Le celle solari sono dispositivi che assorbono i fotoni dalla luce solare e convertono la loro energia per spostare gli elettroni, consentendo la produzione di energia pulita e fornendo un percorso affidabile per aiutare a combattere il cambiamento climatico. Ma la maggior parte delle celle solari ampiamente utilizzate oggi sono spesse, fragile e rigido, che limita la loro applicazione su superfici piane e aumenta il costo per realizzare la cella solare.

Le "celle solari a film sottile" potrebbero essere 1/100 dello spessore di un pezzo di carta e abbastanza flessibili da decorare superfici che vanno da un'auto aerodinamicamente elegante ai vestiti. Per realizzare celle solari a film sottile, gli scienziati stanno andando oltre i "classici" composti a semiconduttore, come arseniuro di gallio o silicio, e lavorare invece con altri composti per la raccolta della luce che hanno il potenziale per essere più economici e più facili da produrre in serie. I composti potrebbero essere ampiamente adottati se potessero funzionare così come la tecnologia odierna.

In un articolo pubblicato online questa primavera sulla rivista Fotonica della natura , scienziati dell'Università di Washington riferiscono che un prototipo di film sottile semiconduttore ha prestazioni persino migliori dei migliori materiali per celle solari di oggi nell'emissione di luce.

"Può sembrare strano dal momento che le celle solari assorbono la luce e la trasformano in elettricità, ma i migliori materiali per celle solari sono anche ottimi per emettere luce, " ha detto il co-autore e professore di ingegneria chimica della UW Hugh Hillhouse, che è anche membro di facoltà sia del Clean Energy Institute dell'UW che del Molecular Engineering &Sciences Institute. "Infatti, in genere più efficientemente emettono luce, più tensione generano."

Il team UW ha ottenuto prestazioni record con questo materiale, nota come perovskite ad alogenuro di piombo, trattandolo chimicamente attraverso un processo noto come "passivazione superficiale, " che tratta le imperfezioni e riduce la probabilità che i fotoni assorbiti vadano sprecati anziché convertiti in energia utile.

"Un grosso problema con le celle solari in perovskite è che troppa luce solare assorbita stava finendo come calore sprecato, elettricità non utile, " ha detto il co-autore David Ginger, un professore di chimica UW e capo scienziato alla CEI. "Speriamo che strategie di passivazione superficiale come questa contribuiranno a migliorare le prestazioni e la stabilità delle celle solari in perovskite".

I team di Ginger e Hillhouse hanno lavorato insieme per dimostrare che la passivazione superficiale delle perovskiti ha notevolmente aumentato le prestazioni a livelli che renderebbero questo materiale tra i migliori per le celle solari a film sottile. Hanno sperimentato una varietà di prodotti chimici per la passivazione superficiale prima di trovarne uno, un composto organico noto con l'acronimo TOPO, che ha aumentato le prestazioni della perovskite a livelli che si avvicinano ai migliori semiconduttori di arseniuro di gallio.

"Il nostro team all'UW è stato uno dei primi a identificare i difetti che limitano le prestazioni sulle superfici dei materiali in perovskite, e ora siamo entusiasti di aver scoperto un modo efficace per ingegnerizzare chimicamente queste superfici con molecole TOPO, " ha detto il co-autore Dane de Quilettes, un ricercatore post-dottorato presso il Massachusetts Institute of Technology che ha condotto questa ricerca come studente di dottorato in chimica UW. "All'inizio, siamo rimasti davvero sorpresi di scoprire che i materiali passivati ​​sembravano essere buoni quanto l'arseniuro di gallio, che detiene il record di efficienza delle celle solari. Quindi, per ricontrollare i nostri risultati, abbiamo ideato alcuni approcci diversi per confermare i miglioramenti nella qualità del materiale perovskite".

DeQuilettes e il co-autore Ian Braly, che ha condotto questa ricerca come studente di dottorato in ingegneria chimica, hanno mostrato che il trattamento con TOPO di un semiconduttore di perovskite ha avuto un impatto significativo sull'efficienza quantistica della fotoluminescenza sia interna che esterna, metriche utilizzate per determinare quanto un materiale semiconduttore è bravo a utilizzare l'energia di un fotone assorbito piuttosto che perderla sotto forma di calore. Il trattamento TOPO della perovskite ha aumentato di dieci volte l'efficienza quantica della fotoluminescenza interna, dal 9,4% a quasi il 92 percento.

"Le nostre misurazioni che osservano l'efficienza con cui le perovskiti ibride passivate assorbono ed emettono luce mostrano che non ci sono difetti materiali intrinseci che impediscono ulteriori miglioramenti delle celle solari, " disse Braly. "Inoltre, adattando gli spettri di emissione a un modello teorico, abbiamo dimostrato che questi materiali possono generare tensioni al 97 percento del massimo teorico, pari al record mondiale di celle solari all'arseniuro di gallio e molto più alto delle celle al silicio record che raggiungono solo l'84 percento."

Questi miglioramenti nella qualità dei materiali sono teoricamente previsti per consentire all'efficienza di conversione della potenza da luce a elettricità di raggiungere il 27,9 percento sotto normali livelli di luce solare, che spingerebbe il record fotovoltaico a base di perovskite oltre i migliori dispositivi al silicio.

Il prossimo passo per le perovskiti, i ricercatori hanno detto, consiste nel dimostrare una passivazione chimica simile compatibile con elettrodi facilmente fabbricabili, nonché sperimentare altri tipi di passivazione superficiale.

"Le perovskiti hanno già dimostrato un successo senza precedenti nei dispositivi fotovoltaici, ma c'è così tanto spazio per ulteriori miglioramenti, " ha detto deQuilettes. "Qui pensiamo di aver fornito un percorso in avanti per la comunità per sfruttare meglio l'energia del sole."