Le celle solari in perovskite agli alogenuri di stagno e cesio incorporato offrono un'eccellente efficienza di conversione e un funzionamento stabile sotto illuminazione continua di un sole per oltre 1.500 ore
Nuovo risultato record nel campo dell’energia solare, stavolta grazie alle perovskiti agli alogenuri di stagno. Un gruppo di ricercatori dell’Università del Queensland ha creato una cella in grado di convertire la luce in elettricità con un’efficienza record certificata del 16,65%. Il valore è il più alto mai raggiunto per questo specifico segmento.
Finora, infatti, la maggior parte dei progressi sono stati ottenuti grazie alle perovskiti agli alogenuri metallici contenenti piombo. Tuttavia quest’ultimo materiale, altamente tossico, pone delle serie sfide per la sicurezza ambientale e umana. Sia durante la fase di lavorazione che quelle di smaltimento dei pannelli.
Perovskiti agli alogenuri di stagno, sfide e soluzioni
Lo stagno è apparso fin da subito come un’alternativa decisamente più ecologica ma anche meno efficiente. Il problema? È di natura estremamente tecnica.
Le perovskiti agli alogenuri di stagno offrono bandgap ideali (1,3–1,4 eV) per il fotovoltaico, così come elevata mobilità dei portatori di carica e basse energie di legame degli eccitoni.
Di contro presentano una maggiore reattività che da un lato rende il materiale più incline all’ossidazione e dall’altro porta ad una cristallizzazione più rapida durante la formazione del film di perovskite. Questa fase diventa pertanto più difficile da controllare, determinando un maggior numero di difetti nel film stesso.
Per superare il problema si punta a realizzare eterostrutture bidimensionali/tridimensionali che permettano di regolare il processo di cristallizzazione. Questa strategia implica la creazione di film sottili in cui coesistono regioni di perovskite con strutture cristalline 3D (la forma classica) e altre con una struttura 2D (strati sottili di perovskite separati da grandi cationi organici). Con quest’ultima in grado di aiutare a ridurre il numero di difetti nel film 3D.
L’approccio nel tempo ha permesso di raggiungere un’efficienza del 15% ma non è esente da problemi. Le regioni 2D e 3D hanno, infatti, velocità di formazione diverse e nei film fotovoltaici tendono a separarsi invece di formare un’interfaccia ben integrata.
Lo studio australiano
A questo livello si inserisce il nuovo studio australiano. Il team guidato dal professor Lianzhou Wang dell’Università del Queensland è riuscito migliorare la ricetta, arrivando ad un’efficienza di conversione del 17,13% (certificata al 16,65%).
“Potrebbe non sembrare molto, ma si tratta di un passo da gigante in un campo rinomato per i progressi delicati e graduali”, ha affermato il professor Wang. “Il valore è in linea con quello di molte celle solari al silicio attualmente presenti sul mercato, ma potenzialmente più economiche e rapide da realizzare”.
Gli scienziati hanno ottenuto il nuovo record mondiale incorporando ioni di cesio in sostituzione di una parte dei grandi cationi organici negli strati di perovskite 2D. Con l’obiettivo di migliorare la microstruttura e ridurre i difetti nella pellicola.
“Questo ci ha permesso di raggiungere un livello record di efficienza, pur avendo un prodotto in grado di superare rigorosi controlli ambientali”, ha aggiunto il dott. Peng Chen.
Inoltre le celle solari a base di perovskiti agli alogenuri di stagno e cesio hanno mostrato un funzionamento stabile sotto illuminazione continua di un sole per oltre 1.500 ore senza incapsulamento. “Sono convinto che la formula che abbiamo ottenuto, non potrà che migliorare”.
