Exploring the Potential of Ternary Blending for Two and Three-Junction RAINBOW Solar Cells

Questo studio dimostra che l'architettura a splitting spettrale RAINBOW scalabile, che utilizza subcelle ternarie miscelate per ottimizzare i bandgap e minimizzare le sfide di fabbricazione, può aumentare l'efficienza delle celle fotovoltaiche organiche dal 12,9% nei dispositivi a giunzione singola al 17,3% nelle configurazioni a tre giunzioni, confermandone la fattibilità per celle solari ad alte prestazioni e producibili industrialmente.

L'essenziale

Immagina di cercare di raccogliere l'acqua piovana utilizzando un unico secchio largo. Se la pioggia è leggera, ne raccogli un po'. Se è un rovescio intenso, il tuo secchio trabocca e perdi l'acqua in eccesso. È esattamente così che funzionano oggi le celle solari tradizionali: sono realizzate con un unico materiale che può solo "catturare" fotoni (particelle di luce) di una specifica energia. Se la luce è troppo debole, il materiale la ignora. Se la luce è troppo intensa, il materiale la cattura ma spreca l'energia extra sotto forma di calore.

I ricercatori di questo articolo stanno cercando di costruire un sistema di "raccolta della pioggia" migliore utilizzando un nuovo design intelligente chiamato RAINBOW.

Il problema del vecchio metodo (impilamento)

Di solito, per catturare più tipi di luce, gli scienziati impilano diverse celle solari una sopra l'altra, come un panino. Lo strato superiore cattura la luce brillante ad alta energia e lascia passare il resto allo strato inferiore. Ma questo è difficile da realizzare. È come cercare di impilare perfettamente delle frittelle delicate; se non si allineano perfettamente, tutto crolla o smette di funzionare. Inoltre, gli strati devono corrispondere perfettamente per quanto riguarda la quantità di elettricità che producono, il che è un mal di testa per i produttori.

La nuova idea: l'approccio RAINBOW

Invece di impilare le celle verticalmente, i ricercatori le hanno disposte una accanto all'altra, come piastrelle su un pavimento. Utilizzano uno specchio ottico speciale (l'"elemento ottico") per dividere la luce solare come un prisma, inviando diversi colori di luce a diverse piastrelle.

• La luce blu va alla "Piastrella Blu".
• La luce verde va alla "Piastrella Verde".
• La luce rossa va alla "Piastrella Rossa".

Poiché sono disposte una accanto all'altra, non devono essere perfettamente impilate e non devono corrispondere esattamente nella loro produzione elettrica. Questo le rende molto più facili da produrre utilizzando strumenti grandi e scalabili come una spatola (un processo chiamato rivestimento a lama).

Il pezzo mancante: la miscela "ternaria"

Il team ha scoperto che, mentre le piastrelle "Blu" e "Verde" funzionavano bene, la "Piastrella Rossa" (che cattura la luce a infrarossi lontani, a più bassa energia) stava faticando. Era come un secchio con un buco sul fondo: poteva catturare l'acqua, ma perdeva molta energia.

Per risolvere il problema, non hanno usato un solo materiale per la Piastrella Rossa. Hanno creato una miscela ternaria.
Pensa a una miscela binaria come a un frullato fatto con solo due frutti (Donatore e Accettore). Una miscela ternaria aggiunge un terzo frutto.

• Hanno preso il loro materiale rosso che faticava e vi hanno mescolato un terzo ingrediente.
• Questo terzo ingrediente ha agito come un "ponte" o un "aiuto". Ha aiutato il flusso di elettricità a migliorare e ha fermato le perdite di energia.
• Nello specifico, hanno mescolato un materiale chiamato COTIC-4F (il principale catturatore) con BTP-eC9 (l'aiutante).

Questa nuova miscela a tre parti non ha solo catturato la stessa quantità di luce; l'ha catturata in modo più efficiente, trasformando più di quella luce in elettricità.

I risultati: una cattura migliore

Il team ha testato questa idea in due modi:

1. Simulazioni al computer: Hanno modellato cosa sarebbe successo se avessero combinato queste piastrelle. Hanno scoperto che un sistema a 2 giunzioni (Blu + Rossa) poteva raggiungere un'efficienza del 16,4%, e un sistema a 3 giunzioni (Blu + Verde + Rossa) poteva toccare il 17,7%.
2. Test nel mondo reale: Hanno effettivamente costruito questi dispositivi affiancati utilizzando il loro metodo di rivestimento a lama. I risultati sono stati molto vicini alle simulazioni:
   • Dispositivo a 2 giunzioni: efficienza del 15,9%.
   • Dispositivo a 3 giunzioni: efficienza del 17,3%.

Questo è un grande salto rispetto ai loro dispositivi a materiale singolo, che raggiungevano solo circa il 12,9%.

Le prospettive future

L'articolo conclude che questo design "RAINBOW" è un modo molto promettente e scalabile per rendere le celle solari organiche più efficienti. Tuttavia, notano un ultimo ostacolo: per spingere l'efficienza ancora più in alto, devono trovare materiali che siano davvero bravi a catturare la luce blu ad altissima energia (ampio bandgap). Attualmente, quei materiali non sono ancora abbastanza buoni come quelli rosso e verde.

In breve: disponendo le celle solari una accanto all'altra invece di impilarle, e mescolando un "terzo ingrediente" nel materiale che cattura la luce rossa per riparare le sue perdite, il team ha creato un design di cella solare più facile da produrre e che cattura significativamente più energia dal sole.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Esplorazione del Potenziale della Miscelazione Ternaria per Celle Solari RAINBOW a Due e Tre Giunzioni

Enunciato del Problema
Le fotovoltaiche organiche (OPV) hanno recentemente superato il 20% di efficienza nei dispositivi a giunzione singola, ma rimangono fondamentalmente limitate dal disadattamento spettrale tra lo spettro solare incidente e il bandgap del materiale fotoattivo. Sebbene le architetture multigiunzione (tandem) offrano una via verso efficienze superiori riducendo le perdite per termalizzazione e assorbimento, le configurazioni impilate verticalmente affrontano ostacoli significativi nella fabbricazione, inclusi vincoli di adattamento della corrente, strati di interconnessione complessi e problemi di scalabilità. L'architettura "RAINBOW" propone una soluzione posizionando le sottocelle fianco a fianco e collegandole esternamente, sfruttando elementi ottici per dividere lateralmente la luce incidente. Tuttavia, le prestazioni dei dispositivi RAINBOW sono attualmente vincolate dalla disponibilità di materiali altamente efficienti su tutto lo spettro dei bandgap, in particolare per i regimi a bandgap stretto (NBG, <1.3 eV) e a bandgap largo (WBG, >1.7 eV). Inoltre, i sistemi NBG esistenti, come PTB7-Th:COTIC-4F, soffrono spesso di una bassa tensione a circuito aperto ($V_{oc}$) e di un'estrazione di carica inefficiente, limitandone l'utilità come sottocelle rosse.

Metodologia
Lo studio adotta un approccio multifacciale che combina screening dei materiali, ottimizzazione di miscele ternarie, simulazione dei dispositivi e fabbricazione scalabile:

1. Screening dei Materiali e Ottimizzazione Ternaria: Gli autori hanno valutato sette sistemi binari donatore-accettore con bandgap che variano da 1.98 eV a 1.16 eV. Riconoscendo i limiti del sistema binario NBG PTB7-Th:COTIC-4F, hanno esplorato miscele ternarie incorporando un terzo componente (un secondo accettore o un derivato del fullerene) per sintonizzare la $V_{oc}$ e migliorare il trasporto di carica. Sono stati testati cinque specifici sistemi ternari, con un focus sul sistema PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9.
2. Caratterizzazione: I dispositivi sono stati fabbricati utilizzando il rivestimento a lama ad alta produttività con gradienti di spessore per determinare gli spessori ottimali dello strato attivo. La caratterizzazione completa ha incluso misurazioni corrente-tensione (JV) sotto AM1.5G, profilatura dell'Efficienza Quantica Esterna (EQE) e scattering a raggi X ad angolo ampio con incidenza radente basato su sincrotrone (GIWAXS) per analizzare la microstruttura e la cristallinità.
3. Simulazione: Sono state condotte simulazioni semi-sperimentali per modellare configurazioni RAINBOW a 2 giunzioni e a 3 giunzioni. Questi modelli hanno utilizzato parametri JV sperimentali e curve EQE per calcolare correnti parziali ed efficienze per diverse lunghezze d'onda di divisione spettrale ($\lambda_{div}$).
4. Fabbricazione di Prova di Concetto: Dispositivi RAINBOW monolitici sono stati fabbricati utilizzando il rivestimento a lama guidato da menisco scalabile, depositando fino a sei diversi materiali attivi fianco a fianco su un singolo substrato. Questi dispositivi sono stati caratterizzati sotto spettri parziali personalizzati generati da un simulatore solare LED programmabile per mimare le condizioni operative RAINBOW.
5. Analisi Teorica: È stato calcolato un limite di bilancio dettagliato modificato per tenere conto delle perdite non radiative intrinseche nei semiconduttori organici, specificamente l'energia di riorganizzazione, per stimare il limite teorico massimo per questa geometria.

Contributi e Risultati Chiave

• Miscelazione Ternaria per Sottocelle NBG: Lo studio dimostra che la miscelazione ternaria è una strategia efficace per superare i limiti dei sistemi binari NBG. Nello specifico, la miscela ternaria PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 (ottimizzata con un rapporto 1:0.6:0.9) ha migliorato significativamente le prestazioni della sottocella rossa. Mentre il binario PTB7-Th:COTIC-4F ha raggiunto solo il 6.62% di efficienza con una bassa $V_{oc}$ di 0.54 V, la miscela ternaria ha raggiunto l'8.71% di efficienza con una $V_{oc}$ aumentata a 0.60 V. Crucialmente, la miscela ternaria ha mantenuto l'assorbimento esteso nel vicino infrarosso (fino a 1100 nm) migliorando l'efficienza di estrazione di carica, come dimostrato da valori EQE più elevati nella regione di assorbimento condivisa. L'analisi GIWAXS ha rivelato che, sebbene la microstruttura fosse dominata da COTIC-4F, l'allineamento dei livelli energetici nel sistema ternario ha facilitato un trasferimento di elettroni a cascata da COTIC-4F a BTP-eC9, riducendo le perdite per ricombinazione.
• Simulazione delle Configurazioni Multigiunzione: Le simulazioni hanno identificato che le efficienze teoriche più elevate per i dispositivi RAINBOW dipendono dall'inclusione di queste miscele ternarie ottimizzate.
  • 2-Giunzioni: La configurazione ottimale (PTQ10:FCC-Cl come cella blu e la miscela ternaria PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 come cella rossa) ha raggiunto un'Efficienza di Conversione della Potenza (PCE) simulata del 16.4%, un aumento significativo rispetto alla migliore cella a giunzione singola (12.9%) e al RAINBOW basato su binari (15.2%).
  • 3-Giunzioni: L'aggiunta di una sottocella verde (PM6:DTY6) allo stack ottimale a 2 giunzioni ha prodotto una PCE simulata del 17.7%.
• Validazione Sperimentale: I dispositivi RAINBOW di prova di concetto fabbricati tramite rivestimento a lama hanno validato le simulazioni.
  • Il dispositivo a 2 giunzioni ha raggiunto una PCE sperimentale del 15.9% (rispetto al 15.1% per l'equivalente basato su binari).
  • Il dispositivo a 3 giunzioni ha raggiunto una PCE sperimentale del 17.3% (rispetto al 17.0% per l'equivalente basato su binari).
  • Questi risultati confermano la fattibilità del metodo di deposizione fianco a fianco e l'efficacia delle miscele ternarie nel migliorare le prestazioni multigiunzione.
• Limiti Teorici: Gli autori propongono un limite di bilancio dettagliato rivisto per le OPV che incorpora le perdite non radiative. Questo modello suggerisce che l'efficienza teorica massima per le OPV a giunzione singola è di circa il 27% a un bandgap di 1.5 eV (inferiore al limite standard di Shockley-Queisser del 33%). Per i dispositivi RAINBOW multigiunzione, il modello indica che le efficienze possono essere spinte più in alto, a condizione che vengano sviluppati materiali WBG altamente efficienti (>2 eV) con corrente e fattori di riempimento migliorati.

Significato
Il documento stabilisce l'architettura RAINBOW come un'alternativa scalabile e fattibile ai tandem impilati verticalmente per OPV ad alta efficienza. Dimostrando che la miscelazione ternaria può sintonizzare efficacemente la $V_{oc}$ e le proprietà di trasporto di carica dei materiali a bandgap stretto senza sacrificare la copertura spettrale, lo studio fornisce un percorso concreto per superare gli attuali colli di bottiglia nella progettazione di OPV multigiunzione. La fabbricazione riuscita di dispositivi a 3 giunzioni con efficienze che si avvicinano al 17.3% utilizzando metodi scalabili di rivestimento a lama evidenzia il potenziale per l'applicazione industriale. Inoltre, il lavoro sottolinea che i futuri guadagni in questa geometria dipendono dallo sviluppo di materiali a bandgap largo ad alte prestazioni, spostando il focus della ricerca sui materiali verso il regime >2 eV per realizzare appieno il potenziale del concetto RAINBOW.