I ricercatori dell'Università di Toronto Engineering e della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) hanno superato un ostacolo chiave nel combinare l'emergente tecnologia di raccolta solare delle perovskiti con il gold standard commerciale:le celle solari al silicio. Il risultato è una cella solare tandem altamente efficiente e stabile, uno dei più performanti segnalati fino ad oggi.

"Oggi, le celle solari al silicio sono più efficienti e meno costose che mai, "dice il professor Ted Sargent, autore senior di un nuovo articolo pubblicato oggi in Scienza . "Ma ci sono limiti all'efficienza del silicio da solo. Siamo concentrati sul superamento di questi limiti utilizzando un approccio tandem (a due strati)."

Come il silicio, i cristalli di perovskite possono assorbire l'energia solare per eccitare gli elettroni che possono essere incanalati in un circuito. Ma a differenza del silicio, le perovskiti possono essere miscelate con il liquido per creare un "inchiostro solare" che può essere stampato sulle superfici.

L'approccio di produzione basato sull'inchiostro, noto come elaborazione della soluzione, è già ben consolidato nel settore della stampa, e quindi ha il potenziale per ridurre i costi di produzione delle celle solari.

"L'aggiunta di uno strato di cristalli di perovskite sopra il silicio testurizzato per creare una cella solare in tandem è un ottimo modo per migliorarne le prestazioni, "dice Yi Hou, borsista post-dottorato e autore principale del nuovo articolo. "Ma l'attuale standard del settore si basa su wafer, sottili fogli di silicio cristallino, che non sono stati progettati con questo approccio in mente".

Sebbene possano sembrare lisci, i wafer di silicio standard utilizzati per le celle solari presentano minuscole strutture piramidali alte circa due micrometri. La superficie irregolare riduce al minimo la quantità di luce che si riflette sulla superficie del silicio e aumenta l'efficienza complessiva, ma rende anche difficile rivestire uno strato uniforme di perovskite sulla parte superiore.

"La maggior parte delle precedenti celle tandem sono state realizzate lucidando prima la superficie del silicio per renderla liscia, e poi aggiungendo lo strato di perovskite, " dice Hou. "Funziona, ma a costi aggiuntivi».

Hou e il resto della squadra, inclusi Sargent e il professor Stefaan De Wolf della KAUST, hanno adottato un approccio diverso. Hanno aumentato lo spessore dello strato di perovskite, rendendolo abbastanza alto da coprire sia le cime che le valli create dalle strutture piramidali.

Il team ha scoperto che le perovskiti nelle valli generavano un campo elettrico che separa gli elettroni generati nello strato di perovskite da quelli generati nello strato di silicio. Questo tipo di separazione di carica è vantaggioso perché aumenta le possibilità che le cariche eccitate fluiscano nel circuito piuttosto che in altre parti della cella.

Il team ha ulteriormente migliorato la separazione di carica rivestendo i cristalli di perovskite in uno "strato di passivazione" composto da 1-butanetiolo, una comune sostanza chimica industriale.

Le celle solari tandem hanno raggiunto un'efficienza del 25,7%, come certificato da un ente indipendente, laboratorio esterno, l'Istituto Fraunhofer per l'energia solare di Friburgo, Germania. Questa è tra le più alte efficienze mai riportate per questo tipo di design. Erano anche stabili, resiste a temperature fino a 85 gradi Celsius per più di 400 ore senza una significativa perdita di prestazioni.

"Il fatto che possiamo fare tutto questo senza modificare il silicio lo rende una soluzione drop-in, " dice Hou. "L'industria può applicare questo senza dover apportare costose modifiche ai processi esistenti".

Hou e il team stanno continuando a lavorare per migliorare il design, compreso l'aumento della stabilità fino a 1, 000 ore, un punto di riferimento del settore.

"Siamo molto orgogliosi delle prestazioni da record che questa collaborazione è stata in grado di raggiungere, ma questo è solo l'inizio, " dice Hou. "Superando una limitazione fondamentale nelle celle solari tandem, abbiamo preparato il terreno per guadagni ancora più grandi".

"Il nostro approccio apre le porte all'industria del silicio-fotovoltaico per sfruttare appieno i grandi progressi che la tecnologia perovskite ha fatto finora, ", afferma De Wolf. "Questo può portare sul mercato pannelli fotovoltaici con prestazioni più elevate a basso costo".