Correlated Oxide Nanocrystal Inks for Hole-Selective Contacts in n-i-p Perovskite Photovoltaics

La luce solare è una risorsa potente, ma catturarla in modo efficiente richiede materiali che possano non solo assorbire la luce, ma anche guidare l'elettricità che essa crea verso il posto giusto. Nel mondo delle celle solari, questo ruolo di guida è spesso ricoperto da un tipo specifico di materiale chiamato semiconduttore. Per decenni, gli scienziati si sono affidati a composti organici per muovere le cariche elettriche positive, note come lacune, attraverso una cella solare. Sebbene questi materiali organici funzionino bene, presentano un difetto significativo: sono costosi da produrre, richiedono spesso additivi chimici instabili per funzionare e possono degradarsi rapidamente quando esposti al calore e all'umidità. Ciò ha spinto i ricercatori a cercare alternative inorganiche, nello specifico gli ossidi metallici, che sono naturalmente robusti ed economici. Tra questi, un materiale chiamato ossido di nichel si distingue come un candidato promettente perché conduce naturalmente le cariche positive senza la necessità di quegli additivi instabili. Tuttavia, un grande ostacolo ha impedito il suo utilizzo nelle progettazioni di celle solari più avanzate: il modo in cui viene prodotto attualmente lo costringe a essere lavorato in acqua, il che distrugge lo delicato strato assorbitore di luce su cui deve essere posizionato.

Un team di ricercatori dell'Università di Tokyo ha risolto questo problema di lunga data sviluppando un nuovo metodo per trasformare l'ossido di nichel in un inchiostro liquido che può essere dipinto sulle celle solari senza utilizzare l'acqua. Il loro lavoro, pubblicato recentemente, dettaglia come abbiano trasformato minuscole particelle di ossido di nichel da una miscela a base acquosa in una soluzione non acquosa che mantiene la sua capacità di condurre elettricità. Facendo questo, hanno consentito l'uso di questo materiale inorganico durevole nella tipologia di architettura di cella solare più efficiente disponibile oggi. Il risultato è una cella solare che non solo performa meglio dello standard attuale del settore, ma che resiste anche molto meglio alle condizioni ambientali avverse, offrendo una via verso un'energia solare più economica e duratura.

Per capire perché questo sia una tale svolta, bisogna prima guardare alla struttura delle celle solari che i ricercatori stanno cercando di migliorare. Le celle solari più efficienti attualmente utilizzano un design a strati in cui un materiale assorbitore di luce, noto come perovskite, si trova tra due strati che trasportano elettricità. Nella specifica progettazione a cui i ricercatori si sono concentrati, lo strato assorbitore di luce è incapsulato tra uno strato inferiore che muove le cariche negative e uno strato superiore che muove le cariche positive. Per anni, gli scienziati hanno utilizzato con successo particelle di ossido di nichel a base acquosa come questo strato superiore in un design diverso e meno efficiente. Tuttavia, quando provavano a porre questo strato a base acquosa sopra la perovskite nel design più efficiente, l'acqua danneggiava la perovskite, rovinando la cella. La sfida era spostare le particelle di ossido di nichel dall'acqua a un solvente che non danneggiasse la perovskite, senza perdere la loro capacità di condurre elettricità.

I ricercatori hanno iniziato studiando la natura fondamentale di queste particelle di ossido di nichel per capire come interagiscono con l'ambiente circostante. Hanno scoperto che in acqua, la superficie di queste minuscole particelle è coperta da atomi di idrogeno che agiscono come piccoli magneti, attirando le molecole d'acqua e mantenendo separate le particelle. Per spostarle fuori dall'acqua, il team ha ideato un processo intelligente in due fasi. Per prima cosa, hanno introdotto una sostanza chimica che poteva attaccarsi temporaneamente a questi magneti superficiali, creando efficacemente un ponte tra le particelle che amano l'acqua e un nuovo solvente simile all'olio. Questo passaggio ha permesso loro di estrarre le particelle dall'acqua e portarle in uno stato in cui potevano essere lavate e preparate per la fase successiva.

Nella seconda fase, i ricercatori hanno sostituito il ponte temporaneo con un rivestimento permanente fatto di specifiche molecole organiche. Queste molecole hanno una "testa" che si attacca saldamente alla particella di ossido di nichel e una "coda" lunga che ama il nuovo solvente non acquoso. I ricercatori hanno selezionato attentamente la forma e la composizione chimica di queste code per garantire che le particelle non si agglomerassero e che l'elettricità potesse ancora fluire facilmente tra di esse. Hanno scoperto che la giusta combinazione di molecole creava un inchiostro stabile e conduttivo che poteva essere steso in un film sottile e uniforme. Questo film agiva come una perfetta autostrada per le cariche positive, permettendo loro di muoversi liberamente senza incastrarsi o essere bloccate.

Quando i ricercatori hanno costruito celle solari utilizzando questo nuovo inchiostro di ossido di nichel, i risultati sono stati immediati e impressionanti. I dispositivi che hanno creato sono stati in grado di convertire la luce solare in elettricità con un'efficienza del 25,8 percento. Questo è un traguardo significativo perché supera le prestazioni delle migliori celle solari attuali che utilizzano il costoso materiale organico Spiro-OMeTAD. Inoltre, le nuove celle non hanno solo performato bene inizialmente; si sono dimostrate molto più durevoli. Testate in condizioni di alto calore e umidità, che tipicamente causano un rapido degrado delle celle solari, i dispositivi a ossido di nichel hanno mantenuto oltre il 90 percento della loro potenza dopo più di 300 ore. Al contrario, le celle che utilizzano il tradizionale materiale organico hanno perso una porzione molto più grande della loro efficienza nello stesso intervallo di tempo.

Il successo di questo lavoro risiede nel controllo preciso che i ricercatori hanno esercitato sulla chimica dell'inchiostro. Comprendendo esattamente come le particelle interagiscono con le molecole di rivestimento, sono stati in grado di sintonizzare i livelli energetici in modo che il flusso di elettricità fosse fluido ed efficiente. Hanno anche dimostrato che il nuovo inchiostro può essere applicato direttamente sul delicato strato di perovskite senza causare alcun danno, un'impresa che era precedentemente considerata impossibile con questo tipo di materiale. Questo traguardo suggerisce che il futuro delle celle solari ad alta efficienza potrebbe non dipendere da sostanze chimiche organiche complesse e costose, ma piuttosto da materiali inorganici semplici e robusti che possono essere lavorati facilmente e a basso costo.

Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre una singola cella solare. Dimostrando che l'ossido di nichel può essere lavorato in un inchiostro stabile e non acquoso, il team ha aperto la porta a una nuova classe di materiali da utilizzare in una vasta gamma di dispositivi elettronici. Il metodo sviluppato è versatile e potrebbe potenzialmente essere adattato per altri ossidi metallici, offrendo una soluzione generale al problema della lavorazione di materiali inorganici in ambienti elettronici delicati. Mentre il mondo cerca soluzioni energetiche più sostenibili ed efficienti, la capacità di creare celle solari ad alte prestazioni utilizzando materiali durevoli e a basso costo è un passo avanti fondamentale. Questo lavoro fornisce una via chiara e pratica per raggiungere tale obiettivo, avvicinando la tecnologia solare a un futuro in cui l'energia pulita sia sia potente che accessibile.