Potassio utile per aumentare efficienza di celle solari a base di perovskite

Vista a scala atomica della formazione di cristalli di perovskite (credito: Matt Klug)

Una semplice soluzione di potassio potrebbe aumentare l’efficienza delle celle solari di prossima generazione, consentendo loro di convertire più luce solare in elettricità, secondo una nuova ricerca.
Un team internazionale di ricercatori guidato dall’Università di Cambridge ha scoperto che l’aggiunta di ioduro di potassio “guariva” i difetti e immobilizzava il movimento di ioni, che fino ad oggi hanno limitato l’efficienza delle celle solari a perovskite a buon mercato. Queste celle solari di prossima generazione potrebbero essere utilizzate come uno strato di aumento dell’efficienza sopra le attuali celle solari a base di silicio o trasformate in celle solari stand alone o LED colorati. I risultati sono riportati nella rivista Nature.

Le celle solari prese in considerazione nello studio sono basate su perovskite agli alogenuri metallici – un promettente gruppo di materiali ionici a semiconduttore che in pochi anni di sviluppo hanno cominciato a rivaleggiare con le tecnologie fotovoltaiche a film sottile in termini di efficienza nella conversione della luce solare in energia elettrica.
Le perovskiti sono economiche e facili da produrre a basse temperature, il che le rende interessanti per le celle solari e l’illuminazione di prossima generazione.

Nonostante il potenziale delle perovskiti, alcune limitazioni hanno ostacolato la loro efficienza e coerenza. Piccoli difetti nella struttura cristallina delle perovskiti, chiamate trappole, possono far sì che gli elettroni si “blocchino” prima che la loro energia possa essere imbrigliata. Più facile è la mobilità degli elettroni in un materiale di celle solari, più efficiente sarà il materiale per convertire i fotoni, le particelle di luce, in elettricità. Un altro problema è che gli ioni possono muoversi nella cella solare quando sono illuminati, il che può causare un cambiamento nella banda proibita (bandgap) – il colore della luce che il materiale assorbe.

“Finora, non siamo stati in grado di rendere questi materiali stabili con il bandgap di cui abbiamo bisogno, quindi abbiamo cercato di immobilizzare il movimento degli ioni modificando la composizione chimica degli strati di perovskite”, riferisce il dott. Sam Stranks del Cavendish Laboratory di Cambridge, che ha guidato la ricerca. “Questo consentirebbe alle perovskiti di essere utilizzate come celle solari versatili o come LED colorati, che sono essenzialmente celle solari che funzionano al contrario.”

Nello studio, i ricercatori hanno modificato la composizione chimica degli strati di perovskite aggiungendo ioduro di potassio agli inchiostri di perovskite, che poi si autoassemblano in pellicole sottili. La tecnica è compatibile con i processi roll-to-roll, il che significa che è scalabile e poco costosa. Lo ioduro di potassio formava uno strato “decorativo” sopra la perovskite che aveva l’effetto di “curare” le trappole in modo che gli elettroni potessero muoversi più liberamente, oltre a immobilizzare il movimento degli ioni, il che rende il materiale più stabile al desiderato bandgap.

“Il potassio stabilizza le bande di perovskite che vogliamo per le celle solari in tandem e le rende più luminescenti, il che significa celle solari più efficienti”, riferisce Stranks, la cui ricerca è finanziata dall’Unione Europea e dal programma Horizon 2020 del Consiglio europeo della ricerca. “Gestisce quasi interamente gli ioni e i difetti nelle perovskiti.”

“Abbiamo scoperto che le perovskiti sono molto tolleranti agli additivi – puoi aggiungere nuovi componenti e faranno meglio”, ha detto il primo autore Mojtaba Abdi-Jalebi, un dottorando presso il Cavendish Laboratory finanziato dalla Nava Technology Limited. “A differenza di altre tecnologie fotovoltaiche, non è necessario aggiungere un ulteriore livello per migliorare le prestazioni, l’additivo è semplicemente miscelato con l’inchiostro perovskite.”

I dispositivi di perovskite e potassio hanno mostrato una buona stabilità nei test ed erano efficienti al 21,5% nel convertire la luce in elettricità, dato simile alle migliori celle solari basate sulla perovskite e non molto al di sotto del limite pratico di efficienza delle celle solari a base di silicio, che è del 29%. Le celle tandem composte da due strati di perovskite con bande di accumulo ideali hanno un limite di efficienza teorico del 45% e un limite pratico del 35%, entrambi superiori agli attuali limiti di efficienza pratica per il silicio. “Ottieni più potere per i tuoi soldi”, riferisce Stranks.

La ricerca è stata anche sostenuta in parte dalla Royal Society e dal Consiglio di ricerca in Ingegneria e Scienze Fisiche. Il team internazionale comprendeva ricercatori di Cambridge, Sheffield University, Uppsala University in Svezia e Delft University of Technology nei Paesi Bassi.

Il testo di questo articolo, in parte modificato, è stato tradotto dal testo pubblicato qui sotto licenza Creative Commons — Attribution 4.0 International — CC BY 4.0 ed è dunque disponibile secondo la stessa licenza.

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