Sebbene l'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari in perovskite (PVSC), un futuro delle celle solari, sia già notevolmente migliorata nell'ultimo decennio, i problemi di instabilità e di potenziale impatto ambientale sono ancora da superare. Recentemente, scienziati della City University di Hong Kong (CityU) hanno sviluppato un nuovo metodo che può affrontare contemporaneamente la perdita di piombo dai PVSC e il problema della stabilità senza compromettere l'efficienza, aprendo la strada all'applicazione nella vita reale della tecnologia fotovoltaica perovskite.

Il team di ricerca è co-guidato dal professor Alex Jen Kwan-yue, Rettore di CityU e Professore Ordinario di Chimica e Scienza dei Materiali, insieme al Professor Xu Zhengtao e al Dr. Zhu Zonglong del Dipartimento di Chimica. I risultati della loro ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Nanotecnologia della natura , intitolato "Struttura metallo-organica 2-D per celle solari stabili in perovskite con perdite di piombo ridotte al minimo".

Attualmente, la più alta efficienza di conversione di potenza dei PVSC è stata alla pari con le celle solari a base di silicio all'avanguardia. Però, le perovskiti utilizzate contengono componenti di piombo che sollevano preoccupazioni per la potenziale contaminazione ambientale. "Mentre la cella solare invecchia, la specie di piombo può fuoriuscire attraverso i dispositivi, per esempio. attraverso l'acqua piovana nel terreno, che rappresentano una minaccia di tossicità per l'ambiente, " ha spiegato il professor Jen, che è un esperto di PVSC. "Per mettere le PVSC in usi commerciali su larga scala, richiede non solo un'elevata efficienza di conversione della potenza, ma anche stabilità del dispositivo a lungo termine e impatto ambientale ridotto al minimo."

Collaborando con il professor Xu la cui competenza è la sintesi dei materiali, Il professor Jen e il dottor Zhu hanno guidato il team per superare le sfide di cui sopra applicando strutture metallo-organiche (MOF) bidimensionali (2-D) alle PVSC. "Siamo il primo team a fabbricare dispositivi PVSC con perdite di piombo ridotte al minimo, buona stabilità a lungo termine ed efficienza di conversione ad alta potenza contemporaneamente, " Il professor Jen ha riassunto la svolta della loro ricerca.

Strato MOF multifunzionale

I materiali della struttura metallo-organica (MOF) sono stati precedentemente applicati come impalcature per modellare la crescita delle perovskiti. Gli scienziati li hanno anche usati come additivi o modificatori di superficie per passivare (per ridurre la reattività della superficie del materiale) i difetti delle perovskiti per migliorare le prestazioni e la stabilità del dispositivo.

Però, la maggior parte dei MOF 3-D è abbastanza elettricamente isolante con bassa mobilità del portatore di carica, quindi inadatto ad essere utilizzato come materiale di trasporto di carica.

Ma i MOF preparati dal professor Xu sono diversi. Sono a nido d'ape, Struttura 2-D dotata di numerosi gruppi tiolici come funzionalità chiave. Possiedono adeguati livelli energetici, consentendo loro di essere uno strato di estrazione di elettroni (chiamato anche "strato di raccolta di elettroni") in cui gli elettroni vengono infine raccolti dall'elettrodo delle PVSC. "I nostri MOF di ingegneria molecolare possiedono la proprietà di un semiconduttore multifunzionale, e può essere utilizzato per migliorare l'efficienza di estrazione della carica, " ha spiegato il professor Xu.

Intrappolare gli ioni di piombo per prevenire la contaminazione

Ma ancora più importante, le serie dense di gruppi tiolo e disolfuro nei MOF possono "catturare" ioni di metalli pesanti all'interfaccia perovskite-elettrodo per mitigare la perdita di piombo.

"I nostri esperimenti hanno mostrato che il MOF utilizzato come strato esterno del dispositivo PVSC ha catturato oltre l'80% degli ioni piombo fuoriusciti dalla perovskite degradata e ha formato complessi insolubili in acqua che non contaminerebbero il suolo, " Il professor Jen ha spiegato. A differenza dei metodi di incapsulamento fisico utilizzati per ridurre le perdite di piombo in altri studi, questo assorbimento chimico in situ del piombo da parte del componente MOF integrato nel dispositivo è risultato essere più efficace e sostenibile per applicazioni pratiche a lungo termine.

Stabilità operativa a lungo termine raggiunta

Inoltre, questo materiale MOF potrebbe proteggere le perovskiti dall'umidità e dall'ossigeno mantenendo un'elevata efficienza.

L'efficienza di conversione di potenza del loro dispositivo PVSC modificato con MOF potrebbe raggiungere il 22,02% con un fattore di riempimento dell'81,28% e una tensione a circuito aperto di 1,20 V. Sia l'efficienza di conversione che la tensione a circuito aperto registrate sono tra i valori più alti riportati per il PVSC planari invertiti. Allo stesso tempo, il dispositivo ha mostrato una stabilità superiore in un ambiente con un'umidità relativa del 75%, mantenendo il 90% della sua efficienza iniziale dopo 1, 100 ore. In contrasto, l'efficienza di conversione di potenza del PVSC senza MOF è scesa significativamente a meno del 50% del suo valore originale.

Anche, il loro dispositivo ha mantenuto il 92% della sua efficienza iniziale sotto irraggiamento luminoso continuo per 1, 000 ore a 85°C. "Tale livello di stabilità ha già soddisfatto lo standard per la commercializzazione fissato dalla Commissione elettrotecnica internazionale (IEC), " ha detto il dottor Zhu.

"Questo è un risultato molto significativo che ha dimostrato che il nostro metodo MOF è tecnicamente fattibile e ha il potenziale per commercializzare la tecnologia PVSC, " ha aggiunto il professor Jen.

PVSC ad alta efficienza per applicazioni di energia pulita

Il team ha impiegato quasi due anni per realizzare questa promettente ricerca. Il loro prossimo passo sarà quello di migliorare ulteriormente l'efficienza della conversione di potenza ed esplorare i modi per ridurre i costi di produzione.

"Speriamo che in futuro la produzione di questo tipo di PVSC sia come "stampare" giornali e facilmente scalabile nella produzione, facilitare la diffusione su larga scala di PVSC altamente efficienti per applicazioni di energia pulita, " ha concluso il professor Jen.