Celle fotovoltaiche (PV), che può generare energia dal sole, potrebbe essere molto utile per affrontare l'attuale crisi ambientale. Celle fotovoltaiche in perovskite, celle fatte di semiconduttori di perovskite ad alogenuri metallici, si sono recentemente rivelate particolarmente promettenti, poiché i ricercatori sono riusciti a migliorare sostanzialmente le loro efficienze di conversione di potenza, dal 3,8% fino al 25,2%.

Le loro notevoli efficienze rendono le perovskiti uno dei principali contendenti nello sviluppo della prossima generazione di tecnologie fotovoltaiche processabili a bassa temperatura. Le celle fotovoltaiche in perovskite possono avere due principali archetipi di progettazione:la cosiddetta struttura regolare (n-i-p) e la struttura invertita (p-i-n). Finora, le celle con una struttura regolare hanno raggiunto le più alte efficienze di conversione di potenza, mentre quelli con struttura invertita hanno ottenuto tempi di funzionamento molto più lunghi.

I ricercatori della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) e dell'Università di Toronto sono stati recentemente in grado di ridurre il divario di efficienza osservato in precedenza tra le celle fotovoltaiche in perovskite con una struttura regolare e quelle con una struttura invertita. La loro carta, pubblicato in Energia della natura , introduce una nuova strategia di progettazione che ha permesso loro di fabbricare celle solari invertite con lunghe durate operative ed efficienze di conversione di potenza del 22,3%.

"Dispositivi fotovoltaici in perovskite con le più alte efficienze, che si basano sulla struttura regolare, devono incorporare droganti ionici nei loro materiali di trasporto delle lacune, " Xiaopeng Zheng, uno dei ricercatori coinvolti nello studio, ha detto a TechXplore. "Sbarazzandosi di questi droganti instabili, i dispositivi fotovoltaici invertiti hanno contribuito ai progressi nella stabilità operativa della tecnologia. Sfortunatamente, le efficienze di conversione di potenza del fotovoltaico a perovskite invertita sono significativamente inferiori a quelle dei normali dispositivi strutturati (20,9% contro 25,2%)."

Secondo Zheng, affinché le tecnologie fotovoltaiche perovskite abbiano un reale impatto commerciale e ambientale, i ricercatori dovranno prima assicurarsi di eccellere sia nella stabilità operativa che nell'efficienza di conversione dell'energia. La strategia di progettazione che ha sviluppato in collaborazione con i suoi colleghi della KAUST e dell'Università di Toronto potrebbe aiutare a raggiungere questo obiettivo migliorando le proprietà strutturali e optoelettroniche dei materiali di perovskite che vengono generalmente utilizzati per realizzare dispositivi fotovoltaici.

Zheng e i suoi colleghi hanno aggiunto una traccia di ligandi di alchilammina di ancoraggio superficiale (AAL) con diverse lunghezze di catena al loro materiale perovskite. Questo ha permesso loro di alterare alcune delle proprietà del materiale, portando a efficienze di conversione della potenza più elevate rispetto a quelle tipicamente osservate nelle celle solari fotovoltaiche in perovskite con una struttura invertita.

"Abbiamo scoperto che solo una traccia di alchilammina durante la lavorazione era sufficiente per alterare le proprietà del materiale perovskite nei seguenti modi vantaggiosi:(i) promuovere l'orientamento dei grani di cristallo; (ii) sopprimere la densità dello stato di trappola; (iii) ridurre il portatore di carica ricombinazione non radiativa (cioè perdita), oltre a migliorare la mobilità dei portatori e le lunghezze di diffusione; (iv) inibire la migrazione ionica nella perovskite, "Yi Hou, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a TechXplore.

I film di perovskite modificata dalla superficie AAL utilizzati da Zheng, Hou e i loro colleghi mostrano un orientamento (100) e una densità di stati trappola sostanzialmente inferiore rispetto ai film non modificati. Presentano anche mobilità dei portatori e lunghezze di diffusione migliorate, che si traducono in dispositivi con un'efficienza di conversione di potenza stabilizzata certificata del 22,3%.

"I fotovoltaici in perovskite sono una tecnologia giovane e hanno ancora spazio per migliorare la loro stabilità per avvicinarsi ad altre tecnologie fotovoltaiche consolidate, come c-Si e film sottili a base inorganica, "Ted Sargent, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a TechXplore. "Abbiamo sostanzialmente ridotto il divario di efficienza tra i dispositivi invertiti e i dispositivi normali utilizzando solo tracce di alchilammina come modificatori del grano e dell'interfaccia".

I ricercatori hanno scoperto che le celle solari in perovskite create utilizzando il loro approccio possono funzionare per oltre 1, 000h al punto di massima potenza sotto un'illuminazione AM1.5 simulata, senza alcuna perdita di efficienza. Nel futuro, la strategia di progettazione che hanno introdotto potrebbe avvicinare i materiali di perovskite a soddisfare le impegnative condizioni richieste per la commercializzazione delle celle solari.

"Per la fase successiva della nostra ricerca, esamineremo i modi per produrre PV di perovskite, per realizzare dispositivi di grandi dimensioni senza rinunciare a prestazioni elevate e affidabilità, " Osman Bakr, un altro dei ricercatori coinvolti nello studio, ha detto a TechXplore.

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