Un approccio sintetico sviluppato dai ricercatori KAUST genera cristalli omogenei e privi di difetti che potrebbero accelerare la commercializzazione delle celle solari perovskite.

"Le celle solari perovskite sono il tipo di tecnologia fotovoltaica in più rapido sviluppo, con efficienze di conversione dell'energia che passano dal 3,8 percento nel 2009 al 24,2 percento nel 2019 per i dispositivi a giunzione singola, "dice Osman Bakr, che ha condotto lo studio con Omar Mohammed. Questo rapido aumento delle prestazioni è associato alla fabbricazione di dispositivi economici e semplici, che rende queste celle solari commercialmente attraenti.

Le prestazioni e la stabilità delle celle solari dipendono dalla morfologia dei film sottili di perovskite, che agiscono come strati di raccolta della luce nei dispositivi. Oltre al loro basso costo e alla facilità di lavorazione, questi materiali hanno eccezionali proprietà ottiche e di trasporto. Perovskiti ibride a base di piombo che combinano un catione metilammonio con diversi alogenuri, come le forme anioniche del bromo e dello iodio, presentano un bandgap ottico stretto e sintonizzabile. Questo bandgap si avvicina al valore teorico richiesto per raggiungere la massima efficienza di conversione per una cella solare a giunzione singola. Perciò, i perokskiti potrebbero diventare un sostituto di scelta per i materiali solari a base di silicio.

Però, le celle solari in perovskite esistenti di solito sono costituite da film sottili policristallini che sono altamente disordinati e difettosi, che impedisce ai dispositivi di ottenere prestazioni ottimali.

Per affrontare questo problema, Bakr e Mohammed hanno ora prodotto proporzioni elevate, film monocristallini di perovskiti di metilammonio piombo-triioduro. Hanno raggiunto questo obiettivo avviando la cristallizzazione tra due substrati rivestiti di polimero che avrebbero quindi limitato fisicamente la crescita dei cristalli a una dimensione sotto riscaldamento.

Rispetto alle loro controparti policristalline, le perovskiti a cristallo singolo mostrano una densità di difetti sostanzialmente inferiore e lunghezze di diffusione dei portatori di carica molto più elevate:questa è una misura della loro capacità di mantenere gli elettroni generati dalla luce separati dai fori caricati positivamente e di creare corrente elettrica. Perciò, "Abbiamo ragionato sul fatto che questi cristalli singoli offrono la possibilità alla tecnologia delle celle solari di perovskite di superare queste limitazioni e avvicinarsi il più possibile al limite di efficienza teorica, "dice Maometto.

I cristalli, che presentava uno spessore di 20 micrometri e un'area di diversi millimetri quadrati, ha fornito celle solari di alta qualità con un'efficienza di conversione di potenza massima del 21,09 percento. Questi dispositivi stabiliscono un nuovo record di prestazioni per le celle solari a cristallo singolo di perovskite.

"Siamo rimasti piacevolmente sorpresi da questi risultati, " Dice Bakr. Aggiunge che i ricercatori inizialmente pensavano che avrebbero avuto bisogno di far crescere cristalli molto più sottili di 20 micrometri per ottenere questa prestazione, e la crescita di cristalli sottili è estremamente impegnativa.

I ricercatori ritengono che questa efficienza record evidenzi il potenziale ruolo dei singoli cristalli nello sviluppo di dispositivi contenenti perovskite in parallelo con il percorso intrapreso dalle loro controparti policristalline.