Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
Questo studio introduce una molecola autoassemblata bifosfonica a lungo raggio (S2) che consente una copertura interfacciale uniforme e stabile su silicio testurizzato su scala industriale, portando a celle e moduli solari tandem perovskite/silicio con efficienza certificata del 32,6% e alta durabilità.
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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 di luce solare, lasciando che il resto passi attraverso o si trasformi in calore disperso. Per rompere questa barriera, gli scienziati si sono rivolti all'accatastamento di due diversi strati di cattura della luce l'uno sopra l'altro, creando una cella tandem. Lo strato superiore è progettato per catturare la luce ad alta energia, mentre lo strato inferiore, solitamente fatto di silicio, cattura la luce a bassa energia che filtra attraverso. Quando questi due lavorano insieme, possono teoricamente generare molta più elettricità rispetto a un normale pannello solare. Tuttavia, far funzionare queste celle impilate in modo efficiente su una scala industriale e su larga scala si è rivelato difficile. Lo strato di silicio inferiore non è piatto; è coperto da minuscole piramidi seghettate per aiutare a intrappolare la luce. Sebbene questa texture sia ottima per catturare la luce solare, crea un paesaggio accidentato che è incredibilmente difficile da rivestire in modo uniforme con i delicati strati chimici necessari per far funzionare lo strato superiore. Se il rivestimento è irregolare, il dispositivo fallisce e la promessa di un'alta efficienza rimane bloccata nel laboratorio.
Un gruppo di ricercatori ha ora risolto questo problema di rivestimento progettando un nuovo tipo di strato molecolare che può drappeggiare perfettamente sulla superficie ruvida del silicio, portando a un'efficienza record per i grandi pannelli solari. Il cuore del loro successo risiede in una molecola costruita su misura che funge da ponte auto-assemblante tra il silicio e lo strato superiore di cattura della luce. I tentativi precedenti di creare questi ponti utilizzavano piccole molecole che potevano aggrapparsi al silicio solo in un singolo punto. Sulle punte e sulle creste seghettate della texture del silicio industriale, queste piccole molecole non riuscivano a raggiungere il punto successivo, lasciando lacune e causando la rottura del film. Altri ricercatori hanno provato a usare molecole a catena lunga per coprire più terreno, ma queste tendevano ad ammassarsi in pile disordinate invece di formare un foglio liscio. Il nuovo design, sviluppato da scienziati dell'Università di Pechino, Trina Solar e altre istituzioni, combina il meglio di entrambi i mondi. Hanno creato una molecola con uno scheletro lungo e flessibile che può estendersi attraverso le punte acuminate delle piramidi di silicio, mentre le sue estremità sono dotate di due ancore forti invece di una.
I ricercatori hanno scoperto che questo design specifico permette alle molecole di diffondersi uniformemente, coprendo ogni centimetro della superficie testurizzata senza ammassarsi o lasciare lacune. Poiché le molecole sono così lunghe e flessibili, possono piegarsi e conformarsi alla forma del silicio, raggiungendo da un lato all'altro di una piramide. Le due ancore alle estremità si aggrappano saldamente alla superficie, assicurando che lo strato rimanga in posizione anche sotto calore e stress. Questa copertura uniforme è critica perché consente all'elettricità di fluire fluidamente dallo strato superiore a quello inferiore senza bloccarsi o disperdersi. Quando il team ha testato questa nuova molecola in un ambiente di laboratorio su un piccolo pezzo di silicio, la cella solare risultante ha convertito il 34,3% della luce solare che la colpiva in elettricità. Si tratta di un salto significativo rispetto ai record precedenti per questo tipo di piccola cella.
Ancora più importante, il team ha dimostrato che questo approccio funziona sulla scala massiccia richiesta per la produzione di energia nel mondo reale. Hanno applicato la stessa molecola a un grande wafer di silicio, grande circa quanto un pannello solare industriale standard, utilizzando una macchina che riveste la superficie come una stampante. Il grande pannello ha raggiunto un'efficienza certificata del 3% , che è la più alta mai registrata per una cella solare di quella dimensione. Per garantire che questa tecnologia sia pronta per il mondo reale, i ricercatori hanno sottoposto i pannelli a condizioni dure che simulano anni di uso all'aperto. Hanno cotto i pannelli in alto calore e umidità e li hanno fatti passare attraverso cicli di cambiamenti di temperatura estremi. Dopo questi test, i pannelli hanno mantenuto più del 90% della loro potenza originale. Quando hanno installato un modulo fatto di queste grandi celle all'aperto, esso ha continuato a produrre energia costante nel corso di un mese.
Lo studio dimostra che la chiave per sbloccare il pieno potenziale della prossima generazione di energia solare non risiede solo nei materiali che catturano la luce, ma in come tali materiali siano collegati al silicio sottostante. Ingegnerizzando una molecola abbastanza lunga da coprire il terreno accidentato del silicio industriale e abbastanza forte da resistere, i ricercatori hanno rimosso un importante collo di bottiglia che aveva mantenuto le celle solari ad alta efficienza confinate in piccoli campioni di laboratorio. Questo lavoro suggerisce che la strada verso un'energia solare più economica e potente è libera, a patto che l'interfaccia delicata tra gli strati possa essere gestita con la stessa precisione dei materiali di cattura della luce stessi. I risultati indicano che queste celle tandem non sono più solo una possibilità teorica, ma una tecnologia tecnicamente valida pronta per la produzione di massa.
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