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Un nuovo tipo di tecnologia solare è sembrato promettente negli ultimi anni.Le celle solari in perovskite ad alogenuri sono sia ad alte prestazioni che a basso costo per la produzione di energia elettrica: due ingredienti necessari per qualsiasi tecnologia solare di successo del futuro.Ma i nuovi materiali delle celle solari dovrebbero anche eguagliare la stabilità delle celle solari a base di silicio, che vantano oltre 25 anni di affidabilità.
In una ricerca recentemente pubblicata, un team guidato da Juan-Pablo Correa-Baena, assistente professore presso la School of Materials Sciences and Engineering presso Georgia Tech, mostra che le celle solari a perovskite alogenuro sono meno stabili di quanto si pensasse in precedenza.Il loro lavoro rivela l'instabilità termica che si verifica all'interno degli strati di interfaccia delle celle, ma offre anche un percorso verso l'affidabilità e l'efficienza per la tecnologia solare alogenuro di perovskite.La loro ricerca, pubblicata come storia di copertina per la rivistaMateriale avanzatonel dicembre 2022, ha implicazioni immediate sia per gli accademici che per i professionisti del settore che lavorano con le perovskiti nel fotovoltaico, un campo che si occupa delle correnti elettriche generate dalla luce solare.
Le celle solari in perovskite agli alogenuri di piombo promettono una conversione superiore della luce solare in energia elettrica.Attualmente, la strategia più comune per ottenere un'elevata efficienza di conversione da queste cellule consiste nel trattare le loro superfici con grandi ioni caricati positivamente noti come cationi.
Questi cationi sono troppo grandi per entrare nel reticolo su scala atomica della perovskite e, una volta atterrati sul cristallo di perovskite, cambiano la struttura del materiale all'interfaccia in cui sono depositati.I risultanti difetti su scala atomica limitano l'efficacia dell'estrazione di corrente dalla cella solare.Nonostante la consapevolezza di questi cambiamenti strutturali, la ricerca sulla stabilità dei cationi dopo la deposizione è limitata, lasciando una lacuna nella comprensione di un processo che potrebbe influire sulla fattibilità a lungo termine delle celle solari di perovskite agli alogenuri.
"La nostra preoccupazione era che durante lunghi periodi di funzionamento delle celle solari la ricostruzione delle interfacce continuasse", ha affermato Correa-Baena."Quindi, abbiamo cercato di capire e dimostrare come questo processo avvenga nel tempo".
Per eseguire l'esperimento, il team ha creato un dispositivo solare campione utilizzando i tipici film di perovskite.Il dispositivo è dotato di otto celle solari indipendenti, che consentono ai ricercatori di sperimentare e generare dati in base alle prestazioni di ciascuna cella.Hanno studiato le prestazioni delle cellule, sia con che senza il trattamento superficiale cationico, e hanno studiato le interfacce modificate dai cationi di ciascuna cellula prima e dopo uno stress termico prolungato utilizzando tecniche di caratterizzazione a raggi X basate su sincrotrone.
In primo luogo, i ricercatori hanno esposto i campioni pretrattati a 100 gradiCentigradoper 40 minuti, e poi hanno misurato i loro cambiamenti nella composizione chimica usando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X.Hanno anche utilizzato un altro tipo di tecnologia a raggi X per studiare con precisione quale tipo di strutture cristalline si formano sulla superficie del film.Combinando le informazioni dei due strumenti, i ricercatori hanno potuto visualizzare come i cationi si diffondono nel reticolo e come cambia la struttura dell'interfaccia se esposta al calore.
Successivamente, per capire in che modo i cambiamenti strutturali indotti dai cationi influiscono sulle prestazioni delle celle solari, i ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia di correlazione dell'eccitazione in collaborazione con Carlos Silva, professore di fisica e chimica presso la Georgia Tech.La tecnica espone i campioni di celle solari a impulsi di luce molto veloci e rileva l'intensità della luce emessa dalla pellicola dopo ogni impulso per capire come viene persa l'energia della luce.Le misurazioni consentono ai ricercatori di capire quali tipi di difetti superficiali sono dannosi per le prestazioni.
Infine, il team ha correlato i cambiamenti nella struttura e nelle proprietà optoelettroniche con le differenze nelle efficienze delle celle solari.Hanno anche studiato i cambiamenti indotti dalle alte temperature in due dei cationi più utilizzati e hanno osservato le differenze nella dinamica alle loro interfacce.
"Il nostro lavoro ha rivelato che c'è una preoccupante instabilità introdotta dal trattamento con alcuni cationi", ha detto Carlo Perini, ricercatore nel laboratorio di Correa-Baena e primo autore dell'articolo."Ma la buona notizia è che, con una corretta progettazione del livello di interfaccia, vedremo una maggiore stabilità di questa tecnologia in futuro."
I ricercatori hanno appreso che le superfici dei film di perovskite agli alogenuri metallici trattati con cationi organici continuano a evolversi nella struttura e nella composizione sotto stress termico.Hanno visto che i conseguenti cambiamenti su scala atomica all'interfaccia possono causare una perdita significativa nell'efficienza di conversione di potenza nelle celle solari.Inoltre, hanno scoperto che la velocità di questi cambiamenti dipende dal tipo di cationi utilizzati, suggerendo che le interfacce stabili potrebbero essere a portata di mano con un'adeguata ingegnerizzazione delle molecole.
"Speriamo che questo lavoro costringa i ricercatori a testare queste interfacce ad alte temperature e cercare soluzioni al problema dell'instabilità", ha detto Correa-Baena."Questo lavoro dovrebbe indirizzare gli scienziati nella giusta direzione, verso un'area in cui possono concentrarsi per costruire tecnologie solari più efficienti e stabili".