto a difetti e degradazione.
Per risolvere i difetti superficiali nella giunzione perovskite superiore, hanno impiegato invece un trattamento superficiale con cloruro di piperazina-1,4-diio, in sostituzione del fluoruro di litio (anch’esso poco stabile). Infine per interfacciare le giunzioni perovskitiche superiore e centrale, il team ha usato nanoparticelle d’oro depositate su ossido di stagno.
Il risultato? Il dispositivo fotovoltaico a tripla giunzione ha raggiunto un’efficienza del 27,06% su un’area attiva di 1 cm2, superando per la prima volta a livello mondiale il test di ciclizzazione termica della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC), che espone i prototipi a 200 cicli di sbalzi di temperatura estremi tra -40 e 85 gradi. Questa unità ha mantenuto il 95% della sua efficienza dopo 407 ore di funzionamento continuo alla luce.
Una volta scalata l’area attiva a 16 cm2, il prototipo ha mostrato un’efficienza di conversione – certificata in modo indipendente – del 23,3%.
“Abbiamo migliorato sia le prestazioni che la resilienza di queste celle solari”, ha affermato la professoressa. “Questo non solo dimostra che è possibile realizzare dispositivi in perovskite di grandi dimensioni e stabili, ma evidenzia anche l’enorme potenziale per ulteriori miglioramenti in termini di efficienza“.
Leggi l’articolo “Tailoring nanoscale interfaces for perovskite–perovskite–silicon triple-junction solar cells” pubblicato su Nature Nanotechnology (2025).
