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Un team di ricercatori del Regno Unito e del Giappone ha scoperto che i minuscoli difetti che limitano l'efficienza delle perovskiti, materiali alternativi più economici per le celle solari, sono anche responsabili di cambiamenti strutturali nel materiale che portano al degrado.
I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di tecniche per imitare il processo di invecchiamento alla luce del sole e osservare i cambiamenti nei materiali su scala nanometrica, aiutandoli a ottenere nuove informazioni sui materiali, che mostrano anche il potenziale per applicazioni optoelettroniche come LED a risparmio energetico e raggi X rilevatori, ma hanno una durata limitata.
I loro risultati, riportati sulla rivista Nature , potrebbe accelerare significativamente lo sviluppo del fotovoltaico a perovskite di lunga durata e disponibile in commercio.
I perovksite sono abbondanti e molto più economici da elaborare rispetto al silicio cristallino. Possono essere preparati con un inchiostro liquido che viene semplicemente stampato per produrre una pellicola sottile del materiale.
Sebbene la produzione di energia complessiva delle celle solari in perovskite possa spesso soddisfare o, nel caso di dispositivi "tandem" multistrato, superare quella ottenibile con il tradizionale fotovoltaico al silicio, la durata limitata dei dispositivi è un ostacolo fondamentale alla loro redditività commerciale.
Un tipico pannello solare al silicio, come quelli che potresti vedere sul tetto di una casa, dura in genere circa 20-25 anni senza significative perdite di prestazioni.
Poiché i dispositivi in perovskite sono molto più economici da produrre, potrebbe non essere necessario che abbiano una vita tanto lunga quanto le loro controparti in silicio per entrare in alcuni mercati. Ma per realizzare il loro potenziale ultimo nella realizzazione di una decarbonizzazione diffusa, le cellule dovranno funzionare per almeno un decennio o più. Ricercatori e produttori devono ancora sviluppare un dispositivo perovskite con stabilità simile alle celle di silicio.
Ora, i ricercatori dell'Università di Cambridge e dell'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Giappone, hanno scoperto il segreto per curare il "tallone d'Achille" delle perovskiti.
Utilizzando un toolkit di tecniche ad alta risoluzione spaziale, in collaborazione con la struttura di sincrotrone Diamond Light Source e l'elettrone Physical Sciences Imaging Center (ePSIC) a Didcot, e il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Metallurgia a Cambridge, il team è stato in grado di osservare il proprietà su scala nanometrica di questi film sottili e come cambiano nel tempo sotto l'illuminazione solare.
Il lavoro precedente del team che utilizzava tecniche simili ha messo in luce i difetti che causano carenze nelle prestazioni del fotovoltaico a perovskite, le cosiddette trappole portanti.
"Illuminando i film di perovskite nel tempo, simulando l'invecchiamento dei dispositivi a celle solari, scopriamo che le dinamiche più interessanti si stanno verificando in questi ammassi di trappole nanoscopiche", ha affermato il coautore, il dottor Stuart Macpherson del Cavendish Laboratory di Cambridge.
"Ora sappiamo che i cambiamenti che vediamo sono legati alla fotodegradazione delle pellicole. Di conseguenza, le trappole portanti che limitano l'efficienza possono ora essere direttamente collegate alla questione altrettanto cruciale della longevità delle celle solari".
"È piuttosto eccitante", ha affermato il coautore Dr. Tiarnan Doherty, del Dipartimento di ingegneria chimica e biotecnologia di Cambridge e del Murray Edwards College, "perché suggerisce che se puoi affrontare la formazione di queste trappole di superficie, migliorerai contemporaneamente prestazioni e stabilità dei dispositivi nel tempo."
Ottimizzando la composizione chimica e come si forma il film di perovskite, nella preparazione dei dispositivi, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile controllare quante di queste fasi dannose si formano e, per estensione, quanto durerà il dispositivo.
"I dispositivi più stabili sembrano abbassare casualmente la densità delle fasi dannose attraverso sottili modifiche compositive e strutturali", ha affermato Doherty. "Speriamo che questo documento riveli un approccio più razionale e mirato per farlo e ottenere i dispositivi più performanti che funzionano con la massima stabilità."
Il gruppo è ottimista sul fatto che le loro ultime scoperte ci avvicineranno ancora ai primi dispositivi fotovoltaici a perovskite disponibili in commercio.
"Le celle solari in perovskite sono al culmine della commercializzazione, con le prime linee di produzione che già producono moduli", ha affermato il dott. Sam Stranks del Dipartimento di ingegneria chimica e biotecnologia di Cambridge, che ha guidato la ricerca.
"Ora capiamo che eventuali fasi residue indesiderate, anche minuscole sacche su scala nanometrica rimanenti dall'elaborazione delle celle, saranno cattive notizie per la longevità delle celle solari in perovskite. I processi di produzione devono quindi incorporare un'attenta messa a punto della struttura e della composizione su un'ampia area per eliminare ogni traccia di queste fasi indesiderate, un controllo ancora più attento di quanto si pensi per questi materiali. Questo è un ottimo esempio di scienza fondamentale che guida direttamente la produzione su larga scala."
"È stato molto soddisfacente vedere gli approcci che abbiamo sviluppato all'OIST e a Cambridge negli ultimi anni fornire una visuale diretta di queste minuscole fasi residue indesiderate e di come cambiano nel tempo", ha affermato il coautore Dr. Keshav Dani dell'Unità di spettroscopia a femtosecondi dell'OIST. "Rimane la speranza che queste tecniche continuino a rivelare gli aspetti che limitano le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici, mentre lavoriamo allo studio dei dispositivi operativi."
"Un altro punto di forza dei dispositivi di perovskite è che possono essere realizzati in paesi in cui non esiste un'infrastruttura esistente per la lavorazione del silicio monocristallino", ha affermato Macpherson. "Le celle solari al silicio sono economiche a lungo termine, ma richiedono un notevole esborso di capitale iniziale per iniziare l'elaborazione. Ma per le perovskiti, poiché possono essere elaborate e stampate in soluzione così facilmente, utilizzando molto meno materiale, si rimuove quel costo iniziale. Offrono un opzione praticabile per i paesi a basso e medio reddito che cercano di passare all'energia solare". + Esplora ulteriormente
