I ricercatori della Tokai University riferiscono in Nano lettere uno studio sistematico sugli effetti che l'utilizzo di diverse forme di ossido di titanio nelle celle solari planari di perovskite ha sulle prestazioni dei dispositivi.

celle solari perovskite, con un'efficienza di conversione di potenza massima attuale del 23 percento, sono molto promettenti per la produzione di energia fotovoltaica attraverso dispositivi facili ed economici da fabbricare. Le celle planari sono composte da uno strato costituito da un materiale che raccoglie la luce con una struttura che va sotto il nome di perovskite e che è spesso un materiale ibrido organico-inorganico. In questo strato, la luce assorbita genera portatori di carica, elettroni e lacune, che vengono poi raccolti, rispettivamente, in uno strato di trasporto di elettroni e in un materiale di trasporto di lacune, che racchiudono lo strato di perovskite. Questi due strati sono a loro volta ricoperti da elettrodi, uno dei quali è trasparente per far entrare la luce nel dispositivo. Migliorare le prestazioni di ciascuno di questi elementi è importante per massimizzare l'efficienza della cella solare.

Md. Shahiduzzaman, Masao Isomura, Koji Tomita e colleghi dell'università di Tokai hanno concentrato la loro attenzione in particolare sullo strato di trasporto degli elettroni. Il materiale di scelta per questo componente è spesso l'ossido di titanio, la cui struttura elettronica facilita la raccolta di elettroni dallo strato di perovskite. L'ossido di titanio ha diversi polimorfi cristallini tra cui anatasio, brookite, e rutilo. Hanno strutture e proprietà diverse e le loro morfologie distinte influenzano la qualità dello strato di perovskite, quindi la scelta del polimorfo influenza le prestazioni complessive della cella solare, e comprendere questa influenza è importante per ottimizzare l'efficienza dei dispositivi. In questo lavoro, gli autori si sono concentrati sulle forme anatasio e brookite dell'ossido di titanio. Anatasio è economico, trasparente e facile da integrare nella cella solare ed è quindi una scelta comune per lo strato di trasporto degli elettroni, ma la brookite ha proprietà elettroniche promettenti che potrebbero portare a una migliore efficienza della cella solare, e non è stato ancora ampiamente esplorato.

Gli autori hanno utilizzato una tecnica a bassa temperatura e rispettosa dell'ambiente per preparare nanoparticelle di brookite altamente conduttive e monocristalline che hanno usato per produrre strati di trasporto di elettroni eterofase anatasio-brookite e brookite-anatasi, così come strati basati su anatasio e brookite monofase. Per confrontare le prestazioni dei vari strati di trasporto degli elettroni, i ricercatori hanno misurato la loro morfologia, caratteristiche ottiche e strutturali, valutato l'interfaccia tra gli strati e la perovskite, e infine ha misurato le prestazioni delle celle solari risultanti.

Hanno scoperto che l'uso della brookite monofase ha portato a un'efficienza energetica del 14,92 percento, le prestazioni più elevate finora riportate per questo tipo di strato di trasporto di elettroni. Gli strati eterofase hanno portato a prestazioni fino al 16,82% per la fase anatasio-brookite. Come commentano gli autori, "Il presente lavoro presenta una strategia efficace mediante la quale sviluppare strati di trasporto di elettroni a giunzione eterofase e manipolare la banda di energia interfacciale per migliorare ulteriormente le prestazioni delle celle solari planari in perovskite e consentire la fabbricazione pulita ed ecologica della produzione di massa a basso costo. "

Celle solari planari in perovskite

Su un lato della cella solare c'è il primo elettrodo, un ossido conduttivo trasparente, tipicamente ossido di stagno drogato con fluoro (FTO) o ossido di indio e stagno (ITO), seguito da uno strato di trasporto di elettroni. Sopra c'è lo strato che assorbe la luce in materiale perovskite, un materiale con una formula chimica ABX3, dove A e B indicano due ioni carichi positivamente, e X uno ione caricato negativamente -, poi un materiale di trasporto del foro e infine il secondo elettrodo, che è comunemente fatto d'oro, argento o carbonio. Lo strato di trasporto degli elettroni non è sempre presente, ma facilita il trasporto di elettroni all'elettrodo e quindi generalmente migliora l'efficienza e la stabilità del dispositivo.

Efficienza di conversione dell'energia e come viene misurata

L'efficienza di conversione dell'energia è la frazione di energia incidente dal sole che viene convertita in elettricità. Le condizioni in cui si misura l'efficienza devono essere attentamente controllate, perché l'efficienza dipende non solo dalle proprietà della cella solare, ma anche sullo spettro e sull'intensità della luce solare incidente e sulla temperatura. Nel laboratorio, le celle solari sono testate a 25 °C tenendo conto del fatto che la luce solare viene attenuata dall'atmosfera prima di raggiungere la superficie terrestre (tecnicamente si dice che un coefficiente di massa d'aria di 1,5, AM1.5, viene utilizzato).