Nelle celle solari perovskite, i portatori di carica vengono principalmente persi attraverso la ricombinazione che si verifica nei siti difettosi dell'interfaccia. In contrasto, la ricombinazione nei siti di difetto all'interno dello strato di perovskite non limita attualmente le prestazioni delle celle solari. I team dell'Università di Potsdam e dell'Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sono stati in grado di raggiungere questa interessante conclusione attraverso misurazioni quantitative estremamente accurate su 1 cm ² cellule di perovskite mediante fotoluminescenza. I loro risultati contribuiscono a migliorare le celle solari perovskite e sono stati ora pubblicati in Energia della natura .

Persino le celle solari realizzate con un materiale miracoloso perfetto non sarebbero mai in grado di convertire il 100% della luce solare in energia elettrica. Questo perché la potenza teorica massima raggiungibile è limitata dalla posizione delle bande di energia degli elettroni, e dall'inevitabile radiazione di fotoni (limite termodinamico o di Shockley-Queisser). La massima efficienza di conversione della potenza per il silicio è di circa il 33%, Per esempio. Ma anche questo valore non sarà mai effettivamente raggiunto. Ciò è dovuto a difetti di varia natura che causano la perdita di alcuni dei portatori di carica rilasciati dalla luce solare. Per avvicinarsi al valore massimo, è quindi necessario indagare sui vari difetti delle celle solari e determinare quali portano a perdite e come.

Gli strati assorbenti di perovskite organometallica sono considerati una nuova classe di materiali particolarmente interessante per le celle solari:in soli 10 anni, la loro efficienza è aumentata dal tre per cento a oltre il venti per cento, una straordinaria storia di successo. Ora un team guidato dal Prof. Dr. Dieter Neher dell'Università di Potsdam e dal Dr. Thomas Unold dell'HZB è riuscito a identificare i processi di perdita decisivi nelle celle solari a perovskite che ne limitano l'efficienza.

A certi difetti nel reticolo cristallino dello strato di perovskite, i portatori di carica (cioè elettroni e "buche") che sono stati appena rilasciati dalla luce solare possono ricombinarsi di nuovo e quindi essere persi. Ma se questi difetti fossero preferibilmente localizzati all'interno dello strato di perovskite, o invece all'interfaccia tra lo strato di perovskite e lo strato di trasporto non era chiaro fino ad ora.

Per determinare questo, gli scienziati hanno impiegato tecniche di fotoluminescenza con alta precisione, risoluzione spaziale e temporale. Usando la luce laser, hanno eccitato lo strato di perovskite di dimensioni di un centimetro quadrato e hanno rilevato dove e quando il materiale emetteva luce in risposta all'eccitazione. "Questo metodo di misurazione nel nostro laboratorio è così preciso, possiamo determinare il numero esatto di fotoni che sono stati emessi, " spiega Unold. E non solo, anche l'energia dei fotoni emessi è stata registrata e analizzata con precisione utilizzando una camera CCD iperspettrale.

"In questo modo, siamo stati in grado di calcolare le perdite in ogni punto della cella e quindi determinare che i difetti più dannosi si trovano alle interfacce tra lo strato assorbitore di perovskite e gli strati di trasporto di carica, " riporta Unold. Questa è un'informazione importante per migliorare ulteriormente le celle solari a perovskite, ad esempio mediante strati intermedi che hanno un effetto positivo o mediante metodi di fabbricazione modificati.

Con l'aiuto di queste scoperte, il gruppo guidato dal Prof. Dr. Dieter Neher e dal Dr. Martin Stolterfoht dell'Università di Potsdam è riuscito a ridurre la ricombinazione interfacciale e quindi ad aumentare l'efficienza di 1 cm ² celle solari in perovskite di dimensioni superiori al 20%.