Una semplice soluzione di potassio potrebbe aumentare l'efficienza delle celle solari di prossima generazione, consentendo loro di convertire più luce solare in elettricità.

Un team internazionale di ricercatori guidati dall'Università di Cambridge ha scoperto che l'aggiunta di ioduro di potassio "guariva" i difetti e il movimento degli ioni immobilizzato, che fino ad oggi hanno limitato l'efficienza delle celle solari a perovskite a basso costo. Queste celle solari di nuova generazione potrebbero essere utilizzate come strato per aumentare l'efficienza sopra le celle solari esistenti a base di silicio, o essere trasformati in celle solari autonome o LED colorati. I risultati sono riportati sulla rivista Natura .

Le celle solari nello studio sono basate su perovskiti ad alogenuri metallici, un promettente gruppo di materiali semiconduttori ionici che in pochi anni di sviluppo ora rivaleggiano con le tecnologie fotovoltaiche commerciali a film sottile in termini di efficienza nella conversione della luce solare in elettricità. Le perovskiti sono economiche e facili da produrre a basse temperature, che li rende attraenti per le celle solari e l'illuminazione di prossima generazione.

Nonostante il potenziale delle perovskiti, alcune limitazioni ne hanno ostacolato l'efficienza e la coerenza. Piccoli difetti nella struttura cristallina delle perovskiti, chiamate trappole, può far sì che gli elettroni rimangano "bloccati" prima che la loro energia possa essere sfruttata. Più è facile che gli elettroni possano muoversi in un materiale di celle solari, più efficiente sarà il materiale nel convertire i fotoni, particelle di luce, in elettricità. Un altro problema è che gli ioni possono muoversi nella cella solare quando illuminata, che può causare un cambiamento nel bandgap - il colore della luce che il materiale assorbe.

"Finora, non siamo stati in grado di rendere questi materiali stabili con il bandgap di cui abbiamo bisogno, quindi abbiamo cercato di immobilizzare il movimento degli ioni modificando la composizione chimica degli strati di perovskite, " ha affermato il dottor Sam Stranks del Cavendish Laboratory di Cambridge, che ha condotto la ricerca. "Ciò consentirebbe di utilizzare le perovskiti come celle solari versatili o come LED colorati, che sono essenzialmente celle solari che funzionano al contrario."

Nello studio, i ricercatori hanno alterato la composizione chimica degli strati di perovskite aggiungendo ioduro di potassio agli inchiostri di perovskite, che poi si autoassemblano in film sottili. La tecnica è compatibile con i processi roll-to-roll, il che significa che è scalabile e poco costoso. Lo ioduro di potassio ha formato uno strato "decorativo" sopra la perovskite che ha avuto l'effetto di "guarire" le trappole in modo che gli elettroni potessero muoversi più liberamente, oltre a immobilizzare il movimento degli ioni, che rende il materiale più stabile al bandgap desiderato.

I ricercatori hanno dimostrato prestazioni promettenti con i bandgap di perovskite ideali per la stratificazione sopra una cella solare di silicio o con un altro strato di perovskite, le cosiddette celle solari tandem. Le celle solari tandem al silicio sono la più probabile prima applicazione diffusa delle perovskiti. Aggiungendo uno strato di perovskite, la luce può essere raccolta in modo più efficiente da una gamma più ampia dello spettro solare.

"Il potassio stabilizza i bandgap di perovskite che vogliamo per le celle solari tandem e le rende più luminescenti, il che significa celle solari più efficienti, " disse Stranks, la cui ricerca è finanziata dall'Unione Europea e dal Programma Horizon 2020 del Consiglio Europeo della Ricerca. "Gestisce quasi interamente gli ioni e i difetti delle perovskiti".

"Abbiamo scoperto che le perovskiti sono molto tolleranti agli additivi:puoi aggiungere nuovi componenti e avranno prestazioni migliori, " ha detto il primo autore Mojtaba Abdi-Jalebi, un dottorando presso il Cavendish Laboratory, finanziato da Nava Technology Limited. "A differenza di altre tecnologie fotovoltaiche, non è necessario aggiungere un livello aggiuntivo per migliorare le prestazioni, l'additivo viene semplicemente mescolato con l'inchiostro perovskite."

I dispositivi perovskite e potassio hanno mostrato una buona stabilità nei test, ed erano efficienti del 21,5% nel convertire la luce in elettricità, che è simile alle migliori celle solari a base di perovskite e non molto al di sotto del limite di efficienza pratica delle celle solari a base di silicio, che è (29%). Le celle tandem costituite da due strati di perovskite con bandgap ideali hanno un limite di efficienza teorica del 45% e un limite pratico del 35%, entrambi superiori agli attuali limiti di efficienza pratica per il silicio. "Ottieni più potere per i tuoi soldi, "disse Strani.