Un team di ricercatori, affiliato con l'UNIST ha escogitato un nuovo elettrodo che potrebbe migliorare notevolmente la stabilità delle celle solari a perovskite (PSC), il candidato più promettente per le celle solari di nuova generazione grazie al loro basso costo e all'elevata efficienza di conversione della potenza. Questo perché l'inserimento di uno strato di protezione tra l'elettrodo a base di metallo e il film di perovskite può prevenire la degradazione indotta dal metallo e il grafene, come tale strato, può sopprimere efficacemente la diffusione di metalli e ioni alogenuri.

Questa svolta è stata guidata dal professor Hyesung Park e dal suo team di ricerca presso la School of Energy and Chemical Engineering dell'UNIST. Nel loro lavoro, il team di ricerca ha sviluppato una piattaforma di elettrodi ibridi basata su griglia metallica flessibile utilizzando un film di poliimmide (CEP) incorporato nella griglia di Cu con un foglio di grafene come strato di protezione (GCEP), che ha mostrato un'elevata conduttività elettrica, eccellente stabilità chimica e durata meccanica. Lo sviluppo dimostra il ruolo critico del grafene come strato di protezione per prevenire la degradazione indotta dal metallo e la diffusione di alogenuri tra l'elettrodo e lo strato di perovskite.

Gli elettrodi a base di ossido di metallo (ITO) sono stati utilizzati come elettrodi conduttori trasparenti convenzionali, ma la loro inflessibilità fa sì che si rompano o si rompano facilmente, rendendoli quindi inadatti alle applicazioni dei dispositivi indossabili. In particolare, il principale ostacolo all'applicazione degli elettrodi conduttivi trasparenti a base di metallo (TCE) nei PSC è la degradazione indotta dall'interdiffusione di metalli e ioni alogenuro tra l'elettrodo metallico e lo strato di perovskite.

I ricercatori hanno risolto il problema inserendo un foglio di grafene come strato di protezione nell'interfaccia elettrodo metallico/strato di perovskite. Il grafene ha un'elevata conduttività elettrica, che consente agli elettroni di muoversi facilmente attraverso di essa. Però, l'ottima impermeabilità del grafene impedisce la permeazione anche della più piccola molecola.

"Il grafene può essere un'efficace barriera alla diffusione se combinato con nanostrutture metalliche aventi un'eccezionale impermeabilità alla diffusione di ioni metallici e alogenuri all'interfaccia elettrodo metallico/strato di perovskite, una maggiore raccolta di carica attraverso le distanze dei vuoti delle nanostrutture metalliche, perdita minima di trasmittanza ottica come strato di protezione grazie alla sua elevata trasparenza ottica, e miglioramento della durata meccanica dell'elettrodo ibrido, " ha osservato il gruppo di ricerca.

I ricercatori hanno utilizzato questo elettrodo ibrido trasparente e flessibile per fabbricare PSC metallici flessibili basati su TCE, ottenere una buona stabilità chimica e meccanica. Questo dispositivo ha raggiunto un elevato PCE (16,4%) paragonabile a quello della sua controparte rigida basata su ITO (17,5%). Hanno anche verificato il ruolo dello strato di grafene nell'assicurare la stabilità chimica delle celle solari prevenendo l'interdiffusione di ioni metallici e alogenuri. Inoltre, l'elettrodo GCEP ha migliorato la fotostabilità del PSC bloccando la luce ultravioletta (UV) e quasi UV. Ha inoltre mantenuto oltre il 97,5% dell'efficienza iniziale anche dopo 1, 000 ore. Inoltre, dopo 5, 000 prove di flessione, ha mostrato un'ottima durabilità meccanica come il mantenimento del 94% dell'efficienza iniziale, e quindi era applicabile ai dispositivi indossabili di nuova generazione.

"Questo documento dimostra che l'inserimento di uno strato di protezione tra l'elettrodo a base di metallo e il film di perovskite potrebbe prevenire la degradazione indotta dal metallo e che il grafene, come tale strato, può sopprimere efficacemente la diffusione di metalli e ioni alogenuri, " dice Gyujeong Jeong (programma combinato MS/Ph.D. di ingegneria energetica e chimica, UNIST), il primo autore dello studio.

"Il nuovo metodo ha notevolmente migliorato sia l'efficienza che la stabilità dei PSC, " afferma il professor Park. "Questo lavoro fornisce una strategia efficace per progettare piattaforme TCE meccanicamente e chimicamente robuste prive di ITO in PSC".