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Uno studio pubblicato il 10 agosto su Nature suggerisce che una cella solare in perovskite sviluppata dagli ingegneri dell'Università della California di San Diego avvicina i ricercatori alla rottura del tetto dell'efficienza delle celle solari. .
La nuova cella solare è un materiale di perovskite a bassa dimensione senza piombo con una struttura cristallina a superreticolo, la prima nel campo. La particolarità di questo materiale è che mostra una dinamica portante efficiente in tre dimensioni e l'orientamento del dispositivo può essere perpendicolare agli elettrodi. I materiali in questa particolare classe di perovskiti finora hanno mostrato tali dinamiche solo in due dimensioni:una cella solare orientata perpendicolarmente non è mai stata segnalata.
Grazie alla sua struttura specifica, questo nuovo tipo di cella solare superlattice raggiunge un'efficienza del 12,36%, che è la più alta riportata per le celle solari a perovskite a bassa dimensione senza piombo (l'efficienza del precedente detentore del record è dell'8,82%). La nuova cella solare ha anche un'insolita tensione a circuito aperto di 0,967 V, che è superiore al limite teorico di 0,802 V. Entrambi i risultati sono stati certificati in modo indipendente.
La tensione a circuito aperto è una proprietà della cella solare che contribuisce alla sua efficienza, quindi questa nuova cella solare "potrebbe avere il potenziale per infrangere il limite di efficienza teorica delle attuali celle solari", ha affermato l'autore senior dello studio Sheng Xu, professore di nanoingegneria presso l'UC San Diego. "Questo potrebbe un giorno permetterci di ottenere una maggiore efficienza con più elettricità dai pannelli solari esistenti o generare la stessa quantità di elettricità da pannelli solari più piccoli a costi inferiori."
I ricercatori ipotizzano che il miglioramento della tensione a circuito aperto del materiale possa essere attribuito a un nuovo meccanismo fisico che chiamano rilassamento della portante intrabanda. L'esclusiva struttura a superreticolo del materiale consente a diversi componenti della cella solare di integrarsi nella direzione verticale, creando una struttura a doppia banda su scala atomica. Sotto la luce, gli elettroni eccitati potrebbero rilassarsi da un componente (regione di bandgap più piccola) a un altro componente (regione di bandgap più grande) prima di equilibrarsi per alterare i livelli di fermi nella cella solare del superreticolo. Ciò contribuisce a una maggiore tensione a circuito aperto. È stato verificato che questo processo è correlato al potenziale incorporato nella cella solare superlattice. I ricercatori riconoscono anche che ci sono altri possibili meccanismi che si verificano nella struttura unica del superreticolo che potrebbero contribuire alla sua tensione a circuito aperto insolitamente alta.
Per creare la nuova cella solare di perovskite a bassa dimensione senza piombo, i ricercatori hanno utilizzato tecniche di epitassia chimica per fabbricare una rete di cristalli superlattice. La struttura della rete è unica in quanto consiste di pozzi quantici di perovskite allineati verticalmente e incrociati. Questa struttura incrociata rende la dinamica del vettore del materiale, che include mobilità degli elettroni, durata e percorsi di conduzione in tutte e tre le dimensioni, più efficiente del semplice avere più pozzi quantici. Queste tecniche possono essere potenzialmente utilizzate per creare superreticoli di perovskite di diverse composizioni.
"Questo superreticolo di perovskite dimostra prestazioni di trasporto del vettore senza precedenti che molti ricercatori nel campo hanno sognato", ha affermato Yusheng Lei, l'autore principale di questo articolo, che era un dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Xu alla UC San Diego e ora è ricercatore post-dottorato alla Stanford University.
Il superlattice consiste in una separazione di fase nanoingegnerizzata tra Bi 3+ regioni Sn-I legate e intatte in pozzi quantistici multipli allineati verticalmente. Questa composizione crea variazioni dei componenti sulla scala atomica, che a loro volta consentono ai vettori caldi di attraversare rapidamente l'interfaccia eterostrutturale a più pozzi quantici prima che si rilassino, un'impresa che di solito è impossibile da raggiungere, hanno spiegato i ricercatori. Qui, è possibile a causa della breve lunghezza di diffusione richiesta per attraversare l'interfaccia eterostrutturale.
"Questo lavoro apre molte nuove interessanti potenzialità per la classe dei materiali di perovskite a bassa dimensione senza piombo", ha affermato Xu. Andando avanti, il team lavorerà per ottimizzare e aumentare il processo di fabbricazione per realizzare i cristalli superlattice, che attualmente è ancora laborioso e impegnativo. Xu spera di coinvolgere partner nel settore delle celle solari per standardizzare il processo. + Esplora ulteriormente
