I portatori di carica gratuiti nelle celle solari di perovskite hanno probabilmente una forma speciale di protezione dalla ricombinazione, lo hanno scoperto i ricercatori del Forschungszentrum Jülich mediante misurazioni innovative della fotoluminescenza.
Altamente efficienti e relativamente poco costose da produrre, le celle solari alla perovskite sono state oggetto di ripetute sorprese negli ultimi anni. Gli scienziati del Forschungszentrum Jülich hanno ora scoperto un'altra caratteristica speciale delle cellule utilizzando una nuova tecnica di misurazione della fotoluminescenza.
Hanno scoperto che la perdita dei portatori di carica in questo tipo di cella segue leggi fisiche diverse da quelle conosciute per la maggior parte dei semiconduttori. Questo potrebbe essere uno dei motivi principali del loro elevato livello di efficienza. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Materials .
Le celle solari in perovskite sono considerate molto promettenti per il fotovoltaico, anche se la loro stabilità lascia molto a desiderare. Celle di questo tipo sono poco costose da stampare e molto efficienti. Nell'ultimo decennio la loro efficienza è raddoppiata superando il 25% e attualmente è pari a quella delle tradizionali celle solari in silicio. Ulteriori miglioramenti sembrano possibili anche in futuro.
"Un fattore importante qui è la questione di quanto tempo i portatori di carica eccitati rimangono nel materiale, in altre parole la loro durata", spiega Thomas Kirchartz. "Comprendere i processi è fondamentale per migliorare ulteriormente l'efficienza delle celle solari a base di perovskite." L'ingegnere elettrico è a capo di un gruppo di lavoro sulle celle solari organiche e ibride presso l'Istituto di ricerca sull'energia e sul clima (IEK-5) del Forschungszentrum Jülich.
In una cella solare, gli elettroni vengono spostati dai fotoni e portati ad un livello energetico più elevato dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Solo allora potranno muoversi più liberamente e fluire attraverso un circuito esterno. Possono contribuire alla generazione di energia elettrica solo se la loro durata è sufficientemente lunga da consentire loro di passare attraverso il materiale assorbente fino al contatto elettrico. Un elettrone eccitato lascia anche un buco nella banda di valenza sottostante, uno spazio vuoto mobile che può essere spostato attraverso il materiale come un portatore di carica positiva.
Sono soprattutto i difetti del reticolo cristallino a far sì che gli elettroni eccitati ricadano rapidamente a livelli energetici più bassi. Gli elettroni interessati non sono quindi più in grado di contribuire al flusso di corrente. "Questo meccanismo è noto anche come ricombinazione ed è il principale processo di perdita di ogni cella solare", afferma Kirchartz.
Nessuna cella solare è perfetta a livello atomico; ognuno presenta diversi tipi di difetti dovuti al processo di fabbricazione. Questi difetti o atomi estranei nella struttura reticolare sono i punti di raccolta dove elettroni e lacune tendono a riunirsi. Gli elettroni poi ricadono nella banda di valenza e diventano inutili in termini di produzione di elettricità.
"In precedenza si era ipotizzato che la ricombinazione fosse innescata prevalentemente da difetti che si trovano energeticamente nel mezzo tra le bande di valenza e di conduzione. Questo perché questi difetti profondi sono accessibili anche agli elettroni eccitati e alle loro controparti, le lacune", spiega Kirchartz. In effetti, questo è probabilmente vero per la maggior parte dei tipi di celle solari.
Tuttavia, Kirchartz e il suo team hanno ora smentito questa ipotesi per le celle solari in perovskite e hanno dimostrato che i difetti superficiali sono in definitiva decisivi in termini della loro efficienza finale. A differenza dei difetti profondi, non si trovano al centro della banda proibita, ma molto vicino alla banda di valenza o di conduzione.
"La causa di questo comportamento insolito non è stata ancora del tutto chiarita", aggiunge Kirchartz. "È ragionevole supporre che in questi materiali semplicemente non possano esistere difetti profondi. Questa limitazione potrebbe anche essere una delle ragioni dell'efficienza particolarmente elevata delle celle."
L'osservazione è stata resa possibile solo da innovative misurazioni di fotoluminescenza transitoria. Nelle misurazioni precedenti non era possibile distinguere i processi di perdita causati da difetti superficiali da quelli causati da altri fattori.
Il nuovo metodo di misurazione sviluppato da Thomas Kirchartz e dal suo team presso il Forschungszentrum Jülich fornisce dati con un intervallo dinamico notevolmente maggiore rispetto alla tecnologia convenzionale, ovvero dati su un intervallo di misurazione più ampio e con una migliore gradazione fine. Il processo si basa su un principio simile alle immagini HDR con qualità ad alta gamma dinamica. La gamma dinamica della fotocamera viene aumentata sovrapponendo diverse immagini o misurazioni, in questo caso segnali con diversi livelli di amplificazione, per creare un set di dati.
Ulteriori informazioni: Ye Yuan et al, Difetti superficiali e tempi di decadimento della fotoluminescenza variabili fino a 280 µs in perovskiti a triplo catione, Materiali naturali (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01771-2
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito da Forschungszentrum Juelich
