Il ricercatore post-dottorato Hao Chen mostra un prototipo di cella solare a perovskite invertita. Il team ha sfruttato la meccanica quantistica per migliorare sia la stabilità che l'efficienza di questa tecnologia solare alternativa. Credito:Bin Chen
Un team di ricercatori della Facoltà di scienze applicate e ingegneria dell'Università di Toronto ha sfruttato la meccanica quantistica per ottimizzare lo strato attivo all'interno di un dispositivo noto come cella solare a perovskite invertita, una tecnologia che un giorno potrebbe portare a celle solari per il mercato di massa che costano una frazione di quelli attualmente in commercio.
Attualmente, praticamente tutte le celle solari commerciali sono realizzate in silicio di elevata purezza, che richiede molta energia per essere prodotto. Ma i ricercatori di tutto il mondo stanno sperimentando tecnologie solari alternative che potrebbero essere prodotte e installate con meno energia ea un costo inferiore.
Una di queste alternative, che è allo studio nel laboratorio del Gruppo Sargent, è nota come perovskite. Il potere dei materiali perovskite deriva dalla loro struttura cristallina unica, che consente loro di assorbire la luce in uno strato molto sottile e convertirla in elettricità in modo efficiente.
"I cristalli di perovskite sono realizzati con un inchiostro liquido e rivestiti sulle superfici utilizzando una tecnologia già consolidata nell'industria come la stampa roll-to-roll", afferma Hao Chen, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Sargent e uno dei quattro co -autori principali di un nuovo articolo pubblicato su Nature Photonics .
"Per questo motivo, le celle solari in perovskite hanno il potenziale per essere prodotte in serie a un costo energetico molto inferiore rispetto al silicio. La sfida è che in questo momento le celle solari in perovskite ritardano la stabilità delle tradizionali celle di silicio. In questo studio, abbiamo mirato a colmare questo divario. "
Chen, insieme ai suoi co-autori principali, il dottorato di ricerca. il candidato Sam Teale e i ricercatori post-dottorato Bin Chen e Yi Hou stanno usando una strategia basata su una struttura a celle solari invertita.
Nella maggior parte dei prototipi di celle solari in perovskite, gli elettroni escono attraverso un elettrodo negativo nello strato inferiore della cella, con i "buchi" che lasciano dietro di sé escono attraverso un elettrodo positivo nella parte superiore.
L'inversione di questa disposizione consente l'uso di tecniche di produzione alternative e ricerche passate hanno dimostrato che queste possono migliorare la stabilità dello strato di perovskite. Ma il cambiamento ha un costo in termini di prestazioni.
"È difficile ottenere un buon contatto tra lo strato di perovskite e l'elettrodo superiore", afferma Chen. "Per risolvere questo problema, i ricercatori in genere inseriscono uno strato di passivazione fatto di molecole organiche. Funziona molto bene con l'orientamento tradizionale, perché i "buchi" possono passare proprio attraverso questo strato di passivazione. Ma gli elettroni sono bloccati da questo strato, quindi quando si inverte il cellulare diventa un grosso problema."
Il team ha superato questa limitazione sfruttando la meccanica quantistica:il principio fisico che afferma il comportamento dei materiali su scale di lunghezza molto ridotte è diverso da quello osservato su scale più grandi.
"Nel nostro prototipo di celle solari, le perovskiti sono confinate in uno strato estremamente sottile, alto solo da uno a tre cristalli", afferma Teale. "Questa forma bidimensionale ci consente di accedere alle proprietà associate alla meccanica quantistica. Possiamo controllare, ad esempio, quali lunghezze d'onda della luce assorbono le perovskiti o come si muovono gli elettroni all'interno dello strato".
Il team ha utilizzato per la prima volta una tecnica chimica stabilita da altri gruppi per produrre una superficie di perovskite bidimensionale in cima alla loro cella solare. Ciò ha consentito allo strato di perovskite di ottenere la passivazione da solo, eliminando del tutto la necessità dello strato organico.
Per superare l'effetto di blocco degli elettroni, il team ha aumentato lo spessore dello strato di perovskite da un cristallo di altezza a tre. Le simulazioni al computer avevano dimostrato che questo cambiamento avrebbe alterato il panorama energetico in modo sufficiente da consentire agli elettroni di fuggire in un circuito esterno, una previsione che è stata confermata in laboratorio.
L'efficienza di conversione della potenza delle celle del team è stata misurata al 23,9 percento, un livello che non si è attenuato dopo 1.000 ore di funzionamento a temperatura ambiente. Anche se sottoposto a un processo di invecchiamento accelerato standard del settore a temperature fino a 65°C, le prestazioni sono diminuite solo dell'8% dopo oltre 500 ore di utilizzo.
Il lavoro futuro si concentrerà sull'ulteriore aumento della stabilità delle cellule, anche a temperature ancora più elevate. Il team vorrebbe anche costruire celle con una superficie più ampia, poiché le celle attuali hanno una dimensione di soli cinque millimetri quadrati.
Tuttavia, i risultati attuali fanno ben sperare per il futuro di questa tecnologia solare alternativa.
"Nel nostro articolo, confrontiamo i nostri prototipi con celle solari a perovskite sia tradizionali che invertite che sono state recentemente pubblicate nella letteratura scientifica", afferma Teale.
"La combinazione di elevata stabilità e alta efficienza che abbiamo raggiunto si distingue davvero. Dobbiamo anche tenere presente che la tecnologia della perovskite ha solo un paio di decenni, mentre il silicio è stato lavorato per 70 anni. Ci sono ancora molti miglioramenti da fare venire." + Esplora ulteriormente
