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Negli ultimi anni un nuovo tipo di tecnologia solare è sembrato promettente. Le celle solari alla perovskite agli alogenuri sono ad alte prestazioni e 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 appena pubblicata, un team guidato da Juan-Pablo Correa-Baena, assistente professore presso la Scuola di Scienze e Ingegneria dei Materiali della Georgia Tech, mostra che le celle solari alla perovskite agli alogenuri 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 della tecnologia solare alla perovskite ad alogenuri. La loro ricerca, pubblicata come storia di copertina della rivistaMateriali avanzatinel 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 alla 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 celle è quella di trattare le loro superfici con grandi ioni caricati positivamente noti come cationi.
Questi cationi sono troppo grandi per adattarsi al reticolo su scala atomica della perovskite e, una volta atterrati sul cristallo di perovskite, modificano la struttura del materiale nell'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 avere un impatto sulla vitalità a lungo termine delle celle solari alla 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 comprendere e dimostrare come questo processo avviene nel tempo”.
Per eseguire l’esperimento, il team ha creato un dispositivo solare campione utilizzando tipiche pellicole 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 celle, sia con che senza il trattamento superficiale con cationi, e hanno studiato le interfacce modificate dai cationi di ciascuna cella prima e dopo uno stress termico prolungato utilizzando tecniche di caratterizzazione a raggi X basate sul sincrotrone.
Innanzitutto, i ricercatori hanno esposto i campioni pretrattati a 100 gradiCentigradoper 40 minuti, e poi hanno misurato i loro cambiamenti nella composizione chimica utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X. Hanno utilizzato anche un altro tipo di tecnologia a raggi X per indagare con precisione quale tipo di strutture cristalline si formano sulla superficie della pellicola. 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 quando esposta al calore.
Successivamente, per comprendere come i cambiamenti strutturali indotti dai cationi influiscono sulle prestazioni delle celle solari, i ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia di correlazione di eccitazione in collaborazione con Carlos Silva, professore di fisica e chimica alla 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 nell'efficienza delle celle solari. Hanno inoltre 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 esiste una preoccupante instabilità introdotta dal trattamento con alcuni cationi", ha affermato Carlo Perini, ricercatore nel laboratorio di Correa-Baena e primo autore dell'articolo. “Ma la buona notizia è che, con un’adeguata progettazione dello strato di interfaccia, vedremo in futuro una maggiore stabilità di questa tecnologia”.
I ricercatori hanno appreso che le superfici dei film di perovskite agli alogenuri metallici trattati con cationi organici continuano ad evolversi nella struttura e nella composizione sotto stress termico. Hanno visto che i cambiamenti su scala atomica risultanti all’interfaccia possono causare una perdita significativa nell’efficienza di conversione della potenza nelle celle solari. Inoltre, hanno scoperto che la velocità di questi cambiamenti dipende dal tipo di cationi utilizzati, suggerendo che interfacce stabili potrebbero essere raggiungibili con un'adeguata ingegneria 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”.