Fotovoltaico: queste celle solari tandem interamente in perovskite hanno raggiunto un’efficienza record del 29,1%

Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato una tecnica innovativa per controllare l’orientamento dei cristalli nei film in perovskite a banda proibita ampia (wide bandgap), mantenendo un’efficace trasmissione delle cariche. Questa metodologia è stata applicata con successo in una cella solare tandem interamente in perovskite, raggiungendo un’efficienza certificata del 29,1% e una tensione a circuito aperto di 2,21 V.

Tecniche avanzate per migliorare l’efficienza delle celle solari in perovskite

Il team, guidato dall’Università di Nanchino in Cina, ha creato una cella solare tandem da 0,049 cm² che riduce le perdite di tensione a circuito aperto nel subcell a banda proibita ampia e migliora le prestazioni complessive.

La chiave di questo successo risiede nell’impiego di perovskiti bidimensionali (2D) come fase intermedia sulla superficie del film, che ha permesso di ridurre la ricombinazione non radiativa. “Nei nostri test di laboratorio, abbiamo raggiunto un’efficienza record del 29,7%, con una tensione a circuito aperto di 2,175 V, una densità di corrente di 16,4 mA/cm² e un fattore di riempimento dell’83,3%,” ha dichiarato Renxing Lin, co-autore dello studio. I risultati sono stati certificati dal laboratorio giapponese JET (Japan Electrical Safety and Environment Technology Laboratory).

Migliorare l’orientamento cristallino delle perovskiti

I ricercatori hanno dimostrato che, attraverso un’ingegneria compositiva della superficie, è possibile aumentare la quantità di fasi bidimensionali senza dover ricorrere a una quantità eccessiva di leganti 2D, che altrimenti limiterebbero il trasporto delle cariche. In particolare, durante il processo di fabbricazione, sono stati aggiunti feniletilammonio ioduro (PEAI) e metilammonio ioduro (MAI) all’antisolvente, formando un sottile strato di perovskite 2D sulla superficie del subcell a banda proibita ampia.

Questo strato ha favorito la crescita verticale di cristalli tridimensionali (3D) orientati lungo l’asse (100), grazie alla riduzione dell’energia interfacciale nei eterostrati 2D/3D. “Il trattamento con antisolvente ha migliorato non solo la superficie della perovskite, ma ha anche influenzato significativamente l’orientamento cristallografico, promuovendo un allineamento più favorevole,” ha spiegato Lin.

Il risultato è stato un film di perovskite di alta qualità con orientamento (100), che ha permesso di sopprimere la ricombinazione non radiativa e di ottenere una tensione a circuito aperto di 1,373 V per un bandgap di 1,78 eV e un’efficienza del 21,1%.

Configurazione tandem e stabilità a lungo termine

Per ottenere prestazioni così elevate, la cella tandem è stata realizzata combinando il subcell a banda proibita ampia con un subcell a banda proibita stretta ad alta efficienza. Quest’ultimo è stato ottimizzato attraverso un design ottico-elettrico ben calibrato.

Durante gli esperimenti, i ricercatori hanno esplorato diverse strategie per migliorare i film WBG. Tra queste, l’aggiunta diretta di PEAI alla soluzione precursore come additivo diretto (DA) e l’introduzione di PEAI nell’antisolvente come additivo di processo (SPA). Inoltre, un’altra variante SPA prevedeva una miscela di MAI e PEAI in rapporto 1:2, creando un ambiente locale ricco di MA.

I test di stabilità hanno dimostrato che i campioni contenenti MA hanno mantenuto oltre l’85% dell’efficienza iniziale per 500 ore. Tuttavia, i campioni privi di cationi MA hanno mostrato prestazioni migliori. “I futuri studi dovrebbero concentrarsi su additivi non-MA per migliorare ulteriormente la formazione di template 2D,” hanno sottolineato i ricercatori.

Il team prevede di applicare questa tecnologia a livello industriale, ottimizzando l’efficienza e la stabilità a lungo termine per le applicazioni su larga scala, sia residenziali che utility-scale. Tra gli obiettivi, vi è la realizzazione di dispositivi di maggiori dimensioni tramite il metodo di blade coating, una tecnica scalabile ed economicamente vantaggiosa:

Ci stiamo concentrando sull’ottimizzazione di parametri come la composizione del solvente, la velocità di deposizione, le condizioni di annealing e l’uniformità del rivestimento per garantire una qualità costante del film su substrati più grandi.

Il gruppo sta anche studiando tecniche avanzate di caratterizzazione per comprendere meglio come il processo di scalabilità influisca sulla cristallinità, l’orientamento e la morfologia complessiva dei film in perovskite.

La corsa globale per superare i limiti di efficienza

Ridurre i costi dell’energia solare e migliorare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici rappresenta una sfida cruciale per un futuro sostenibile. Sebbene il team dell’Università di Nanchino abbia raggiunto un risultato straordinario con le celle tandem interamente in perovskite, non sono gli unici protagonisti di questa rivoluzione tecnologica.

Dalla Cina arrivano ulteriori progressi, come dimostra l’innovazione della cella tandem perovskite-silicio sviluppata dagli scienziati dell’Università Politecnica del Nord-Ovest di Xi’an, nella provincia dello Shaanxi. Questa cella a quattro terminali, semi-trasparente, integra un avanzato strato protettivo di ossido di indio (In₂O₃), che non solo migliora l’efficienza ma è anche prodotto tramite un metodo a basso costo e senza solventi. Un approccio, quindi, più sostenibile e facilmente scalabile per la produzione su larga scala.

Non si ferma qui la competizione internazionale per superare i limiti dell’efficienza fotovoltaica. L’azienda cinese LONGi ha recentemente raggiunto un’efficienza record del 33,9% con celle tandem silicio-perovskite, superando per la prima volta il limite teorico di Shockley-Queisser del 33,7% per le celle a giunzione singola. Questo traguardo apre nuove possibilità per l’efficienza energetica e la produttività su scala globale.

Anche Oxford PV, in collaborazione con l’Istituto Fraunhofer, ha fatto parlare di sé annunciando un’efficienza del 25% per i suoi pannelli solari tandem di perovskite su silicio. Grazie a questa innovazione, Oxford PV ha consolidato il proprio ruolo nella trasformazione del settore fotovoltaico.

Il futuro dell’energia rinnovabile è sempre più vicino, e con ogni nuovo record di efficienza ci avviciniamo a un sistema energetico globale più pulito e competitivo.

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Fonte: Nature

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