C'è molto da apprezzare sulle celle solari a base di perovskite. Sono semplici ed economici da produrre, offrire flessibilità che potrebbe sbloccare un'ampia nuova gamma di metodi e luoghi di installazione, e negli ultimi anni hanno raggiunto efficienze energetiche vicine a quelle delle tradizionali celle a base di silicio.

Ma capire come produrre dispositivi energetici a base di perovskite che durano più di un paio di mesi è stata una sfida.

Ora i ricercatori del Georgia Institute of Technology, L'Università della California San Diego e il Massachusetts Institute of Technology hanno riportato nuove scoperte sulle celle solari in perovskite che potrebbero aprire la strada a dispositivi con prestazioni migliori.

"Le celle solari in perovskite offrono molti potenziali vantaggi perché sono estremamente leggere e possono essere realizzate con substrati di plastica flessibili, " disse Juan-Pablo Correa-Baena, un assistente professore presso la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Per essere in grado di competere sul mercato con le celle solari a base di silicio, però, devono essere più efficienti".

In uno studio pubblicato l'8 febbraio sulla rivista Scienza ed è stato sponsorizzato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation, i ricercatori hanno descritto in maggior dettaglio i meccanismi di come l'aggiunta di metallo alcalino alle perovskiti tradizionali porta a prestazioni migliori.

"Le perovskiti potrebbero davvero cambiare il gioco nel solare, "ha detto David Fenning, un professore di nanoingegneria presso l'Università della California San Diego. "Hanno il potenziale per ridurre i costi senza rinunciare alle prestazioni. Ma c'è ancora molto da imparare fondamentalmente su questi materiali".

Per comprendere i cristalli di perovskite, è utile pensare alla sua struttura cristallina come una triade. Una parte della triade è tipicamente formata dall'elemento conduttore. Il secondo è tipicamente costituito da un componente organico come il metilammonio, e il terzo è spesso costituito da altri alogenuri come bromo e iodio.

Negli ultimi anni, i ricercatori si sono concentrati sulla sperimentazione di diverse ricette per ottenere migliori efficienze, come l'aggiunta di iodio e bromo al componente di piombo della struttura. Dopo, hanno provato a sostituire cesio e rubidio alla parte della perovskite tipicamente occupata da molecole organiche.

"Sapevamo da precedenti lavori che l'aggiunta di cesio e rubidio a una perovskite mista di bromo e iodio porta a una migliore stabilità e prestazioni più elevate, " Disse Correa-Baena.

Ma si sapeva poco sul perché l'aggiunta di quei metalli alcalini migliorasse le prestazioni delle perovskiti.

Per capire esattamente perché sembrava funzionare, i ricercatori hanno utilizzato la mappatura a raggi X ad alta intensità per esaminare le perovskiti su scala nanometrica.

"Osservando la composizione all'interno del materiale perovskite, possiamo vedere come ogni singolo elemento gioca un ruolo nel migliorare le prestazioni del dispositivo, " disse Yanqi (Grazia) Luo, un dottorato di ricerca in nanoingegneria. studente all'Università di San Diego.

Hanno scoperto che quando il cesio e il rubidio sono stati aggiunti alla perovskite mista di bromo e iodio, ha fatto sì che il bromo e lo iodio si mescolassero in modo più omogeneo, con conseguente efficienza di conversione fino al 2% superiore rispetto ai materiali senza questi additivi.

"Abbiamo scoperto che l'uniformità nella chimica e nella struttura è ciò che aiuta una cella solare in perovskite a funzionare al suo massimo potenziale, " Fenning ha detto. "Qualsiasi eterogeneità in quella spina dorsale è come un anello debole della catena".

Comunque, i ricercatori hanno anche osservato che mentre l'aggiunta di rubidio o cesio rendeva il bromo e lo iodio più omogenei, gli alogenuri stessi all'interno del loro stesso catione sono rimasti abbastanza raggruppati, creando "zone morte" inattive nella cella solare che non producono corrente.

"Questo è stato sorprendente, " Fenning ha detto. "Avere queste zone morte in genere ucciderebbe una cella solare. In altri materiali, si comportano come buchi neri che aspirano elettroni da altre regioni e non li lasciano mai andare, quindi perdi corrente e tensione.

"Ma in queste perovskiti, abbiamo visto che le zone morte intorno al rubidio e al cesio non erano troppo dannose per le prestazioni delle celle solari, anche se c'era qualche perdita attuale, " Ha detto Fenning. "Questo dimostra quanto siano robusti questi materiali, ma anche che ci sono ancora più opportunità di miglioramento".

I risultati si aggiungono alla comprensione di come i dispositivi a base di perovskite funzionano su scala nanometrica e potrebbero gettare le basi per miglioramenti futuri.

"Questi materiali promettono di essere molto convenienti e ad alte prestazioni, che è più o meno ciò di cui abbiamo bisogno per assicurarci che i pannelli fotovoltaici siano ampiamente utilizzati, " ha detto Correa-Baena. "Vogliamo cercare di compensare le questioni del cambiamento climatico, quindi l'idea è di avere celle fotovoltaiche che siano il più economiche possibile".