Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

La luce solare è un vasto e irregolare fiume di energia, che contiene colori che vanno dal violetto che possiamo vedere all'infrarosso invisibile che riscalda la nostra pelle. Per decenni, il modo più efficiente per catturare questa energia è stato quello di utilizzare un singolo materiale, come il silicio, per trasformare la luce in elettricità. Ma un singolo materiale agisce come un setaccio con fori di dimensioni fisse; cattura bene alcuni colori ma lascia passare altri, sprecando la loro energia sotto forma di calore. Per catturare di più il fiume, gli scienziati si sono rivolti all'accumulo di diversi materiali l'uno sopra l'altro, creando celle solari "tandem". Ogni strato è sintonizzato per catturare una diversa fetta dello spettro solare, lavorando insieme per raccogliere molta più energia di quanto un singolo strato potrebbe mai fare. La sfida è sempre stata trovare i materiali giusti per lo strato inferiore, che deve essere sottile, flessibile e capace di catturare le lunghe onde invisibili dell'infrarosso senza degradarsi.

Un team di ricercatori dell'Università di Oxford e dei loro collaboratori ha ora identificato un nuovo materiale che potrebbe risolvere questo problema, offrendo una via per celle solari che siano non solo più efficienti, ma anche più economiche e stabili da produrre. Si sono concentrati su un composto chiamato solfuro di argento e bismuto, un materiale che aveva mostrato promesse nelle celle solari a strato singolo ma che non era mai stato utilizzato con successo come strato inferiore in un dispositivo tandem impilato. I ricercatori hanno scoperto che questo materiale ha un vantaggio naturale: può assorbire la luce infrarossa in modo più efficace rispetto al principale candidato attuale, una miscela di piombo e stagno, e non si decompone quando esposto all'aria. Sviluppando un nuovo modo per depositare film spessi di questo materiale, hanno dimostrato le prime celle solari tandem funzionanti utilizzando il solfuro di argento e bismuto, provando che può essere accoppiato con altri strati per creare una fonte di energia altamente efficiente, stabile e scalabile.

Il viaggio verso questa scoperta è iniziato con una semplice domanda di fisica. In una cella solare tandem, lo strato inferiore deve avere un "bandgap" specifico, un termine che descrive l'energia minima che un materiale necessita per trasformare la luce in elettricità. Se il bandgap è troppo alto, il materiale ignora la luce infrarossa a bassa energia; se è troppo basso, spreca l'energia della luce ad alta energia. Il bandgap ideale per lo strato inferiore di una cella a due strati è poco meno di un elettronvolt, e per una cella a tre strati è ancora più basso. Lo standard attuale per lo strato inferiore nelle celle solari avanzate è una miscela di piombo e stagno. Sebbene questa miscela possa essere sintonizzata per assorbire la luce infrarossa, il suo bandgap è ancora leggermente troppo alto per essere perfetto, e la componente di stagno è chimicamente instabile, incline a reagire con l'ossigeno e rovinare la cella a meno che non venga prodotta in un ambiente perfettamente sigillato e privo di ossigeno.

I ricercatori hanno rivolto la loro attenzione al solfuro di argento e bismuto. Questo materiale ha naturalmente un bandgap di circa un elettronvolt, che è molto più vicino al valore ideale per uno strato inferiore rispetto alla miscela di piombo e stagno. È anche composto da elementi abbondanti e non tossici e, a differenza della miscela piombo-stagno, è stabile in aria normale. Tuttavia, c'era un ostacolo significativo. In esperimenti precedenti, il solfuro di argento e bismuto funzionava meglio solo se realizzato in film estremamente sottili, di poche decine di nanometri di spessore. Questo perché il materiale aveva una breve "lunghezza di diffusione", il che significa che una volta che una particella di luce crea una carica elettrica, tale carica non poteva viaggiare molto lontano prima di perdersi. Per una cella solare funzionare bene, specialmente se progettata per catturare la luce infrarossa, il film deve essere molto più spesso, circa cento nanometri o più, per assorbire abbastanza luce. Se il film è troppo spesso, le cariche rimangono intrappolate e l'elettricità smette di fluire.

Per superare questo, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per preparare il materiale. Invece di costruire il film strato dopo strato in un processo lento e tedioso, hanno creato un inchiostro liquido contenente minuscoli cristalli di solfuro di argento e bismuto. Hanno poi trattato questi cristalli con una miscela di agenti chimici, specificamente bromuro e ioduro, per pulire e proteggere le loro superfici. Questo trattamento, noto come scambio di ligandi in fase di soluzione, ha permesso ai cristalli di aderire strettamente tra loro e condurre l'elettricità molto meglio. Il risultato è stato un film che poteva essere depositato in un unico passaggio, proprio come stendere la vernice, e poteva essere reso spesso fino a 340 nanometri senza creparsi o perdere la sua capacità di trasportare elettricità. Questa è stata una svolta cruciale, poiché significava che il materiale poteva finalmente essere abbastanza spesso da catturare la luce infrarossa per cui era stato progettato.

Con questo nuovo film spesso in mano, il team ha costruito le prime celle solari tandem utilizzando il solfuro di argento e bismuto. Hanno creato due tipi di dispositivi. Il primo era un tandem a "quattro terminali", dove due celle solari separate venivano poste l'una sopra l'altra ma operate indipendentemente, come due batterie separate collegate in un circuito. Hanno accoppiato una cella inferiore di solfuro di argento e bismuto con una cella superiore fatta di un altro materiale chiamato perovskite. La combinazione ha prodotto un'efficienza di quasi il 24 percento, un risultato forte che ha dimostrato che i due materiali possono lavorare insieme efficacemente. Il secondo tipo era un tandem "monolitico" o a "due terminali", dove gli strati erano fusi in un'unica unità solida che agiva come una singola batteria. Questa era una sfida ingegneristica molto più difficile, che richiedeva uno strato trasparente speciale tra le due celle per consentire all'elettricità di fluire tra di esse senza cortocircuiti. Nonostante la complessità, il team è riuscito a costruire questi dispositivi, dimostrando che i voltaggi dei due strati si sommavano correttamente, un requisito fondamentale per una cella tandem funzionante.

Le simulazioni che i ricercatori hanno eseguito prima di costruire i dispositivi suggerivano che il solfuro di argento e bismuto potrebbe spingere l'efficienza teorica delle celle solari a tre strati a quasi il 48 percento, molto più alto del limite del 36 percento della attuale tecnologia piombo-stagno. Sebbene i dispositivi costruiti non fossero ancora a quel picco teorico, i risultati sperimentali hanno confermato che il materiale funziona e che il nuovo metodo di fabbricazione è praticabile. Il team ha anche testato la stabilità delle loro nuove celle. Hanno lasciato dispositivi non sigillati appoggiati su uno scaffale in aria secca per tre mesi. Mentre un dispositivo simile realizzato con la miscela piombo-stagno avrebbe perso la maggior parte della sua potenza in soli un giorno e mezzo, le celle di solfuro di argento e bismuto hanno mantenuto più del 90 percento della loro efficienza originale. Questa durabilità suggerisce che i futuri pannelli solari realizzati con questo materiale potrebbero essere prodotti in fabbriche ordinarie senza la necessità di stanze costose e prive di ossigeno, riducendo potenzialmente il costo dell'energia solare.

I ricercatori hanno anche esaminato quanto fosse facile produrre questi film su larga scala. Hanno confrontato il loro nuovo metodo a passaggio singolo con il vecchio metodo a più passaggi e hanno scoperto che il nuovo approccio era significativamente più veloce ed economico. Hanno portato con successo il loro processo dai piccoli campioni di laboratorio a pannelli più grandi, dimostrando che il film rimaneva uniforme e privo di difetti anche quando veniva realizzato su una superficie delle dimensioni di una piccola piastrella. Questa scalabilità è essenziale per passare da una curiosità di laboratorio a un prodotto che possa essere utilizzato sui tetti o integrato negli edifici.

Il lavoro non significa che il problema sia stato completamente risolto. I ricercatori hanno notato che, anche con i loro miglioramenti, le cariche nel solfuro di argento e bismuto vengono ancora intrappolate relativamente velocemente, il che limita quanto possa essere spesso il film e quanta corrente possa generare. Hanno identificato che il passo successivo è trovare modi per rendere il materiale ancora più conduttivo, forse cambiando il modo in cui i cristalli sono disposti, in modo che le cariche possano viaggiare ancora più lontano. Tuttavia, lo studio ha stabilito un nuovo percorso chiaro. Dimostrando che il solfuro di argento e bismuto può essere trasformato in film spessi, stabili ed efficienti, e dimostrando il suo successo nelle prime celle solari tandem, il team ha aperto la porta a una nuova generazione di tecnologia solare che è più efficiente, più stabile e potenzialmente molto più economica da produrre rispetto a quella esistente oggi.