Fotovoltaico: celle solari tandem in perovskite più stabili grazie ai punti quantici arricchiti con magnesio

Le celle solari tandem perovskite/organiche rappresentano una delle soluzioni più promettenti nel panorama dell’energia solare, grazie alla possibilità di ottenere elevata efficienza a costi inferiori rispetto alle celle al silicio. Tuttavia, l’impiego di perovskiti a banda proibita larga – fondamentali per assorbire la luce ad alta energia – comporta serie criticità di stabilità. Tra queste, la scarsa qualità del contatto inferiore tra strati è uno dei principali ostacoli, causando difetti strutturali e degrado del dispositivo.

Un team di ricercatori della Hong Kong Polytechnic University ha individuato una soluzione efficace: l’impiego di punti quantici arricchiti con magnesio, utilizzati per migliorare l’interfaccia tra il substrato e il film attivo nella cella solare.

I punti quantici, o quantum dot, sono nanoparticelle semiconduttrici che presentano proprietà elettroniche e ottiche uniche. In questo studio, pubblicato su Nature Energy, i ricercatori hanno sviluppato nanoparticelle di ossido di stagno modificate attraverso l’aggiunta controllata di magnesio in ambiente acido. Questi punti quantici arricchiti con magnesio sono stati impiegati come strato inferiore per migliorare la qualità della pellicola di perovskite CsPbI₂Br.

La modifica ha portato numerosi benefici: cristallizzazione più uniforme, riduzione dei difetti, miglior allineamento energetico e maggiore stabilità chimica. In particolare, la natura acida delle nanoparticelle ha contrastato gli effetti negativi delle versioni alcaline dell’ossido di stagno, tradizionalmente utilizzate in questo tipo di dispositivi.

Gli autori dello studio, tra cui Yu Han e JieHao Fu, sottolineano come questa strategia permetta di bilanciare le proprietà fisiche e chimiche del materiale, stabilizzando la struttura della cella e prevenendo degradazioni causate da difetti profondi e transizioni di fase non volute.

Prestazioni record: 25,9% di efficienza e durata migliorata in condizioni ambientali complesse

©Nature Energy

I ricercatori hanno testato questa innovazione costruendo una cella solare basata su perovskite CsPbI₂Br a banda larga, che ha raggiunto una efficienza di conversione della potenza del 19,2% con una tensione a circuito aperto di 1,44 V. Ma il risultato più importante è stato ottenuto con la versione tandem: una cella solare perovskite/organica che ha raggiunto un’efficienza del 25,9%, certificata al 25,1%, mantenendo le prestazioni in condizioni ambientali variabili.

L’analisi del comportamento dei materiali è stata condotta con strumenti di alta precisione come ToF-SIMS, spettroscopia UV-visibile in tempo reale, microscopia elettronica a scansione (SEM), mappatura fotoluminescente (PL) e diffrazione di raggi X a incidenza radente (GIWAXS). I risultati hanno confermato una migliore cristallizzazione, una struttura più ordinata e una maggiore resistenza all’umidità e alle alte temperature.

Questa tecnologia, basata sui punti quantici arricchiti con magnesio, potrebbe presto essere estesa ad altri tipi di celle solari, aprendo nuove prospettive per la diffusione su larga scala di dispositivi fotovoltaici più efficienti, duraturi e accessibili.

Le celle tandem nel mondo

Le innovazioni sulle celle solari tandem perovskite/organiche si inseriscono in un panorama globale in continua evoluzione. In Cina, ad esempio, l’Università Politecnica del Nord-Ovest di Xi’an ha sviluppato una cella tandem perovskite-silicio semi-trasparente a quattro terminali, dotata di uno strato protettivo in ossido di indio (In₂O₃). Questo materiale migliora non solo l’efficienza, ma anche la sostenibilità del processo produttivo, grazie a un metodo di deposizione economico e privo di solventi.

A Taiwan, il prestigioso istituto Academia Sinica ha recentemente raggiunto un’efficienza del 31,5% con una cella tandem perovskite-silicio a due terminali. I ricercatori stanno già lavorando a una nuova generazione di dispositivi, focalizzandosi su produzione su larga scala, aumento della superficie attiva e miglioramento della stabilità operativa.

Sul piano industriale, la cinese LONGi detiene attualmente il record mondiale di efficienza per celle tandem perovskite-silicio, con un incredibile 34,6% raggiunto nel 2023. La KAUST in Arabia Saudita segue con un dispositivo da 33,7%.

Secondo gli esperti del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) in Germania, il limite teorico per questa tecnologia potrebbe superare il 39,5% di efficienza, ma per raggiungerlo sarà necessario ripensare alcuni materiali chiave, come il fullerene (C60) per il trasporto degli elettroni o sostituire l’ossido di indio-stagno (ITO) per aumentare la trasparenza delle celle.

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Fonte: Nature Energy

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