Ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL), lavorando in collaborazione con le loro controparti nella Repubblica di Corea, hanno convalidato il potenziale dell'utilizzo di una combinazione di perovskite e silicio per creare celle solari con un'efficienza superiore al 30%.

La loro cella solare iniziale ha raggiunto un'efficienza certificata del 26,2%.

"Questo studio fornisce un nuovo approccio generale con chiare scoperte tecnologiche e intuizioni scientifiche per ulteriori progressi delle tecnologie perovskite, " disse Kai Zhu, un autore corrispondente di un articolo appena pubblicato sulla rivista Scienza che delinea l'opera. Zhu è uno scienziato senior presso il Centro di chimica e nanoscienze del NREL.

Da solo, la componente perovskite ha registrato un'efficienza del 20,7%, il più alto riportato in letteratura per le perovskiti a banda larga.

Gli scienziati hanno anche notato che i test accelerati hanno mostrato che la cella di perovskite ha mostrato "un'eccellente stabilità a lungo termine" mantenendo oltre l'80% della sua efficienza iniziale dopo 1, 000 ore di illuminazione continua.

Il termine perovskite si riferisce a una struttura cristallina. Le celle solari in perovskite sono realizzate attraverso una combinazione di elementi e sono emerse come la tecnologia solare in più rapida evoluzione.

La ricerca appare in un articolo appena pubblicato sulla rivista Scienza , "Efficiente, celle tandem di silicio stabili abilitate da perovskiti a banda larga ingegnerizzati con anioni." Oltre a Zhu, il documento è stato co-autore di Bryon Larson, Sean Dunfield, Chuanxiao Xiao, Jinhui Tong, Fei Zhang, e Giuseppe Berry, tutto da NREL; e un gruppo di scienziati guidati da Byungha Shin (Korea Advanced Institute of Science and Technology), Dong Hoe Kim (Università di Sejong), e Jin Young Kim (Università Nazionale di Seoul), dalla Repubblica di Corea.

Zhu, Dong Hoe Kim, e Shin hanno ideato il progetto di ricerca, che è stato finanziato in parte dall'Ufficio per le tecnologie dell'energia solare del Dipartimento dell'energia. I ricercatori hanno affermato che la cella solare in tandem potrebbe superare il 30% di efficienza una volta svolto ulteriore lavoro per perfezionare lo strato di silicio.

Il dispositivo solare tandem è costituito da una cella superiore in perovskite e una cella inferiore in silicio. Sia la parte superiore che quella inferiore assorbono segmenti separati dello spettro solare attraverso un bandgap. Più ampia è la banda proibita della cella superiore di perovskite, più luce solare può assorbire il dispositivo in silicone inferiore. Il bandgap per il silicio è fissato a 1,1 elettronvolt (eV), ma il bandgap per le perovskiti può essere regolato chimicamente, o "sintonizzato". L'ideale è circa 1,7 eV, ma per farlo è necessario sostituire lo iodio con il bromo. Troppo bromo, però, può rendere instabile la perovskite.

I ricercatori nel campo hanno esplorato l'uso della cosiddetta fase bidimensionale (2-D), in cui fogli di ottaedri di alogenuro di piombo separati da molecole a catena lunga vengono aggiunti alla perovskite da utilizzare come agente di passivazione per ridurre la reattività chimica. L'uso di strati di passivazione si è dimostrato efficace nel migliorare la stabilità e le prestazioni delle perovskiti.

Nell'ingegnerizzare lo strato di passivazione, gli scienziati del NREL e i loro colleghi all'estero si sono concentrati sull'ingegneria degli ioni caricati negativamente, chiamati anioni, degli additivi 2-D, invece degli ioni caricati positivamente (cationi) su cui altri si sono concentrati. Introducendo tiocianato e mescolandolo con iodio, i ricercatori sono stati in grado di migliorare la struttura e le proprietà optoelettroniche della perovskite a banda larga (1,68 eV) e le prestazioni del dispositivo. L'uso del tiocianato ha permesso ai ricercatori di aumentare la densità di corrente del dispositivo, mentre lo iodio ha migliorato la tensione.

Lavorando con i colleghi dell'Università di Toronto, Xiao e Zhu hanno sviluppato un tandem perovskite-silicio con un'efficienza certificata del 25,7% e un calo trascurabile delle prestazioni dopo 400 ore. I risultati sono stati segnalati all'inizio di questo mese in Scienza .

La ricerca parallela al NREL si è concentrata su un tandem perovskite-silicio altamente stabile. Segnalato anche all'inizio di questo mese in Scienza , il dispositivo è stato realizzato utilizzando una combinazione di iodio, bromo, e cloro. L'efficienza certificata del dispositivo tandem stabile è stata del 25,8%.