Un gruppo di ricerca della Brown University ha compiuto un passo importante verso il miglioramento dell'affidabilità a lungo termine delle celle solari in perovskite, una tecnologia emergente per l'energia pulita. In uno studio che sarà pubblicato venerdì, 7 maggio sul giornale Scienza , il team dimostra una "colla molecolare" che impedisce la degradazione di un'interfaccia chiave all'interno delle cellule. Il trattamento aumenta notevolmente la stabilità e l'affidabilità delle cellule nel tempo, migliorando anche l'efficienza con cui convertono la luce solare in elettricità.

"Ci sono stati grandi passi avanti nell'aumentare l'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari in perovskite, " disse Nitin Padture, un professore di ingegneria alla Brown University e autore senior della nuova ricerca. "Ma l'ultimo ostacolo da superare prima che la tecnologia possa essere ampiamente disponibile è l'affidabilità, la realizzazione di celle che mantengono le loro prestazioni nel tempo. Questa è una delle cose su cui il mio gruppo di ricerca ha lavorato, e siamo felici di segnalare alcuni importanti progressi".

Le perovskiti sono una classe di materiali con una particolare struttura atomica cristallina. Poco più di un decennio fa, i ricercatori hanno dimostrato che le perovskiti sono molto brave ad assorbire la luce, che ha dato il via a una marea di nuove ricerche sulle celle solari a perovskite. L'efficienza di queste celle è aumentata rapidamente e ora rivaleggia con quella delle tradizionali celle al silicio. La differenza è che gli assorbitori di luce in perovskite possono essere realizzati a temperatura quasi ambiente, considerando che il silicio deve crescere da un fuso a una temperatura prossima a 2, 700 gradi Fahrenheit. I film di perovskite sono anche circa 400 volte più sottili dei wafer di silicio. La relativa facilità dei processi di produzione e l'uso di meno materiale significa che le celle di perovskite possono essere potenzialmente realizzate a una frazione del costo delle celle di silicio.

Sebbene i miglioramenti di efficienza nelle perovskiti siano stati notevoli, Padture dice, rendere le celle più stabili e affidabili è rimasta una sfida. Parte del problema ha a che fare con la stratificazione necessaria per creare una cella funzionante. Ogni cella contiene cinque o più strati distinti, ciascuno svolge una funzione diversa nel processo di generazione di energia elettrica. Poiché questi strati sono realizzati con materiali diversi, rispondono in modo diverso alle forze esterne. Anche, le variazioni di temperatura che si verificano durante il processo di produzione e durante il servizio possono causare l'espansione o la contrazione di alcuni strati più di altri. Ciò crea sollecitazioni meccaniche alle interfacce dei livelli che possono causare il disaccoppiamento degli strati. Se le interfacce sono compromesse, le prestazioni della cella precipitano.

La più debole di queste interfacce è quella tra il film di perovskite utilizzato per assorbire la luce e lo strato di trasporto degli elettroni, che mantiene la corrente che scorre attraverso la cella.

"Una catena è forte quanto il suo anello più debole, e abbiamo identificato questa interfaccia come la parte più debole dell'intero stack, dove il fallimento è più probabile, " disse Padture, che dirige l'Institute for Molecular and Nanoscale Innovation di Brown. "Se possiamo rafforzarlo, allora possiamo iniziare a migliorare concretamente l'affidabilità."

Fare quello, Padture ha attinto alla sua esperienza di scienziato dei materiali, sviluppo di rivestimenti ceramici avanzati utilizzati nei motori aeronautici e in altre applicazioni ad alte prestazioni. Lui e i suoi colleghi hanno iniziato a sperimentare composti noti come monostrati autoassemblati o SAM.

"Questa è una grande classe di composti, " disse Padture. "Quando li depositi su una superficie, le molecole si assemblano in un unico strato e si rizzano come peli corti. Utilizzando la giusta formulazione, puoi formare forti legami tra questi composti e tutti i tipi di superfici diverse."

Padture e il suo team hanno scoperto che una formulazione di SAM con atomo di silicio su un lato, e atomo di iodio dall'altro, potrebbe formare forti legami sia con lo strato di trasporto elettorale (che di solito è costituito da ossido di stagno) sia con lo strato fotoassorbente di perovskite. Il team sperava che i legami formati da queste molecole potessero fortificare l'interfaccia del livello. E avevano ragione.

"Quando abbiamo introdotto i SAM nell'interfaccia, abbiamo scoperto che aumenta la tenacità alla frattura dell'interfaccia di circa il 50%, il che significa che eventuali crepe che si formano all'interfaccia tendono a non propagarsi molto lontano, "Pature ha detto. "Così in effetti, i SAM diventano una sorta di colla molecolare che tiene insieme i due strati."

I test sulla funzione delle celle solari hanno mostrato che i SAM hanno notevolmente aumentato la vita funzionale delle celle di perovskite. Le celle non SAM preparate per lo studio hanno mantenuto l'80% della loro efficienza iniziale per circa 700 ore di test di laboratorio. Nel frattempo le cellule SAM erano ancora forti dopo 1, 330 ore di test. Sulla base di questi esperimenti, i ricercatori prevedono che la vita con un'efficienza trattenuta dell'80% sarà di circa 4, 000 ore.

"Una delle altre cose che abbiamo fatto, che le persone normalmente non fanno, abbiamo aperto le celle dopo il test, " disse Zhenghong Dai, uno studente di dottorato Brown e primo autore della ricerca. "Nelle celle di controllo senza SAM, abbiamo visto tutti i tipi di danni come vuoti e crepe. Ma con i SAM, le interfacce rinforzate sembravano davvero buone. È stato un miglioramento drammatico che ci ha davvero scioccato".

È importante sottolineare che Padture ha detto, il miglioramento della robustezza non è venuto a scapito dell'efficienza della conversione di potenza. Infatti, i SAM hanno effettivamente migliorato di poco l'efficienza della cella. Ciò si è verificato perché i SAM hanno eliminato minuscoli difetti molecolari che si formano quando i due strati si legano in assenza di SAM.

"La prima regola per migliorare l'integrità meccanica dei dispositivi funzionali è 'non nuocere, '", ha detto Padture. "In modo da poter migliorare l'affidabilità senza perdere efficienza, e persino migliorare l'efficienza, è stata una bella sorpresa."

Gli stessi SAM sono realizzati con composti facilmente disponibili e sono facilmente applicabili con un processo di rivestimento per immersione a temperatura ambiente. Quindi l'aggiunta di SAM potrebbe potenzialmente aggiungere poco al costo di produzione, Ha detto Padture.

I ricercatori intendono sfruttare questo successo. Ora che hanno fortificato l'anello più debole della pila di celle solari in perovskite, vorrebbero passare al prossimo più debole, poi il successivo e così via finché non hanno fortificato l'intero stack. Tale lavoro comporterà il rafforzamento non solo delle interfacce, ma anche gli strati materiali stessi. Recentemente, Il gruppo di ricerca di Padture ha vinto una sovvenzione di $ 1,5 milioni dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per espandere la propria ricerca.

"Questo è il tipo di ricerca necessaria per realizzare cellule poco costose, efficiente e performante per decenni, "Ha detto Padrino.