Per ridurre al minimo la perdita di elettroni da CsPbI3 (rosso, strato centrale) in strati adiacenti, è importante che i livelli energetici (eV, nel grafico) di tutti i livelli sono simili. Credito:OIST
Il silicio domina i prodotti a energia solare:è stabile, economico ed efficiente nel trasformare la luce solare in elettricità. Qualsiasi nuovo materiale che prenda il silicio deve competere e vincere su questi motivi. Come risultato di una collaborazione di ricerca internazionale, Università Jiao Tong di Shanghai, l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), e l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno trovato un materiale stabile che crea elettricità in modo efficiente, che potrebbe sfidare l'egemonia del silicio.
Scrivendo in Scienza , i team che collaborano mostrano come il materiale CsPbI 3 è stato stabilizzato in una nuova configurazione in grado di raggiungere elevate efficienze di conversione. CsPbI 3 è una perovskite inorganica, un gruppo di materiali che stanno guadagnando popolarità nel mondo solare grazie alla loro elevata efficienza e al basso costo. Questa configurazione è degna di nota poiché stabilizzare questi materiali è stata storicamente una sfida.
"Siamo soddisfatti dei risultati che suggeriscono che CsPbI 3 può competere con i materiali leader del settore, "dice il professor Yabing Qi, capo dell'Unità Materiali energetici e scienze delle superfici dell'OIST, che ha guidato l'aspetto della scienza di superficie dello studio.
"Da questo risultato preliminare lavoreremo ora per aumentare la stabilità del materiale e le prospettive commerciali".
Allineamento del livello di energia
CsPbI 3 è spesso studiato nella sua fase alfa, una ben nota configurazione della struttura cristallina opportunamente nota come fase oscura a causa del suo colore nero. Questa fase è particolarmente efficace nell'assorbire la luce solare. Sfortunatamente, è anche instabile e la struttura degrada rapidamente in una forma giallastra, meno in grado di assorbire la luce solare.
Questo studio ha invece esplorato il cristallo nella sua fase beta, una disposizione meno nota della struttura che è più stabile della sua fase alfa. Sebbene questa struttura sia più stabile, mostra un'efficienza di conversione di potenza relativamente bassa.
Questa bassa efficienza deriva in parte dalle crepe che spesso emergono nelle celle solari a film sottile. Queste crepe inducono la perdita di elettroni negli strati adiacenti della cella solare, elettroni che non possono più fluire come elettricità. Il team ha trattato il materiale con una soluzione di ioduro di colina per guarire queste crepe, e questa soluzione ha anche ottimizzato l'interfaccia tra gli strati nella cella solare, noto come allineamento del livello di energia.
"Gli elettroni fluiscono naturalmente verso materiali con energia potenziale inferiore per gli elettroni, quindi è importante che i livelli energetici degli strati adiacenti siano simili a CsPbI 3 , " dice il dottor Luis K. Ono, un coautore del laboratorio del professor Qi. "Questa sinergia tra gli strati comporta la perdita di meno elettroni e la generazione di più elettricità".
Il team dell'OIST, supportato dal Centro per lo sviluppo tecnologico e l'innovazione dell'OIST, ha utilizzato la spettroscopia di fotoemissione ultravioletta per studiare l'allineamento del livello di energia tra CsPbI 3 e gli strati adiacenti. Questi dati hanno mostrato come gli elettroni possono quindi muoversi liberamente attraverso i diversi strati, generazione di energia elettrica.
I risultati hanno mostrato una bassa perdita di elettroni agli strati adiacenti dopo il trattamento con ioduro di colina, a causa di migliori allineamenti dei livelli di energia tra gli strati. Riparando le crepe che emergono naturalmente, questo trattamento ha portato ad un aumento dell'efficienza di conversione dal 15% al 18%.
Anche se quel salto può sembrare piccolo, porta CsPbI 3 nell'ambito dell'efficienza certificata, i valori competitivi offerti dai materiali solari rivali. Sebbene questo primo risultato sia promettente, la perovskite inorganica è ancora in ritardo. Per CsPbI 3 per competere veramente con il silicio, il team lavorerà successivamente sulla triade di fattori che consentono al regno del silicio di continuare:stabilità, costo, ed efficienza.
