La chimica delle interfacce di precisione porta le celle solari in perovskite oltre il 26% di efficienza
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Una collaborazione di ricerca internazionale ha sviluppato una nuova strategia molecolare per il controllo di una delle interfacce più critiche nelle celle solari a perovskite. Le celle solari così ottenute hanno raggiunto un’efficienza di conversione energetica del 26,19% nell’architettura n-i-p, dimostrando al contempo un’elevata stabilità operativa in condizioni di illuminazione prolungata e temperature elevate. I risultati sono stati pubblicati sul Journal of the American Chemical Society.
Il lavoro affronta una sfida persistente nel settore del fotovoltaico a perovskite: lo ioduro di piombo residuo, PbI₂, che rimane sulla superficie della perovskite dopo la formazione del film. Sebbene quantità moderate di PbI₂ possano essere benefiche durante la cristallizzazione, una distribuzione disomogenea all’interfaccia finale può creare variazioni locali nel potenziale superficiale, favorire l’intrappolamento di carica e aumentare la ricombinazione non radiativa. Ora, una collaborazione internazionale, che coinvolge il mio stesso team, il Robotized Optoelectronic Material and Photovoltaic Engineering Group presso l’Helmholtz Zentrum Berlin, e il gruppo di ricerca del professor Letian Dou presso la Purdue University e l’Emory University, ha sviluppato un nuovo approccio per affrontare questo problema.
Abbiamo progettato una nuova classe di ligandi molecolari bidentati che interagiscono selettivamente con il PbI₂ residuo attraverso due siti di ancoraggio. A differenza delle molecole convenzionali che si legano attraverso un unico punto di interazione, le nuove molecole ricostruiscono il PbI₂ residuo in strutture di coordinazione PbI₆ più stabili ed elettronicamente favorevoli, preservando al contempo l’assorbitore di perovskite tridimensionale sottostante. La molecola di maggior successo, MeXT, ha prodotto un panorama elettronico significativamente più omogeneo su tutta la superficie della perovskite. Ciò ha ridotto il disordine interfacciale e le perdite di tensione non radiative, migliorando al contempo il trasporto dei portatori di carica fotogenerati verso lo strato di trasporto dei buchi. Il dispositivo più performante ha raggiunto un’efficienza del 26,19%, con una tensione a circuito aperto di 1,198 V, un fattore di riempimento dell’83,2% e una densità di corrente a corto circuito di 26,28 mA cm⁻². Il dispositivo ha inoltre fornito un’efficienza stabilizzata del 25,65%. Sotto stress combinato di luce e calore a 75 °C, i dispositivi trattati hanno mantenuto oltre l’80% della loro efficienza iniziale dopo 1000 ore.
Approfondimenti sul trasporto di carica
Un contributo fondamentale del mio team presso l’HZB è stata l’applicazione di misurazioni avanzate della fototensione superficiale, sia transitorie che risolte spazialmente. Queste misurazioni hanno fornito una visione diretta di come il trattamento molecolare modifichi la separazione e l’estrazione delle cariche all’interfaccia: il trattamento ottimizzato non si è limitato a passivare i difetti, ma ha modificato la selettività interfacciale delle cariche stessa. Mentre le superfici trattate in modo insufficiente mostravano segni di accumulo e intrappolamento di elettroni, il trattamento bidentato ottimizzato ha soppresso questi percorsi di intrappolamento degli elettroni e ha fortemente favorito l’accumulo e l’estrazione dei buchi verso lo strato di trasporto dei buchi. Le misurazioni su stack completi di perovskite, ligando e strato di trasporto dei buchi hanno mostrato una risposta di fototensione positiva più rapida e sostanzialmente più forte per il trattamento ottimale, in linea con una maggiore estrazione dei buchi e una ridotta ricombinazione interfacciale.
La fototensione superficiale ci ha permesso di osservare ciò che le sole misurazioni convenzionali dell’efficienza non possono rivelare. Abbiamo potuto distinguere direttamente in che modo i diversi trattamenti molecolari modificano la selettività di carica, l’attività dei difetti e le dinamiche di estrazione. Ciò ha aiutato a identificare non solo se un trattamento funziona, ma anche perché funziona e dove si trova l’ottimale per il dispositivo completo.
Lo studio dimostra i vantaggi derivanti dalla combinazione di progettazione molecolare razionale, spettroscopia avanzata, mappatura spaziale, modellizzazione teorica e ingegneria completa del dispositivo. La progettazione chimica e lo sviluppo fotovoltaico sono stati condotti in stretta collaborazione con il gruppo del professor Letian Dou, con ulteriori contributi teorici da parte del team del professor Brett M. Savoie. Insieme, abbiamo stabilito un principio di progettazione più ampio per la creazione di interfacce elettronicamente omogenee attraverso un coordinamento chimico selettivo piuttosto che un trattamento superficiale non specifico.
Questo lavoro indica anche la prossima fase della ricerca fotovoltaica presso l’HZB: l’ottimizzazione autonoma dei materiali e dei dispositivi. Nei prossimi tre mesi, presso HySPRINT verrà installata una nuova linea completamente robotizzata per la preparazione, la caratterizzazione e l’ottimizzazione delle celle solari. La piattaforma combinerà la fabbricazione automatizzata dei dispositivi con una rapida caratterizzazione optoelettronica e un’ottimizzazione basata sui dati. L’obiettivo è accelerare l’ottimizzazione sperimentale di circa un fattore dieci, generando al contempo una comprensione fisica più approfondita delle relazioni tra lavorazione, proprietà dell’interfaccia e prestazioni finali del dispositivo.
Il passo successivo consiste nel collegare direttamente questa comprensione fondamentale delle interfacce con la sperimentazione autonoma. Anziché testare i materiali attraverso lunghe campagne di ottimizzazione sequenziali, vogliamo che i sistemi robotici preparino i dispositivi, misurino i parametri fisici rilevanti e utilizzino i risultati per decidere quale esperimento debba essere eseguito successivamente. Insieme al mio team presso l’HZB, ci stiamo preparando a condividere le prime fotografie e i primi video dal nuovo laboratorio robotizzato nei mesi di settembre e ottobre 2026, segnando l’inizio di una nuova fase nella scoperta e nell’ottimizzazione automatizzate dei materiali fotovoltaici e delle interfacce.
Autore: Dr. Artem Musiienko, responsabile di gruppo presso l’HZB
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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