I ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze hanno utilizzato nanoparticelle di blu di Prussia per stabilizzare pellicole di perovskite, raggiungendo un'efficienza cellulare del 26.9% e un valore certificato del 22.9% su un sottomodulo di 756 centimetri quadrati.
Un team dell'Accademia cinese delle scienze ha portato l'efficienza delle celle solari a perovskite al 26.9%. Ciò è stato possibile grazie all'aggiunta di nanoparticelle di blu di Prussia al film che assorbe la luce. I ricercatori hanno pubblicato i risultati sulla rivista Science il 24 settembre. Un test indipendente ha certificato l'efficienza della cella al 26.2%.
Nel frattempo, un sottomodulo ben più ampio ha raggiunto una percentuale certificata del 22.9%. Questo risultato è quello più significativo per il settore.
Il blu di Prussia è un composto a base di ferro che assorbe fortemente la luce visibile. Gli scienziati lo avevano già utilizzato in passato come assorbitore di luce nelle celle solari a colorante, con risultati limitati. Questa volta, il team lo ha impiegato per affrontare l'instabilità che ha a lungo frenato lo sviluppo delle perovskiti.
Come funzionano le nanoparticelle
Lo studio si concentra sul formamidinio ioduro di piombo, un materiale perovskitico ampiamente studiato. I suoi film tendono a formare difetti e gli ioni migrano attraverso di essi sotto l'effetto di un campo elettrico. Entrambi i problemi compromettono le prestazioni e riducono la durata di vita di un dispositivo.
Durante la formazione del film, le nanoparticelle agiscono da stampo, favorendo una crescita più uniforme dei cristalli. Inoltre, promuovono la fase alfa, la struttura cristallina che assorbe la luce e genera elettricità in modo efficiente. Infine, riconvertono i difetti di piombo metallico e iodio neutro nelle loro forme ioniche.
La loro struttura rigida intrappola anche gli ioni mobili, in particolare il cesio. Di conseguenza, l'energia necessaria agli ioni per migrare è aumentata da 0.89 a 1.25 elettronvolt. Ciò rende più difficile il movimento degli ioni e contribuisce a proteggere le pellicole da danni elettrici, termici e indotti dalla luce.
"Il principale progresso del nostro studio consiste nell'utilizzo di una struttura di base in blu di Prussia compatibile con la struttura stessa", ha affermato Chong Liu, autore corrispondente dello studio. Liu ha spiegato che la struttura "rimane funzionale sia durante la formazione del film che durante il funzionamento del dispositivo".
Vantaggi in entrambi i modelli di celle
Il team ha testato l'approccio su celle convenzionali e invertite. Le celle convenzionali hanno registrato un miglioramento dal 24.2% al 26.1%. Le celle invertite, invece, hanno visto un aumento dal 26.0% al 26.9%.
I miglioramenti si sono mantenuti anche nei dispositivi di dimensioni maggiori. I minimoduli convenzionali di 6 cm x 6 cm hanno raggiunto il 23.4%, contro il 20.1% dei dispositivi di riferimento non trattati. Il submodulo invertito di 30 cm x 30 cm, con un'area di apertura di 756 centimetri quadrati, ha registrato un'efficienza stabilizzata del 22.8%.
Le dimensioni contano in questo caso. I record relativi alle perovskiti derivano solitamente da minuscole celle di laboratorio, e l'efficienza tende a diminuire con l'aumentare delle dimensioni dei dispositivi. Pertanto, un risultato certificato su un sottomodulo ha un peso maggiore per i produttori. Dimostra che i vantaggi si mantengono anche quando il film copre un'area molto più ampia.
Stabilità in condizioni di calore e umidità
La durabilità rimane l'ostacolo principale per qualsiasi cella solare a perovskite. Il team ha condotto test in condizioni di calore umido a 85 °C e con un'umidità relativa dell'85%. Dopo 2,500 ore, i minimoduli convenzionali hanno mantenuto oltre il 90% della loro efficienza iniziale. Hanno inoltre mantenuto oltre l'80% dopo 2,200 ore di funzionamento continuo a 65 °C.
I test di invecchiamento accelerato sui sottomoduli invertiti hanno previsto una durata T80 di circa sette anni a 35 °C in condizioni di luce costante. T80 è il tempo necessario affinché un dispositivo perda un quinto della sua efficienza iniziale. Tuttavia, i ricercatori sottolineano di aver estrapolato questo dato dai test accelerati e di non averlo ancora dimostrato in condizioni di funzionamento a lungo termine.
All'aperto, un sottomodulo trattato ha funzionato per cinque mesi a Zhuhai, in Cina. Durante tale periodo, non ha mostrato alcun calo apprezzabile delle prestazioni rispetto a un dispositivo di riferimento commerciale in silicio.
Un passo verso i moduli commerciali
Le perovskiti si affiancano a una serie di nuovi materiali solari in fase di sviluppo, come le finestre solari semitrasparenti presentate all'UCL. Tuttavia, per essere competitive a livello commerciale, le celle solari a perovskite devono durare decenni sul campo. I sette anni previsti a 35 °C sono ancora ben lontani da questo obiettivo.
Ciononostante, il lavoro si muove su due fronti contemporaneamente. Aumenta l'efficienza e rallenta il degrado che ha frenato la commercializzazione dei pannelli a perovskite. Il team ritiene inoltre che i risultati siano una prova a supporto di una più ampia classe di materiali.
"I nostri risultati evidenziano il potenziale dei materiali a struttura aperta per migliorare l'efficienza delle celle solari, consentire la produzione su larga scala e aumentare l'affidabilità a lungo termine del fotovoltaico a perovskite", ha affermato Liu.
