Con l'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari al silicio che si attesta intorno al 25%, le perovskiti sono ora nella posizione ideale per diventare la prossima generazione di fotovoltaico sul mercato. In particolare, le perovskiti agli alogenuri di piombo organici-inorganici offrono versatilità di produzione che può potenzialmente tradursi in un'efficienza molto più elevata:gli studi hanno già mostrato prestazioni fotovoltaiche superiori al 20% in diverse architetture di celle solari costruite con processi semplici e a basso costo.

La sfida principale per il campo della perovskite non è tanto l'efficienza quanto la stabilità. A differenza delle celle al silicio, le perovskiti sono materiali cristallini morbidi e soggetti a problemi dovuti alla decomposizione nel tempo. In un contesto commerciale, questo pone le perovskiti a un prezzo più alto rispetto alle celle di silicio convenzionali.

Ci sono stati quindi molti sforzi nel sintetizzare materiali perovskite in grado di mantenere un'elevata efficienza nel tempo. Questo viene fatto introducendo diversi cationi (ioni carichi positivamente) nella struttura cristallina della perovskite. Sebbene sia stato riportato successo mescolando cationi inorganici come cesio o rubidio nella composizione della perovskite, queste soluzioni tendono ad essere difficili e costose da implementare.

Nel frattempo, finora non sono stati trovati cationi organici - e più facili da sintetizzare - che possano migliorare sia l'efficienza che la stabilità. Ora, il laboratorio di Mohammad Khaja Nazeeruddin all'EPFL Valais Wallis, con i colleghi dell'Università di Cordoba, ha scoperto che possono migliorare la stabilità della perovskite introducendo il grande catione organico guanidinio (CH6N3+) nelle perovskiti di ioduro di piombo e metilammonio, che sono oggi tra le alternative più promettenti del gruppo.

Gli scienziati mostrano che il catione guanidinio si inserisce nella struttura cristallina della perovskite e migliora la stabilità termica e ambientale complessiva del materiale, superando quello che è noto nel settore come il "limite del fattore di tolleranza Goldschmidt". Questo è un indicatore della stabilità di un cristallo di perovskite, che descrive quanto sia compatibile un particolare ione con esso. Un fattore di tolleranza Goldschmidt ideale dovrebbe essere inferiore o uguale a 1; il guanidinio è solo 1,03.

Lo studio ha rilevato che l'aggiunta di guanidinio ha migliorato significativamente la stabilità del materiale della perovskite fornendo un'efficienza di conversione di potenza media superiore al 19% (19,2 ± 0,4%) e stabilizzando questa prestazione per 1000 ore sotto illuminazione continua. che è un test di laboratorio standard per misurare l'efficienza dei materiali fotovoltaici. Gli scienziati stimano che ciò corrisponda a 1333 giorni (o 3,7 anni) di utilizzo nel mondo reale - questo si basa su criteri standard utilizzati nel campo.

Il professor Nazeeruddin spiega:"Prendendo un fattore di accelerazione standard di 2 per ogni dieci gradi di aumento della temperatura, un fattore di accelerazione di 8 è stimato per 55 °C rispetto a 25 °C gradi. Quindi le 1000 ore a 55°C equivalenti sarebbero 8000 ore. Le nostre cellule sono state sottoposte a 60°C, quindi i numeri potrebbero essere anche più alti. Supponendo l'equivalente di 6 ore di piena luce solare/giorno, o irraggiamento medio 250Wm-2 (equivalente al Nord Africa) il numero totale di giorni è 1333, equivale a 44,4 mesi e 3,7 anni di stabilità. Però, per l'accreditamento standard delle celle solari sono necessarie anche una serie di prove di stress, tra cui cicli di temperatura e calore umido."

"Questo è un passo fondamentale nel campo della perovskite, " afferma Nazeeruddin. "Offre un nuovo paradigma nella progettazione della perovskite poiché ulteriori esplorazioni oltre il limite del fattore di tolleranza potrebbero prevalere per le miscele cationiche preservando una struttura 3D con una stabilità migliorata attraverso un aumento del numero di legami H all'interno della struttura inorganica - un problema che noi ora sono vicini alla soluzione".