Una nuova ricerca mostra grandi promesse per migliorare l’efficienza delle celle solari

Una nuova ricerca mostra una grande promessa per le celle solari in perovskite inorganica per migliorare l’efficienza delle celle solari.

La perovskite ibrida organica e inorganica ha già dimostrato un’efficienza molto elevata nelle celle fotovoltaiche superiore al 25%. La saggezza prevalente nel campo è che le molecole organiche (contenenti carbonio e idrogeno) nel materiale sono essenziali per ottenere queste straordinarie prestazioni perché si ritiene che prevengano la ricombinazione del vettore assistita da difetti.

Una nuova ricerca del Dipartimento dei materiali dell’Università della California, Santa Barbara, mostra non solo che questa ipotesi non è corretta, ma anche che tutti i materiali inorganici hanno il potenziale per superare la perovskite ibrida. I risultati sono pubblicati in un articolo intitolato «Perovskiti ad alogenuri completamente inorganici come candidati per celle solari efficienti», che appare sulla copertina del numero del 20 ottobre 2021 della rivista. Cell Report Scienze fisiche.

«Per confrontare i materiali, abbiamo eseguito simulazioni complete dei meccanismi di ricombinazione», ha spiegato Xie Zhang, ricercatore principale dello studio. «Quando la luce viene riflessa sul materiale della cella solare, i vettori fotogenerati generano corrente; la ricombinazione in corrispondenza dei difetti distrugge alcuni di quei vettori e quindi riduce l’efficienza. Pertanto, i difetti agiscono come killer dell’efficienza».

Per confrontare la perovskite inorganica e ibrida, i ricercatori hanno studiato due materiali modello primari. Entrambe le sostanze contengono atomi di piombo e iodio, ma in una sostanza la struttura cristallina è completata dall’elemento inorganico cesio, mentre nell’altra è presente la molecola organica metilammonio.

L’ordinamento sperimentale di questi processi è molto difficile, ma gli ultimi calcoli della meccanica quantistica possono prevedere con precisione i tassi di ricombinazione, grazie alla nuova metodologia sviluppata presso il professor Chris Van de Waal dell’UCSB Materials Group, che attribuisce a Mark il merito. Turiansky, uno studente laureato del gruppo, aiuta a scrivere il codice per calcolare i tassi di ricombinazione.

«I nostri metodi sono molto potenti nell’identificare i difetti che causano la perdita del vettore», ha affermato Turiansky. «È emozionante vedere l’approccio applicato a una delle questioni critiche del nostro tempo, la generazione efficiente di energia rinnovabile».

L’esecuzione delle simulazioni ha mostrato che i difetti comuni in entrambi i materiali determinano livelli di ricombinazione comparabili (e relativamente benigni). Tuttavia, la molecola organica può dissociarsi nella perovskite ibrida; Quando si verifica la perdita di atomi di idrogeno, i «posti vacanti» risultanti riducono notevolmente l’efficienza. Pertanto, la presenza della molecola è dannosa per l’efficienza complessiva del materiale, non un vantaggio.

Perché, allora, questo non viene osservato sperimentalmente? Ciò è dovuto principalmente alla difficoltà di coltivare strati di alta qualità di materiali completamente inorganici. Hanno la tendenza ad adottare altre strutture cristalline e per migliorare la formazione della struttura desiderata richiede uno sforzo sperimentale maggiore. Recenti ricerche hanno dimostrato, tuttavia, che il raggiungimento della struttura preferita è certamente possibile. Tuttavia, la difficoltà spiega perché la perovskite inorganica non ha ricevuto finora tanta attenzione.

«Speriamo che i nostri risultati sulle efficienze previste stimoleranno ulteriori attività dirette alla produzione di perovskite inorganica», ha concluso Van de Waale.

Riferimento: «Perovskite ad alogenuri completamente inorganici come candidati per celle solari efficienti» di Xie Zhang, Mark E. Turiansky e Chris G. Van de Walle, 11 ottobre 2021, disponibile qui. Cell Report Scienze fisiche.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

Questa ricerca è stata finanziata dal Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences; I calcoli sono stati effettuati presso il Centro di calcolo scientifico per la ricerca energetica nazionale.