Scienziati del NUST MISIS (Russia) e dell'Università di Roma Tor Vergata hanno scoperto che una quantità microscopica di carburo di titanio bidimensionale chiamato MXene migliora significativamente la raccolta di cariche elettriche in una cella solare a perovskite, aumentando l'efficienza finale oltre il 20%. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in Materiali della natura .

Le celle solari a film sottile di perovskite sono una nuova tecnologia promettente di fonti energetiche alternative che viene attivamente sviluppata in tutto il mondo. Uno dei vantaggi è un processo di produzione semplice ea basso costo:le celle solari in perovskite possono essere stampate da soluzione su speciali stampanti a getto d'inchiostro o slot die senza l'uso di processi ad alta temperatura/vuoto come per le celle al silicio tradizionali. Un altro vantaggio è la possibilità di fabbricazione su substrati plastici flessibili, come il comune polietilene tereftalato (PET). Questa caratteristica consente l'uso del fotovoltaico (PV) in perovskite nell'integrazione degli edifici mediante il montaggio del film sottile su pareti e/o in diversi altri luoghi, come facciate e finestre in vetro curvo.

Essendo una nuova tecnologia fotovoltaica, lo sforzo della ricerca internazionale è quello di trovare la migliore strategia per migliorare l'efficienza e la stabilità delle celle solari a perovskite. L'efficienza delle celle solari in perovskite è già paragonabile agli analoghi del silicio che stanno dominando il mercato (l'efficienza record per una perovskite è del 25,2%, mentre per le celle al silicio è del 26,7%, però, Le celle solari perovskite sono ancora instabili a causa di diversi fattori di degradazione interna. Molti gruppi di ricerca di università e società di ricerca e sviluppo stanno attualmente forzando indagini e studi per risolvere problemi di stabilità e miglioramento dell'efficienza delle celle di perovskite. La maggior parte degli approcci riguarda l'ottimizzazione della composizione chimica della perovskite, stabilizzazione delle interfacce dei dispositivi e incorporazione di nuovi nanomateriali.

Un team internazionale di scienziati di L.A.S.E. (Laboratorio per l'Energia Solare Avanzata), Dipartimento per i nanosistemi funzionali e materiali ad alta temperatura, entrambi situati a NUST MISIS, Russia, e Università di Roma Tor Vergata, guidato dal professor Aldo Di Carlo, ha proposto un approccio originale per progettare celle solari in perovskite con prestazioni migliorate, vale a dire l'uso di composti bidimensionali di carburo di titanio chiamati MXenes per drogare la perovskite.

"Scopriamo che MXenes, grazie alla loro struttura bidimensionale unica, può essere utilizzato per regolare le proprietà superficiali della perovskite consentendo una nuova strategia di ottimizzazione per questa cella solare di terza generazione, "Commenta il professor Di Carlo.

Le celle solari in perovskite a film sottile hanno una struttura a sandwich, dove le cariche si muovono da uno strato all'altro attraverso le interfacce e si raccolgono selettivamente sugli elettrodi. Di conseguenza, l'energia solare viene convertita in corrente elettrica. In parole povere, gli elettroni dovrebbero essere trasportati dal film assorbente agli elettrodi senza perdite che possono essere indotte da barriere energetiche interne, e l'incorporazione di MXene migliora questo processo.

"Per migliorare l'efficienza delle celle solari a perovskite, dobbiamo ottimizzare la struttura del dispositivo e l'interfaccia principale e le proprietà di massa di ogni singolo strato per migliorare il processo di estrazione della carica agli elettrodi, "Danila Saranin, uno degli autori, ricercatore presso L.AS.E. Commenti. "Risolvere questo problema, insieme ai nostri colleghi italiani abbiamo eseguito una serie di esperimenti incorporando una quantità microscopica di MXene nella cella solare perovskite. Di conseguenza, abbiamo ottenuto un aumento dell'efficienza dei dispositivi di oltre il 25%, rispetto ai prototipi originali."

Gli MXeni sono stati introdotti in sequenza in diversi strati della cella solare perovskite:uno strato fotoassorbente, uno strato di trasporto degli elettroni a base di biossido di titanio, e all'interfaccia tra di loro. Dopo l'analisi delle prestazioni di output dei dispositivi, abbiamo scoperto che la configurazione più efficiente è quella in cui vengono introdotti MXenes a tutti i livelli, compresa l'interfaccia. I risultati sperimentali sono confermati da un'opportuna modellazione delle strutture ottenute.

Questo lavoro è unico:è il primo rapporto che ha descritto non solo una serie di esperimenti e i risultati ottenuti, ma include anche una chiara spiegazione dei meccanismi che si verificano nella cella solare perovskite modificata dal punto di vista fisico-chimico.

"Il risultato principale di questo lavoro è l'identificazione dei cambiamenti nelle proprietà elettriche dei semiconduttori, causato dall'introduzione di MXenes. Quindi, questo nuovo nanomateriale possiede un grande potenziale per l'uso nella produzione su larga scala, "Anna Pazniak, uno degli autori, aggiunge.

Attualmente, il team sta cercando di stabilizzare il dispositivo risultante e aumentarne l'efficienza. Lo studio è stato finanziato nell'ambito del Megagrant del governo della Federazione Russa.