Fotovoltaico: la messa a punto molecolare aumenta l'efficienza delle celle solari tandem
I ricercatori della LMU raggiungono il 31,4% di efficienza nelle celle tandem perovskite-silicio con una progettazione molecolare mirata
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Le celle solari tandem in silicio perovskite sono considerate una tecnologia chiave per il fotovoltaico. La loro struttura consente di sfruttare la luce solare in modo più efficiente rispetto alle celle al silicio convenzionali: Mentre lo strato superiore di perovskite assorbe la porzione blu ad alta energia della luce, lo strato sottostante di silicio cattura la gamma rossa. L'interazione tra i due materiali consente un rendimento luminoso significativamente più elevato.
Un team di ricerca internazionale guidato dal dottor Erkan Aydin, leader del gruppo di ricerca presso la LMU, ha ora sviluppato ulteriormente questo approccio. Nella rivista scientifica Joule, i ricercatori riferiscono della prima cella tandem perovskite-silicio prodotta interamente nella regione di Monaco. I partner della cooperazione sono la Southern University of Science and Technology (SUSTech) di Shenzhen, Cina, la City University di Hong Kong e la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Arabia Saudita.
Un nuovo approccio alla progettazione molecolare
L'elemento centrale delle celle tandem è il monostrato autoassemblato (SAM). Questo strato molecolare, spesso solo pochi nanometri, assicura che le cariche elettriche siano trasportate in modo efficiente agli strati di raccolta delle cariche. Tuttavia, i SAM convenzionali con semplici catene alchiliche tendono ad aggregarsi in modo non uniforme sulle superfici di silicio a forma piramidale. Questo limita le prestazioni delle celle.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato una molecola speciale. La sua particolare struttura migliora il trasporto di carica anche su superfici ruvide e crea così la base per un'interfaccia stabile.
Durante le analisi, il team ha fatto un'osservazione sorprendente: un precursore SAM disponibile in commercio conteneva piccole quantità di impurità contenenti bromo. Queste si sono rivelate estremamente utili, in quanto neutralizzano i difetti all'interfaccia, aumentando così l'efficienza delle celle solari.
"Il fatto che un cambiamento chimico così piccolo possa avere un effetto così importante ci ha sorpreso", spiega il responsabile del progetto Aydin. "Questa scoperta dimostra quanto sia cruciale la precisa interazione dei materiali a livello molecolare per la resa energetica di nuovi tipi di celle solari".
I ricercatori hanno combinato molecole bromurate e non bromurate per sfruttare gli effetti positivi del bromo senza compromettere la stabilità chimica. La struttura SAM di nuova concezione consente un impacchettamento più denso delle molecole e una migliore passivazione dell'interfaccia, che a sua volta si traduce in efficienze più elevate, maggiore stabilità e un'estrazione di carica più efficiente.
31,4% di efficienza
Grazie a questo controllo mirato a livello molecolare, il team ha raggiunto un'efficienza cellulare del 31,4%. Questo fa del team uno dei laboratori leader a livello mondiale nello sviluppo di celle tandem di silicio perovskite ad alte prestazioni. È particolarmente degno di nota il fatto che questi valori siano stati raggiunti su celle inferiori in silicio cristallino di rilevanza industriale. Oltre all'aumento dell'efficienza, le celle hanno mostrato anche una migliore stabilità per lunghi periodi di tempo. L'impacchettamento molecolare più denso dei nuovi SAM protegge l'interfaccia sensibile dai danni a livello molecolare.
"Come prossimo passo, vogliamo dimostrare che le nostre celle tandem non solo dimostrano le loro prestazioni in laboratorio, ma anche in test di invecchiamento accelerato che forniscono informazioni sul loro comportamento in condizioni ambientali reali", dice Aydin. "Allo stesso tempo, stiamo studiando come la tecnologia possa essere adattata per l'uso nei viaggi spaziali, in particolare per i satelliti in orbita terrestre bassa". L'interesse per celle solari particolarmente leggere, ad alte prestazioni e resistenti alle radiazioni sta crescendo rapidamente soprattutto in questo settore.
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Pubblicazione originale
Jian Huang, Letian Zhang, Cem Yilmaz, Geping Qu, Ido Zemer, Rik Hooijer, Siyuan Cai, Ali Buyruk, Hao Zhu, Meriem Bouraoui, Achim Hartschuh, Ryota Mishima, Kenji Yamamoto, Caner Deger, Ilhan Yavuz, Alex K.-Y. Jen, Esma Ugur, Stefaan De Wolf, Igal Levine, Zong-Xiang Xu, Erkan Aydin; "Enhanced charge extraction in textured perovskite-silicon tandem solar cells via molecular contact functionalization"; Joule
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