Ricerca guidata da un dottorato di ricerca della Brown University. studente ha rivelato un nuovo modo per realizzare pellicole di perovskite che assorbono la luce da utilizzare nelle celle solari.

Il nuovo metodo prevede un bagno di solvente a temperatura ambiente per creare cristalli di perovskite, piuttosto che l'esplosione di calore utilizzata negli attuali metodi di cristallizzazione. Uno studio pubblicato sulla Royal Society of Chemistry's Journal of Materials Chemistry A mostra che la tecnica produce film cristallini di alta qualità con un controllo preciso sullo spessore su ampie aree, e potrebbe indicare la strada verso metodi di produzione di massa per le celle di perovskite.

perovskiti, una classe di materiali cristallini, hanno suscitato molto scalpore nel mondo dell'energia pulita. I film di perovskite sono eccellenti assorbitori di luce e sono molto più economici da realizzare rispetto ai wafer di silicio utilizzati nelle celle solari standard. L'efficienza delle celle di perovskite, la percentuale di luce solare convertita in elettricità, è aumentata a un ritmo impressionante in pochi anni. Le prime celle di perovskite introdotte nel 2009 hanno gestito un'efficienza di solo il 4% circa, ben lungi dall'efficienza del 25% vantata dalle celle al silicio standard. Ma lo scorso anno le celle di perovskite erano state certificate come aventi un'efficienza superiore al 20%. Quel rapido miglioramento delle prestazioni è promettente, e i ricercatori stanno correndo per iniziare a utilizzare le celle di perovskite in prodotti commerciali.

Ci sono diversi modi per realizzare i film, ma quasi tutti richiedono calore. Le sostanze chimiche precursori della perovskite vengono disciolte in una soluzione, che viene poi rivestito su un substrato. Il calore viene applicato per rimuovere il solvente, lasciando che i cristalli di perovskite si formino in un film attraverso il substrato.

"Le persone hanno realizzato buoni film su aree relativamente piccole, una frazione di centimetro quadrato circa. Ma hanno dovuto raggiungere temperature da 100 a 150 gradi Celsius, e che il processo di riscaldamento causa una serie di problemi, " disse Nitin Padture, professore di ingegneria e direttore dell'Istituto per l'innovazione molecolare e su nanoscala.

Per esempio, i cristalli spesso si formano in modo non uniforme quando trattati termicamente, lasciando piccoli fori nel film. In una cella solare, quei fori possono ridurre l'efficienza. Il calore limita anche i substrati su cui si possono depositare i film. Substrati plastici flessibili, Per esempio, non possono essere utilizzati perché danneggiati dalle alte temperature.

Yuanyuan Zhou, uno studente laureato nel laboratorio di Padture, volevo vedere se c'era un modo per realizzare film sottili di cristallo di perovskite senza dover applicare calore. Ha inventato quello che è noto come un approccio di estrazione con solvente-solvente (SSE).

Nel suo metodo, i precursori della perovskite vengono disciolti in un solvente chiamato NMP e rivestiti su un substrato. Quindi, invece di riscaldare, il substrato viene immerso in dietil etere (DEE), un secondo solvente che cattura selettivamente il solvente NMP e lo porta via. Ciò che resta è un film ultra-liscio di cristalli di perovskite.

Poiché non è previsto il riscaldamento, i cristalli possono essere formati praticamente su qualsiasi substrato, anche su substrati polimerici sensibili al calore utilizzati nel fotovoltaico flessibile. Un altro vantaggio è che l'intero processo di cristallizzazione SSE richiede meno di due minuti, rispetto a un'ora o più per il trattamento termico. Ciò rende il processo più suscettibile alla produzione di massa perché può essere eseguito in un tipo di processo da catena di montaggio.

L'approccio SSE consente inoltre di realizzare film molto sottili mantenendo un'elevata qualità. I film di perovskite standard hanno generalmente uno spessore dell'ordine di 300 nanometri. Ma Zhou è stato in grado di realizzare pellicole di alta qualità sottili fino a 20 nanometri. I film SSE potrebbero anche essere ingranditi, diversi centimetri quadrati, senza generare fori.

"Utilizzando gli altri metodi, quando lo spessore scende sotto i 100 nanometri difficilmente si riesce a coprire completamente il film, " Zhou ha detto. "Puoi fare un film, ma ottieni un sacco di buchi di spillo. Nel nostro processo, puoi formare il film in modo uniforme fino a 20 nanometri perché la cristallizzazione a temperatura ambiente è molto più equilibrata e avviene immediatamente su tutto il film dopo il bagno."

Quelle pellicole ultrasottili sono parzialmente trasparenti (le pellicole di spessore standard sono nere e opache), quindi potrebbero essere utilizzati per realizzare finestre fotovoltaiche, dicono i ricercatori. E modificando la composizione della soluzione del precursore della perovskite, Zhou è stato in grado di creare cellule di diversi colori.

"Potrebbero essere usati per scopi decorativi, finestre integrate nell'edificio che possono produrre energia, "Ha detto Padrino.

Il gruppo prevede di lavorare di più per perfezionare il processo, ma sono incoraggiati dai primi risultati. Lavorando con gli scienziati del National Renewable Energy Laboratory in Colorado, i test iniziali su celle realizzate con film SSE hanno mostrato un'efficienza di conversione di oltre il 15%. Le celle solari basate su pellicole semitrasparenti da 80 nanometri realizzate utilizzando il processo hanno dimostrato di avere un'efficienza maggiore rispetto a qualsiasi altra pellicola ultrasottile.

"Pensiamo che questo potrebbe essere un passo significativo verso una varietà di prodotti di cellule di perovskite disponibili in commercio, "Ha detto Padrino.