Sebbene le celle solari in perovskite siano più efficienti e meno costose delle tradizionali celle solari in silicio, la perovskite è stata finora limitata dalla sua mancanza di stabilità a lungo termine. In genere, le celle solari in perovskite utilizzano uno strato di rivestimento a base di ammonio per migliorare la loro efficienza. Sebbene efficaci, gli strati a base di ammonio si degradano sotto stress ambientali, come calore e umidità.
Gli scienziati della Northwestern University (USA) hanno sviluppato un nuovo rivestimento protettivo più robusto, a base di amidinio, che prolunga significativamente la vita delle celle solari in perovskite, rendendole più pratiche per applicazioni fuori dal laboratorio.
Negli esperimenti, il nuovo rivestimento si è rivelato dieci volte più resistente alla decomposizione rispetto ai tradizionali rivestimenti a base di ammonio. Ancora meglio: le celle rivestite di amidinio hanno anche triplicato la loro durata di vita T90, ovvero il tempo necessario affinché l’efficienza di una cella diminuisca del 90% rispetto al suo valore iniziale quando è esposta a condizioni difficili.
« Lavoriamo da molto tempo sulla stabilità delle celle solari in perovskite. dice Bin Chen della Northwestern, che ha co-condotto lo studio. “ Finora, la maggior parte dei rapporti si concentra sul miglioramento della stabilità del materiale stesso della perovskite, senza considerare gli strati protettivi. Migliorando lo strato protettivo, siamo riusciti ad aumentare le prestazioni complessive delle celle solari. »
« Questo lavoro affronta uno dei principali ostacoli all’adozione diffusa delle celle solari alla perovskite: la stabilità nelle condizioni del mondo reale ha detto Mercouri Kanatzidis della Northwestern, che ha co-condotto lo studio. “ Rafforzando chimicamente gli strati protettivi, abbiamo migliorato significativamente la durata di queste celle senza comprometterne l’eccezionale efficienza, avvicinandoci a un’alternativa pratica ed economica alle celle fotovoltaiche a base di silicio. »
Utilizzato da decenni, il silicio è il materiale più comunemente utilizzato per lo strato che assorbe la luce nelle celle solari. Sebbene il silicio sia durevole e affidabile, è costoso da produrre e la sua efficienza è prossima al limite massimo. Alla ricerca di una cella solare meno costosa e più efficiente, i ricercatori hanno recentemente iniziato a esplorare le perovskiti, una famiglia di composti cristallini.
Sebbene sia promettente come alternativa economica al silicio, la perovskite ha una durata relativamente breve. L’esposizione prolungata alla luce solare, le fluttuazioni estreme della temperatura e l’umidità sono tutti fattori che causano il degrado delle celle solari in perovskite nel tempo.
Per superare questo problema, i ricercatori hanno aggiunto ligandi di amidinio, molecole stabili che possono interagire con la perovskite per fornire passivazione dei difetti ed effetti protettivi di lunga durata. Le molecole a base di ammonio hanno un atomo di azoto circondato da tre atomi di idrogeno e un gruppo contenente carbonio, mentre le molecole a base di amidinio includono un atomo di carbonio centrale legato a due gruppi amminici. Poiché la loro struttura consente agli elettroni di distribuirsi uniformemente, le molecole di amidinio sono più resistenti in condizioni difficili.
« La maggior parte delle moderne celle solari in perovskite presentano generalmente ligandi di ammonio come strato di passivazione “, spiega il signor Yang. “ Ma l’ammonio tende a decomporsi sotto stress termico. Abbiamo fatto chimica per convertire l’ammonio instabile in amidinio più stabile ».
I ricercatori hanno effettuato questa conversione attraverso un processo noto come amidinazione, in cui il gruppo ammonio viene sostituito con un gruppo amidinio più stabile. Questa innovazione ha contribuito a prevenire il degrado delle cellule di perovskite nel tempo, soprattutto se esposte a calore estremo.
La cella solare risultante ha raggiunto un rendimento impressionante del 26,3%il che significa che è riuscito a convertire il 26,3% della luce solare assorbita in elettricità. La cella solare rivestita ha inoltre mantenuto il 90% della sua efficienza iniziale dopo 1.100 ore di test in condizioni difficili, dimostrando una durata di vita T90 tre volte più lunga rispetto a prima se esposta al calore e alla luce.
Questi esperimenti sono l’ultimo esempio di miglioramento delle prestazioni delle celle solari alla perovskite nel laboratorio Sargent. Nel 2022, il team di Sargent ha sviluppato una cella solare in perovskite che ha battuto i record di efficienza energetica e voltaggio. Nel 2023, il suo team ha presentato una cella solare in perovskite a struttura invertita, che ne ha anche migliorato l’efficienza energetica. All’inizio di quest’anno, il gruppo di Sargent ha incorporato cristalli liquidi per ridurre al minimo i difetti nelle pellicole di perovskite, migliorando le prestazioni del dispositivo.
« Le celle solari alla perovskite possono contribuire alla decarbonizzazione della fornitura di energia elettrica una volta finalizzata la loro progettazione, raggiunto l’unione di prestazioni e sostenibilità e scalato i dispositivi ha affermato Sargent, che dirige l’Istituto Paula M. Trienens per la sostenibilità e l’energia. “ Il principale ostacolo alla commercializzazione delle celle solari in perovskite è la loro stabilità a lungo termine. Ma grazie al suo vantaggio decennale, il silicio conserva un vantaggio in alcune aree, in particolare nella stabilità. Stiamo lavorando per colmare questo divario. »
Questa ricerca è direttamente collegata al pilastro Generate, uno dei sei pilastri della decarbonizzazione del Trienens Institute. Nell’ambito di questo pilastro, Northwestern si impegna a creare una nuova classe di generazione di energia solare concentrandosi su celle solari multigiunzione ad alta efficienza e materiali per celle solari di prossima generazione. Il signor Kanatzidis è il co-presidente della facoltà per questo pilastro e il signor Chen è il responsabile dell’implementazione.
Lo studio, intitolato “ L’amminazione di ligandi per la passivazione chimica e ad effetto di campo stabilizza le celle solari in perovskite “, è stato sostenuto da First Solar, dal Dipartimento del Commercio, dal National Institute of Standards and Technology e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Didascalia dell’illustrazione: Yi Yang, primo autore dello studio, testa un campione della nuova cella solare del team nel laboratorio della Northwestern University. Credito: Northwestern University
Articolo: “L’amidinazione di ligandi per la passivazione chimica e ad effetto di campo stabilizza le celle solari in perovskite” / ( 10.1126/science.adr2091 ) – Northwestern University – Pubblicazione nella rivista Science
