Il "trucco" della deformazione migliora l'efficienza delle celle solari in perovskite
L'energia solare è una delle soluzioni più promettenti per ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili. Ma rendere i pannelli solari più efficienti è una sfida costante. Le celle solari a perovskite (PSC) hanno cambiato le carte in tavola, offrendo rapidi miglioramenti dell'efficienza e un potenziale di produzione a basso costo. Tuttavia, soffrono ancora di perdite di energia e di problemi di stabilità operativa.
La sfida delle perovskiti ad ampio bandgap
Le celle solari a perovskite, in particolare quelle utilizzate in configurazioni tandem, si basano su materiali a largo bandgap (WBG) - semiconduttori che assorbono la luce a più alta energia (più blu) lasciando passare quella a più bassa energia (più rossa) - per massimizzare l'efficienza. Tuttavia, le formulazioni di perovskite ad ampio intervallo di banda spesso soffrono di segregazione di fase, in cui i diversi componenti si separano nel tempo, causando un calo delle prestazioni.
Una soluzione è l'aggiunta di rubidio (Rb) per stabilizzare i materiali WBG, ma c'è un problema: L'Rb tende a formare fasi secondarie indesiderate, riducendo la sua efficacia nello stabilizzare la struttura della perovskite.
La soluzione dell'EPFL: la tensione in soccorso
Gli scienziati guidati da Lukas Pfeifer e Likai Zheng nel gruppo di Michael Grätzel all'EPFL hanno ora trovato un modo per costringere il Rb a rimanere dove è necessario. Utilizzando la "deformazione reticolare" del film di perovskite, sono riusciti a incorporare ioni Rb nella struttura, impedendo la segregazione di fase indesiderata. Questo nuovo approccio non solo stabilizza il materiale WBG, ma ne migliora anche l'efficienza energetica, riducendo al minimo la ricombinazione non radiativa, responsabile della perdita di energia.
I ricercatori hanno utilizzato la deformazione reticolare - una distorsione controllata della struttura atomica - per mantenere il Rb bloccato nel reticolo della perovskite. A tal fine hanno regolato con precisione la composizione chimica e il processo di riscaldamento e raffreddamento. Il riscaldamento rapido seguito da un raffreddamento controllato ha indotto una deformazione, impedendo al Rb di formare fasi secondarie indesiderate e garantendone l'integrazione nella struttura.
Verifica e messa a punto dell'approccio
Per confermare e comprendere questo effetto, il team ha utilizzato la diffrazione dei raggi X per analizzare i cambiamenti strutturali, la risonanza magnetica nucleare allo stato solido per tracciare il posizionamento atomico del Rb e la modellazione computazionale per simulare l'interazione degli atomi in condizioni diverse. Queste tecniche hanno fornito un quadro dettagliato di come la deformazione stabilizzi l'incorporazione del Rb.
Oltre alla deformazione del reticolo, hanno scoperto che l'introduzione di ioni cloruro è fondamentale per stabilizzare il reticolo, compensando le differenze di dimensioni tra gli elementi incorporati. Questo assicura una distribuzione più uniforme degli ioni, riducendo i difetti e migliorando la stabilità complessiva del materiale.
Il risultato? Un materiale più uniforme con meno difetti e una struttura elettronica più stabile. La nuova composizione di perovskite, potenziata con Rb stabilizzato alla deformazione, ha raggiunto una tensione a circuito aperto di 1,30 V, un impressionante 93,5% del suo limite teorico. Si tratta di una delle perdite di energia più basse mai registrate nelle perovskiti WBG. Inoltre, il materiale modificato ha mostrato una migliore resa quantica della fotoluminescenza (PLQY), indicando che la luce solare veniva convertita in modo più efficiente in elettricità.
Impatto sulle energie rinnovabili
La riduzione della perdita di energia nelle celle solari di perovskite potrebbe portare a pannelli solari più efficienti ed economici. Ciò è particolarmente importante per le celle solari tandem, dove le perovskiti sono accoppiate al silicio per massimizzare l'efficienza.
I risultati hanno anche implicazioni che vanno oltre i pannelli solari: le perovskiti vengono studiate per i LED, i sensori e altre applicazioni optoelettroniche. Stabilizzando le perovskiti WBG, la ricerca dell'EPFL potrebbe contribuire ad accelerare la commercializzazione di queste tecnologie.
Altri collaboratori
- Laboratorio di risonanza magnetica dell'EPFL
- Piattaforma di diffrazione a raggi X e di analisi delle superfici dell'EPFL
- Struttura per la crescita dei cristalli dell'EPFL
- Laboratorio di chimica e biochimica computazionale dell'EPFL
- Università di Nanjing di Aeronautica e Astronautica
- Università nazionale di Singapore
- Politecnico di Milano
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.
Pubblicazione originale
Likai Zheng, Mingyang Wei, Felix T. Eickemeyer, Jing Gao, Bin Huang, Ummugulsum Gunes, Pascal Schouwink, David Wenhua Bi, Virginia Carnevali, Mounir Mensi, Francesco Biasoni, Yuxuan Zhang, Lorenzo Agosta, Vladislav Slama, Nikolaos Lempesis, Michael A. Hope, Shaik M. Zakeeruddin, Lyndon Emsley, Ursula Rothlisberger, Lukas Pfeifer, Yimin Xuan, Michael Grätzel. Strain-induced rubidium incorporation into wide bandgap perovskites reduces photovoltage loss. Science 04 April 2025
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