Pr3+-Doped SnO2 Electron Transport Layers for 23-Fold Indoor PCE Recovery in Flexible CsPbBr3 Perovskite Solar Cells

Immaginate un mondo in cui i vostri gadget non debbano essere collegati a una presa a muro o vedere le loro batterie sostituite ogni pochi mesi. Invece, potrebbero funzionare per sempre, alimentati dal tenue e costante bagliore delle luci della vostra stanza. Questo è il sogno dell' "Internet delle Cose" (IoT): un universo di minuscoli sensori intelligenti che comunicano tra loro. Ma c'è un problema: questi sensori hanno bisogno di energia, e cambiare le minuscole batterie è una seccatura. Gli scienziati hanno cercato un modo per raccogliere l'energia dalla luce interna, ma è un lavoro complicato. La luce solare è un fiume di energia impetuoso, ma la luce interna è più simile a un ruscello gentile e sottile. Per catturare quel ruscello, serve un tipo di cella solare molto speciale.

La maggior parte delle celle solari è costruita per catturare lo spettro ampio e potente del sole. Se le mettete sotto una debole lampadina a LED, iniziano a sussultare e fallire perché sono troppo "permeabili". Pensate a una cella solare come a un secchio che cerca di raccogliere la pioggia. Se il secchio ha un buco sul fondo (uno "shunt" o perdita), un acquazzone pesante potrebbe comunque riempirlo. Ma se la pioggia è solo poche gocce, quel buco permette a ogni singola goccia di scappare prima che il secchio possa riempirsi. Perché le celle solari per ambienti interni funzionino, devono essere secchi perfettamente sigillati senza perdite, e devono essere sintonizzati per catturare i colori specifici della luce emessa dalle lampadine da interno. È qui che entra in gioco un nuovo studio, che cerca di tappare quei buchi e sintonizzare il secchio per il mondo interno.

I ricercatori dietro questo studio, guidati da Mohammad Ghadimimehr e Azimah Binti Omar dell'Università di Malaya, hanno deciso di testare una nuova idea utilizzando una cella solare flessibile fatta di un materiale chiamato perovskite CsPbBr3. Questo materiale è come una spugna perfettamente dimensionata per assorbire la luce blu e verde dei LED da interno, che è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno. Tuttavia, anche una buona spugna può avere perdite se lo strato che aiuta a muovere l'elettricità (chiamato Strato di Trasporto degli Elettroni, o ETL) è pieno di difetti. In questo caso, l'ETL è fatto di un materiale chiamato ossido di stagno (SnO2).

Il team ha simulato uno scenario in cui hanno "drogato" questo strato di ossido di stagno con una piccola quantità di un elemento delle terre rare chiamato Praseodimio (Pr3+). Potete pensare al drogaggio come all'aggiunta di un ingrediente segreto a una ricetta per correggere un difetto. In questo caso, il Praseodimio agisce come un kit di riparazione microscopico. Lo strato di ossido di stagno di solito presenta piccoli buchi o "vacanze di ossigeno" che lasciano fuoriuscire l'elettricità. Gli ioni di Praseodimio, che possono passare tra diversi stati elettrici, intervengono e riempiono questi buchi, sigillando efficacemente il secchio.

I risultati delle loro simulazioni al computer sono piuttosto drammatici. Quando hanno testato la loro cella solare "riparata" sotto la luce solare standard e intensa, ha performato bene, migliorando la sua efficienza dal 5,68% all'8,16%. Ma la vera magia è avvenuta al chiuso. Sotto una normale luce LED da 1000 lux (la tipica luminosità da ufficio), la cella solare non drogata e permeabile era praticamente inutile, producendo un'efficienza minuscola dello 0,451%. Era così permeabile che quasi tutta l'energia scappava prima di poter essere utilizzata. Tuttavia, la versione drogata con Praseodimio è stata un'altra storia. Tappando le perdite, l'efficienza è schizzata al 10,72%. Si tratta di un recupero delle prestazioni di 23 volte. I ricercatori hanno scoperto che la chiave non era solo far generare più elettricità alla cella, ma impedire che perdesse quella che generava. La "resistenza di shunt" (una misura di quanto sia ben sigillato il secchio) è aumentata di 100 volte, trasformando un secchio che perde in uno impermeabile.

Il team ha anche utilizzato un modello matematico sofisticato per dimostrare che i loro risultati avessero senso. Hanno controllato il loro lavoro utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di impedenza, che è come ascoltare il battito cardiaco elettrico del dispositivo. Hanno scoperto che la corrente di "perdita" è diminuita di un fattore di 55,5 e il tempo necessario affinché le cariche elettriche sopravvivano all'interno della cella è aumentato di 7,4 volte. Ciò ha confermato che il Praseodimio stava effettivamente svolgendo il suo compito di soppressore dei difetti.

È importante notare che questi risultati derivano da una simulazione al computer altamente dettagliata, non da un esperimento fisico in un laboratorio. Gli autori sono molto chiari sul fatto che, sebbene la matematica sembri perfetta e la fisica sia solida, la cella solare effettiva deve essere costruita e testata nel mondo reale per confermare questi numeri. Essi sottolineano anche che questa specifica strategia di "riparazione" funziona meglio per i materiali a bandgap ampio come il CsPbBr3 sotto luci da interno, e potrebbe non funzionare allo stesso modo per altri tipi di celle solari o sotto la luce solare intensa.

In definitiva, questo articolo suggerisce una strada promettente per alimentare i nostri futuri dispositivi intelligenti. Utilizzando un elemento delle terre rare per sigillare le perdite microscopiche in una cella solare flessibile, potremmo finalmente essere in grado di creare sensori che funzionano per sempre grazie alla luce dei nostri salotti e uffici. Lo studio evidenzia che, per l'estrazione di energia indoor, riparare le perdite è molto più importante che ingrandire il secchio. Se queste simulazioni potranno trasformarsi in realtà, potremmo essere un passo più vicini a un mondo in cui i nostri gadget non avranno mai più bisogno di un cambio di batteria.