Un punto quantico di solfuro di piombo con ligandi superficiali a catena lunga. Le celle solari realizzate con punti quantici mostrano grandi promesse come tecnologia fotovoltaica di prossima generazione, ma devono dimostrare stabilità a lungo termine. Credito:KAUST, Ahmad Kirmani
Un processo sviluppato presso KAUST per depositare pellicole estremamente sottili e lisce può facilitare la produzione di celle solari stabili basate sulla tecnologia dei punti quantici.
I punti quantici colloidali sono minuscole particelle semiconduttrici in grado di assorbire la luce in un'ampia gamma di lunghezze d'onda. Poiché questi punti sono facili da mescolare in solventi liquidi, i ricercatori li hanno usati come "inchiostri solari" che possono essere stampati su fogli di plastica pieghevoli. Però, i primi prototipi hanno rivelato che l'esposizione all'aria e alle radiazioni ultraviolette degradava la capacità della cellula di trasformare la luce solare in elettricità.
"Prima del 2014, le celle solari colloidali a punti quantici erano molto instabili e non potevano sopravvivere al di fuori di un ambiente di azoto controllato, ", afferma Ahmad Kirmani, allievo di KAUST. "Questa situazione è cambiata con lo sviluppo di una nuova architettura che ha migliorato sia la stabilità del dispositivo che l'efficienza della conversione di potenza".
Le ultime celle solari a punti quantici racchiudono le minuscole particelle tra due film indicati come strati di trasporto di elettroni o lacune. Questi rivestimenti sono progettati per estrarre rapidamente le cariche negative o positive generate dai punti fotoeccitati in un circuito esterno. Inoltre, gli strati forniscono la protezione necessaria contro gli elementi esterni.
Schema che mostra una cella solare di controllo con uno spesso strato di trasporto di elettroni di ossido di zinco (ETL) (a sinistra) e una cella solare che impiega lo strato di trasporto di elettroni ultrasottile e stabile sviluppato in questo lavoro (a destra). Le immagini SEM sono dietro ogni schema. Credito:KAUST 2020; Ahmad R. Kirmani
Kirmani e i suoi colleghi si sono resi conto che la riduzione delle dimensioni dello strato di trasporto degli elettroni potrebbe aumentare le prestazioni delle celle solari a punti quantici. Questi film spesso comprendono materiali sensibili ai raggi ultravioletti, come l'ossido di zinco, e in genere devono avere uno spessore superiore a 100 nanometri per prevenire la formazione di difetti che potrebbero mettere in cortocircuito il dispositivo. In contrasto, film più sottili sono più desiderabili perché possono estrarre elettroni fotogenerati a velocità più elevate.
Il team KAUST ha sviluppato una tecnica in due fasi per produrre film ultrasottili sufficientemente lisci da consentire un'efficiente raccolta di elettroni. Primo, hanno depositato un rivestimento di ossido di indio su un elettrodo trasparente per promuovere una crescita del film altamente ordinata. Una seconda deposizione di ossido di zinco, alta solo 20 nanometri, ha sigillato eventuali difetti porosi e ha generato un'interfaccia estremamente uniforme.
"Inizialmente, abbiamo lottato con la riproducibilità del dispositivo a causa di irregolarità della superficie, " dice Kirmani. "Film ultrasottili, però, aderire meglio al supporto. Ottimizzando le concentrazioni della soluzione, abbiamo alleviato le sollecitazioni meccaniche per fabbricare film molto piatti."
I confronti con un dispositivo di controllo hanno dimostrato che lo strato ultrasottile di trasporto degli elettroni ha funzionato in modo altrettanto efficiente di un film di ossido di zinco più spesso. Sorprendentemente, il mix di ossidi di zinco e indio nella nuova cella solare ne ha prolungato la durata, stabilità operativa e tolleranza ai raggi ultravioletti:vantaggi che il team attribuisce in parte alla trasmissione ottica migliorata attraverso il dispositivo.
