Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
Rivolando meccanismi di conversione allo stato solido divergenti in stack di perovskite a banda larga e a banda stretta evaporati sequenzialmente, questo studio stabilisce il controllo specifico della banda proibita come principio di progettazione per consentire la prima cella solare tandem all-perovskite evaporata con un'efficienza del 19,2% e una stabilità termica migliorata.
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L'energia solare è stata a lungo limitata da un limite fondamentale: un singolo strato di materiale può catturare solo una specifica fetta della luce solare, lasciando che il resto passi attraverso o si trasformi in calore disperso. Per rompere questa barriera, gli scienziati si sono rivolti all'impilamento di due diversi strati l'uno sopra l'altro, creando una cella tandem in cui lo strato superiore cattura la luce ad alta energia e lo strato inferiore cattura il resto. Il materiale più promettente per questo compito è una classe di cristalli chiamati perovskiti, che possono essere sintonizzati per assorbire diversi colori di luce. Sebbene queste celle abbiano raggiunto livelli di efficienza impressionanti in laboratorio, sono attualmente realizzate utilizzando sostanze chimiche liquide. Questo metodo prevede solventi tossici e passaggi disordinati che sono difficili da scalare per pannelli grandi, flessibili o di dimensioni industriali. Un'alternativa più pulita e precisa consiste nel costruire questi strati partendo da zero in un vuoto, facendo evaporare materiali solidi finché non formano un film, proprio come la brina che si forma su una finestra. Tuttavia, mentre questo metodo sotto vuoto funziona bene per strati semplici, gli scienziati hanno faticato a capire come realizzare i complessi strati di materiali misti necessari per le celle tandem senza l'aiuto dei liquidi.
Un team di ricercatori ha ora risolto questo enigma osservando, in tempo reale, come questi strati depositati sotto vuoto si trasformano in celle solari funzionanti. Hanno scoperto che il processo non è un evento singolo e uniforme, ma piuttosto due percorsi completamente diversi a seconda del tipo di materiale che viene prodotto. Nella creazione dello strato superiore, progettato per assorbire la luce blu e verde, i materiali si mescolano rapidamente e uniformemente prima ancora che si formi la struttura cristallina finale. I ricercatori hanno scoperto che il colore di luce assorbito da questo strato è determinato semplicemente da quanto viene aggiunto un ingrediente specifico contenente bromo, indipendentemente dal rapporto con gli altri ingredienti. Il sistema agisce come una zuppa ben mescolata in cui il sapore finale dipende dalla quantità totale di una spezia chiave, non dalla proporzione degli altri ingredienti.
Al contrario, lo strato inferiore, progettato per assorbire la luce rossa e l'infrarosso utilizzando una miscela di stagno e piombo, segue un percorso molto più caotico. Non appena viene aggiunto il componente organico, una reazione inizia all'interfaccia tra gli strati, formando una crosta solida che intrappola i restanti materiali sottostanti. Questa formazione precoce crea una barriera che impedisce agli ingredienti di mescolarsi accuratamente. Invece di una miscela uniforme, il cristallo finale risulta avere un gradiente verticale, dove la parte superiore è ricca di piombo e la parte inferiore è ricca di stagno. I ricercatori si sono resi conto che questo mescolamento non uniforme avviene perché il reticolo cristallino si forma e si indurisce più velocemente di quanto gli atomi metallici possano scambiarsi di posto per trovare le loro posizioni perfette. Questa intuizione spiega perché i precedenti tentativi di realizzare queste celle fossero incoerenti; il processo cercava di forzare una miscela uniforme in un sistema che naturalmente vi si oppone.
Armati di questa comprensione del comportamento dei materiali, il team ha ottimizzato il riscaldamento e la tempistica per ogni strato separatamente. Sono riusciti a creare una cella solare tandem completa in cui entrambi gli strati erano stati formati interamente attraverso questo metodo a secco, basato sul vuoto, senza una singola goccia di solvente liquido. Il dispositivo risultante ha convertito la luce solare in elettricità con un'efficienza del 19,2 percento, un traguardo significativo per questa specifica tecnica di produzione. Inoltre, le celle si sono dimostrate notevolmente durevoli; conservate in un ambiente caldo per 1.200 ore, hanno mantenuto l'80 percento delle loro prestazioni iniziali. Questo lavoro dimostra che, adattando il processo di produzione al comportamento fisico specifico di ogni strato, è possibile costruire celle solari di alta qualità, prive di solventi, pronte per la prossima generazione di energia solare flessibile e su larga scala.
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