Gli scienziati dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno risolto una debolezza fondamentale in una promettente tecnologia solare nota come Perovskite Solar Cells, o PSC. Le loro innovazioni sembrano migliorare sia la stabilità che la scalabilità dei dispositivi in ​​un colpo solo e potrebbero essere la chiave per spostare i PSC sul mercato.

Le celle solari di terza generazione convertono in modo efficiente la luce solare in elettricità utilizzabile e costano meno energia da produrre rispetto alle celle al silicio della vecchia scuola. PSC, in particolare, hanno attirato l'attenzione della scienza e dell'industria grazie al loro basso costo e all'elevata efficienza. Sebbene le loro prestazioni siano promettenti nei test di laboratorio, i dispositivi soffrono ancora di una bassa stabilità e non possono essere prodotti commercialmente finché non sono costruiti per durare.

"Abbiamo bisogno di moduli solari che possano durare almeno da 5 a 10 anni. Per ora, la durata dei PSC è molto più breve, " ha detto il dottor Longbin Qiu, primo autore dell'articolo e borsista post-dottorato presso l'Unità OIST Energy Materials and Surface Sciences, guidato dal Prof. Yabing Qi.

Lo studio, pubblicato online in Materiali funzionali avanzati il 13 dicembre 2018, supporta prove precedenti che un materiale comunemente usato nei PSC, chiamato biossido di titanio, degrada i dispositivi e ne limita la durata. I ricercatori hanno sostituito questo materiale con biossido di stagno, un conduttore più forte senza queste proprietà degradanti. Hanno ottimizzato il loro metodo di applicazione del biossido di stagno per produrre stabili, PSC efficienti e scalabili.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che i dispositivi a base di biossido di stagno hanno mostrato una durata tre volte maggiore rispetto ai dispositivi PSC che utilizzano biossido di titanio. "Il biossido di stagno può offrire agli utenti le prestazioni del dispositivo di cui hanno bisogno, " disse Qiu.

Un design migliorato

I PSC sono costituiti da materiali stratificati, ciascuno con una funzione specifica. Lo "strato attivo, " realizzato con materiali perovskite, assorbe la luce solare in entrata sotto forma di particelle chiamate fotoni. Quando un fotone colpisce una cella solare, genera elettroni con carica negativa e lacune con carica positiva nello strato attivo. Gli scienziati controllano il flusso di questi elettroni e lacune inserendo lo strato attivo tra due "materiali di trasporto, " creando così un campo elettrico incorporato.

Per aiutare a guidare gli elettroni nella giusta direzione, molti PSC includono un "strato di trasporto di elettroni". La maggior parte dei PSC impiega il biossido di titanio come strato di trasporto degli elettroni, ma quando esposto alla luce del sole, il materiale reagisce con la perovskite e alla fine degrada il dispositivo. Il biossido di stagno rappresenta un valido sostituto del biossido di titanio, ma prima di questo studio, non era stato incorporato con successo in un dispositivo su larga scala.

Utilizzando una tecnica comune nel settore chiamata deposizione sputtering, i ricercatori hanno imparato a creare un efficace strato di trasporto degli elettroni dal biossido di stagno. La deposizione sputtering funziona bombardando il materiale bersaglio, qui diossido di stagno, con particelle cariche, facendolo spruzzare verso l'alto su una superficie di attesa. Controllando con precisione la potenza dello sputtering e la velocità della deposizione, i ricercatori hanno prodotto strati lisci con uno spessore uniforme su una vasta area.

Le loro nuove celle solari hanno raggiunto un'efficienza di oltre il 20 percento. Per dimostrare la scalabilità di questo nuovo metodo, i ricercatori hanno quindi fabbricato moduli solari di 5 x 5 centimetri con un'area designata di 22,8 centimetri quadrati, scoprendo che i dispositivi risultanti hanno mostrato un'efficienza superiore al 12%. Questa ricerca, che è stato supportato dal programma Proof-of-Concept dell'OIST Technology Development and Innovation Center, rappresenta un passo avanti cruciale verso il rispetto dell'attuale standard industriale per l'efficienza del PSC.

Trasferirsi al mercato

I ricercatori hanno in programma di continuare a ottimizzare il loro design PSC con l'obiettivo di produrre moduli solari su larga scala con una maggiore efficienza. L'unità di ricerca sperimenta con flessibilità, dispositivi solari trasparenti e mira ad applicare il loro design PSC ottimizzato nelle finestre solari, le tende, zaini e unità di ricarica mobili.

"Vogliamo scalare questi dispositivi fino a grandi dimensioni, e sebbene la loro efficienza sia già ragionevole, vogliamo spingerci oltre, " ha detto il Prof. Qi. "Siamo ottimisti sul fatto che nei prossimi anni, questa tecnologia sarà praticabile per la commercializzazione".