Miglioramento delle perovskiti evaporate nelle celle solari in tandem
BESSY II svela come si formano gli strati
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Le celle solari tandem in perovskite-silicio raggiungono efficienze significativamente superiori rispetto alle celle solari in silicio da sole. Un metodo particolarmente interessante è la co-evaporazione delle molecole precursori della perovskite sulla sottocella di silicio. Gli scienziati dell’HZB hanno analizzato la crescita del film su scala nanometrica presso BESSY II e hanno individuato un nuovo modo per migliorare la qualità dello strato di perovskite: l’aggiunta di un sottile strato di semina di cloruro di cesio tra le due sottocelle favorisce una crescita uniforme della perovskite e inibisce la formazione di ioduro di piombo indesiderato all’interfaccia.
Le celle solari tandem monolitiche perovskite-silicio sono caratterizzate da uno strato sottile di perovskite, che può essere prodotto tramite la cosiddetta co-evaporazione dei composti precursori, un processo industriale ormai consolidato. Come strato di trasporto dei buchi per la perovskite vengono utilizzati i cosiddetti SAM, molecole organiche che si autoassemblano in un monostrato. Tuttavia, sia lo strato di SAM che quello di perovskite devono formarsi in modo il più possibile uniforme sulla superficie del silicio. Ma poiché le SAM non formano un monostrato perfetto e, inoltre, la superficie del silicio presenta una nanostruttura volta a migliorare l’assorbimento della luce, ciò risulta molto complesso.
Presso l’HZB, un team ha ora studiato a fondo questo problema utilizzando vari metodi, tutti disponibili presso l’HZB, e ha sviluppato una soluzione che è interessante anche per la produzione industriale.
BESSY II rivela come si formano gli strati
Utilizzando un microscopio a sonda a scansione in campo vicino (IR-s-SNOM) nella gamma dell’infrarosso presso BESSY II, hanno identificato aree di spessore variabile all’interno dello strato SAM, che vanno dai monostrati a diversi strati e persino ad agglomerati di queste molecole. Sono inoltre riusciti ad analizzare in modo più dettagliato come si formano gli strati SAM su substrati di silicio planari e testurizzati rilevanti dal punto di vista industriale. Ciò ha rivelato che le molecole SAM si accumulano nelle valli della testura, dando origine a uno strato di spessore irregolare.
Grazie alla microscopia elettronica a fotoemissione di raggi X (XPEEM) presso BESSY II, gli scienziati hanno potuto studiare la crescita della perovskite co-evaporata su diverse aree del substrato di silicio rivestito di SAM. I loro risultati mostrano che lo strato di perovskite non è stato in grado di compensare le disomogeneità sottostanti e che all’interfaccia con il silicio si era formato dello ioduro di piombo indesiderato.
Un strato seme aiuta
Tuttavia, il team ha implementato e analizzato una soluzione avanzata: uno strato di cloruro di cesio (CsCl) all’interfaccia, che funge da strato di semina. «Ciò consente la crescita uniforme degli strati di perovskite co-evaporati su silicio testurizzato e impedisce la formazione di difetti di interfaccia causati da una copertura irregolare dello strato di trasporto dei fori», afferma il dott. Viktor Škorjanc, primo autore dell’articolo. Di conseguenza, la qualità dello strato risulta notevolmente migliorata. Ciò aumenta l’efficienza delle celle solari tandem perovskite-silicio preparate da Stefanie Severin al 30,3 per cento, un valore eccezionale per le perovskiti ottenute tramite evaporazione.
Il nuovo processo sotto vuoto non richiede solventi e potrebbe quindi migliorare la stabilità delle celle tandem, che finora rappresenta un ostacolo importante sulla strada della commercializzazione «Questo rappresenta un vero passo avanti nel trasferimento delle efficienze record dal laboratorio a tecnologie solari tandem affidabili e producibili industrialmente», afferma il dott. Marcel Roß, responsabile del team dedicato alle celle solari a perovskite evaporata presso l’HZB.
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