Un team internazionale di ricercatori universitari oggi riferisce di aver risolto un'importante sfida di fabbricazione per le celle di perovskite, gli intriganti potenziali sfidanti delle celle solari a base di silicio.

Queste strutture cristalline mostrano grandi promesse perché possono assorbire quasi tutte le lunghezze d'onda della luce. Le celle solari perovskite sono già commercializzate su piccola scala, ma i recenti vasti miglioramenti nella loro efficienza di conversione di potenza (PCE) stanno suscitando interesse nell'usarli come alternative a basso costo per i pannelli solari.

Nell'articolo di copertina pubblicato oggi online per il 28 giugno, numero 2018 di Nanoscala , una pubblicazione della Royal Society of Chemistry, il team di ricerca rivela un nuovo mezzo scalabile per applicare un componente critico alle celle di perovskite per risolvere alcune importanti sfide di fabbricazione. I ricercatori sono stati in grado di applicare lo strato critico di trasporto degli elettroni (ETL) nelle celle fotovoltaiche di perovskite in un nuovo modo - rivestimento spray - per conferire all'ETL una conduttività superiore e una forte interfaccia con il suo vicino, lo strato di perovskite.

La ricerca è guidata da André D. Taylor, un professore associato nel dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare della NYU Tandon School of Engineering, con Yifan Zheng, il primo autore dell'articolo e un ricercatore dell'Università di Pechino. I coautori provengono dalla University of Electronic Science and Technology of China, Università di Yale, e la Johns Hopkins University.

La maggior parte delle celle solari sono "sandwich" di materiali stratificati in modo tale che quando la luce colpisce la superficie della cella, eccita gli elettroni in un materiale caricato negativamente e crea una corrente elettrica spostando gli elettroni verso un reticolo di "buchi" carichi positivamente. Nelle celle solari perovskite con un semplice orientamento planare chiamato p-i-n (o n-i-p quando invertito), la perovskite costituisce lo strato intrinseco di intrappolamento della luce (la "i" in p-i-n) tra l'ETL caricato negativamente e uno strato di trasporto del foro caricato positivamente (HTL).

Quando gli strati carichi positivamente e negativamente sono separati, l'architettura si comporta come un gioco subatomico di Pachinko in cui i fotoni di una sorgente luminosa allontanano gli elettroni instabili dall'ETL, facendoli cadere verso il lato HTL positivo del sandwich. Lo strato di perovskite accelera questo flusso. Mentre la perovskite costituisce uno strato intrinseco ideale a causa della sua forte affinità sia per le lacune che per gli elettroni e il suo rapido tempo di reazione, la fabbricazione su scala commerciale si è rivelata difficile in parte perché è difficile applicare efficacemente uno strato ETL uniforme sulla superficie cristallina della perovskite.

I ricercatori hanno scelto il composto [6, estere metilico dell'acido 6]-fenil-C(61)-butirrico (PCBM) a causa della sua esperienza come materiale ETL e perché il PCBM applicato in uno strato ruvido offre la possibilità di una migliore conduttività, contatto di interfaccia meno penetrabile, e una migliore cattura della luce. "Sono state fatte pochissime ricerche sulle opzioni ETL per il design planare p-i-n, " ha detto Taylor. "La sfida chiave nelle celle planari è, come si fa ad assemblarli effettivamente in un modo che non distrugga gli strati adiacenti?"

Il metodo più comune è lo spin casting, che comporta la rotazione della cellula e il consentire alla forza centripeta di disperdere il fluido ETL sul substrato di perovskite. Ma questa tecnica è limitata a piccole superfici e si traduce in uno strato incoerente che riduce le prestazioni della cella solare. La colata rotante è anche inimitabile alla produzione commerciale di grandi pannelli solari con metodi come la fabbricazione roll-to-roll, per cui l'architettura di perovskite planare flessibile p-i-n è altrimenti adatta.

I ricercatori si sono invece rivolti al rivestimento a spruzzo, che applica l'ETL in modo uniforme su una vasta area ed è adatto per la produzione di grandi pannelli solari. Hanno riportato un guadagno di efficienza del 30% rispetto ad altri ETL, da un PCE del 13% a oltre il 17%, e un minor numero di difetti.Aggiunto Taylor, "Il nostro approccio è conciso, altamente riproducibile, e scalabile. Suggerisce che il rivestimento a spruzzo del PCBM ETL potrebbe avere un ampio appeal per migliorare l'efficienza di base delle celle solari in perovskite e fornire una piattaforma ideale per celle solari in perovskite p-i-n da record nel prossimo futuro".