Uno studio mostra come la passivazione della perovskite modifichi il trasporto di carica in profondità, collegando microstruttura interna, efficienza e stabilità delle celle solari.
Lo studio sulle immagini 3D della perovskite
Un nuovo studio scientifico pubblicato sulla rivista Newton introduce una tecnica avanzata di imaging tridimensionale per osservare il comportamento elettrico interno dei film di perovskite utilizzati nelle celle solari, mostrando come il processo di passivazione ne aumenti sensibilmente l’efficienza.
La ricerca è stata condotta da un gruppo di studiosi del Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS) e utilizza la microscopia tomografica a forza atomica conduttiva per ricostruire, con risoluzione nanometrica, la distribuzione della corrente lungo tutto lo spessore del materiale.
L’obiettivo dello studio è comprendere in modo diretto come i diversi trattamenti di passivazione agiscano sui difetti interni della perovskite e in che modo questi influenzino il trasporto di carica, l’efficienza e la stabilità delle celle solari. I risultati permettono di superare i limiti delle tecniche di caratterizzazione tradizionali, spesso limitate alla superficie o a misure medie, fornendo una visione tridimensionale completa della struttura elettrica del film e collegando le caratteristiche microscopiche alle prestazioni finali dei dispositivi fotovoltaici.
Perché i difetti interni penalizzano le celle solari in perovskite
Le celle solari in perovskite sono realizzate a partire da film policristallini, nei quali la rapida cristallizzazione favorisce la formazione di difetti strutturali. Lo studio mostra che, in assenza di trattamenti, queste imperfezioni si traducono in regioni a bassa conduttività elettrica che possono occupare una quota significativa del volume attivo.
Le mappe tridimensionali rivelano che, nei campioni non passivati, le regioni ad alta resistenza arrivano a rappresentare oltre il 15% del film a metà dello spessore, con un’estensione che può superare i 400 nanometri in profondità.
Queste zone interrompono la continuità dei percorsi di carica, rallentano la diffusione dei portatori e aumentano le perdite per ricombinazione non radiativa. L’effetto è una riduzione della tensione a circuito aperto e del fattore di riempimento, due parametri chiave per l’efficienza complessiva delle celle solari.
L’analisi tridimensionale evidenzia inoltre che la distribuzione dei difetti è molto più complessa di quanto suggerito dalle sole misure superficiali, confermando che la qualità elettrica del film dipende dall’intero volume e non solo dall’interfaccia superiore.
Come la passivazione della perovskite in massa modifica il trasporto di carica
La passivazione della perovskite in massa interviene direttamente durante la formazione del film, introducendo additivi chimici nella soluzione precursore. Le immagini tomografiche mostrano che questo approccio riduce in modo marcato la presenza di regioni ad alta resistenza già nelle zone interne del materiale.
A una profondità pari al 50% dello spessore, la frazione di aree resistive scende a circa l’1,3%, contro valori molto più elevati nei campioni non trattati. Parallelamente, la conducibilità lungo i bordi di grano aumenta in modo significativo, con incrementi compresi tra +152% e +265% rispetto all’interno dei grani.
Questo risultato indica che la passivazione in massa non si limita a ridurre i difetti puntuali, ma migliora la continuità dei canali di trasporto di carica lungo la direzione verticale del film. La maggiore uniformità della corrente contribuisce a ridurre le fluttuazioni locali e favorisce una diffusione più efficiente dei portatori, creando le condizioni per un miglioramento complessivo delle prestazioni elettriche delle celle solari.
Gli effetti della passivazione della perovskite superficiale sulle interfacce
La passivazione della perovskite superficiale agisce invece principalmente nelle regioni prossime all’interfaccia superiore del dispositivo. Le misure mostrano inizialmente una riduzione della conduttività in superficie, attribuita alla presenza dello strato passivante, ma già dopo la rimozione di pochi strati nanometrici la corrente aumenta in modo evidente.
Le regioni ad alta resistenza diminuiscono rapidamente con la profondità e risultano quasi assenti oltre il 50% dello spessore del film. Questo comportamento indica che la passivazione superficiale non resta confinata alla superficie, ma penetra lungo i bordi di grano, contribuendo alla riduzione dei difetti anche nelle zone sottostanti.
Dal punto di vista del dispositivo, questo effetto è particolarmente rilevante perché migliora la qualità dell’interfaccia con gli strati di trasporto di carica, riducendo le perdite per ricombinazione e favorendo un aumento della tensione a circuito aperto.
Passivazione della perovskite combinata: efficienza e stabilità ai massimi livelli
I risultati più rilevanti emergono quando la passivazione della perovskite in massa e la passivazione della perovskite superficiale vengono combinate. In questo caso, le mappe tridimensionali mostrano una struttura interna altamente conduttiva, con le residue regioni resistive confinate quasi esclusivamente alla superficie.
I dispositivi realizzati con questa strategia raggiungono un’efficienza di conversione di potenza del 25,1%, rispetto al 23,3% delle celle non passivate. Anche la stabilità beneficia della riduzione dei difetti: dopo 400 ore in condizioni ambientali, le celle con passivazione combinata conservano l’86% dell’efficienza iniziale, contro il 55% dei dispositivi non trattati.
I dati elettrici mostrano inoltre una forte riduzione della velocità di ricombinazione superficiale, da 660 a 230 cm/s, e un calo significativo della densità di trappole, che scende fino a 5,7 × 10¹⁵ cm⁻³. Questi risultati collegano in modo diretto la qualità elettrica tridimensionale del film alle prestazioni e alla durabilità delle celle solari.
