Una fotografia di una cella solare tandem tutta perovskite fabbricata dai ricercatori. Credito:Lin et al.
Un team di ricercatori della Nanjing University in Cina e dell'Università di Toronto in Canada ha recentemente fabbricato celle solari tandem (PSC) interamente in perovskite. un tipo di cella solare con un componente chiave strutturato in perovskite. Queste nuove celle solari, presentato in un documento presentato in Energia della natura , hanno raggiunto una notevole efficienza, superando altre soluzioni esistenti.
"L'idea iniziale per questo lavoro di ricerca era quella di realizzare celle solari tandem interamente in perovskite che potessero essere più efficienti delle celle solari in perovskite a giunzione singola, " Hairen Tan, il ricercatore capo dello studio, ha detto a TechXplore.
Le perovskiti sono un gruppo di minerali che hanno la stessa struttura cristallina della perovskite, un giallo, minerale marrone o nero costituito in gran parte da titanato di calcio. Negli ultimi anni, diversi team di ricerca in tutto il mondo hanno cercato di sviluppare celle solari utilizzando questo materiale, tipicamente utilizzando perovskiti a banda larga (~ 1,8 eV) o a banda stretta (~ 1,2 eV).
Fabbricazione di celle solari tandem interamente in perovskite, combinando così perovskiti a banda larga e banda stretta insieme, potrebbe portare a una maggiore efficienza di conversione di potenza (PCE) rispetto a quella ottenuta dalle celle a giunzione singola senza aumentare i costi di fabbricazione. Per costruire questo nuovo tipo di cella solare, però, i ricercatori devono trovare un modo per migliorare le prestazioni di ogni sottocella, allo stesso tempo integrando sinergicamente le cellule a banda larga e banda stretta.
"Sfortunatamente, Le celle solari in perovskite a banda stretta mista Pb-Sn precedentemente riportate hanno mostrato basse efficienze (PCE ~ 18-20 percento) e basse densità di corrente di cortocircuito (J ns ~ 28-30 mA/cm 2 ), " ha detto Tan. "Questi si trovano ben al di sotto del loro potenziale, e al di sotto delle prestazioni delle migliori celle di perovskite a giunzione singola a base di Pb."
La ragione principale delle scarse prestazioni osservate nelle celle solari in perovskite a banda stretta precedentemente sviluppate è che uno dei loro componenti chiave, noto come Sn 2+ , si ossida facilmente in Sn 4+ . Di conseguenza, il film cellulare risultante presenta elevate densità di trappole e brevi lunghezze di diffusione del vettore. Nel loro studio, Tan e i suoi colleghi volevano identificare soluzioni che potessero aiutare a superare questa limitazione.
"Il nostro obiettivo principale in questo lavoro è avviare una strategia per ampliare la diffusione delle celle solari in perovskite a banda stretta e quindi per ottenere celle solari tandem con prestazioni migliori, " Tan ha detto. "I posti vacanti di Sn sono in genere causati dall'incorporazione di Sn 4+ (un prodotto di Sn 2+ ossidazione) nelle perovskiti miste Pb-Sn. Abbiamo ritenuto che una nuova strategia per prevenire l'ossidazione di Sn 2+ nella soluzione precursore potrebbe migliorare notevolmente la lunghezza di diffusione del portatore di carica."
Tan e i suoi colleghi hanno introdotto un nuovo approccio chimico che potrebbe in definitiva migliorare le prestazioni dei PSC. Questo approccio si basa su una reazione di comproporzione che porta a sostanziali progressi nelle lunghezze di diffusione dei portatori di carica delle perovskiti miste Pb-Sn a banda stretta.
Gli approcci precedentemente proposti sono tutti caratterizzati da lunghezze di diffusione sub-micrometriche, che possono compromettere l'efficienza complessiva della cella. Nel loro lavoro, d'altra parte, Tan ei suoi colleghi hanno raggiunto una lunghezza di diffusione di 3 μm; un risultato notevole che consente celle Pb-Sn da record e celle tandem interamente perovskite.
"Abbiamo raggiunto questo obiettivo sviluppando una strategia di soluzione precursore a ridotto contenuto di stagno che restituisce il Sn 4+ (un prodotto di ossidazione di Sn 2+ ) torna a Sn 2+ attraverso una reazione di comproporzione nella soluzione precursore, " ha spiegato Tan.
L'ossidazione delle perovskiti contenenti stagno è stato un problema cruciale per lo sviluppo di celle solari con una componente di perovskite, in quanto può influire negativamente sulle loro prestazioni e quindi ostacolare la loro applicazione in una varietà di impostazioni. Il nuovo approccio chimico introdotto da Tan e dai suoi colleghi fornisce un percorso alternativo per fabbricare celle solari tandem utilizzando perovskite a banda stretta contenente stagno, che porta a cellule più stabili ed efficienti.
"Il nostro lavoro evidenzia anche che la qualità elettronica delle perovskiti contenenti stagno può essere paragonabile a quella delle perovskiti ad alogenuri di piombo che ha dimostrato un'efficienza simile alle celle di silicio cristallino, " Tan ha aggiunto. "Non abbiamo dubbi che il nostro approccio in tandem ci offrirà finalmente una strada molto economica, ma dispositivi solari altamente efficienti."
Nel loro studio, Tan e i suoi colleghi hanno usato il loro approccio chimico per fabbricare celle tandem monolitiche interamente in perovskite e poi hanno testato le loro prestazioni. Hanno scoperto che le loro celle tandem hanno ottenuto impressionanti PCE certificati in modo indipendente del 24,8 percento per dispositivi di piccola area (0,049 cm 2 ) e il 22,1 percento per i dispositivi di grande superficie (1,05 cm 2 ).
Inoltre, le celle hanno mantenuto il 90% delle loro prestazioni dopo aver funzionato per oltre 400 ore al loro punto di massima potenza sotto un'illuminazione solare completa. Nel futuro, l'approccio introdotto da questo team di ricercatori potrebbe favorire lo sviluppo di dispositivi a energia solare più efficienti ed economici.
"Ora abbiamo in programma di migliorare ulteriormente l'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari tandem interamente in perovskite oltre il 28%, " ha detto Tan. "Il primo modo possibile per raggiungere questo obiettivo sarà ridurre la perdita di fototensione nella cella solare a perovskite a banda larga. Un'altra possibilità è ridurre le perdite ottiche nella giunzione di ricombinazione del tunnel".
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