Numerical Optimization of Electron Transport Layer-Free Perovskite Solar Cells Utilizing Titanium-based Perovskite Absorber with Feasibility for Low-Cost Carbon Back-Contact
Questo studio utilizza la simulazione numerica SCAPS-1D per dimostrare che una cella solare a perovskite di Cs₂TiBr₆ priva di uno strato di trasporto elettronico, caratterizzata da uno strato di trasporto delle lacune a doppio strato CuSbS₂/CuI e da un contatto posteriore in carbonio a basso costo, può raggiungere un'elevata efficienza di conversione della potenza del 26,49%, offrendo un'architettura fotovoltaica sostenibile, scalabile e priva di piombo.
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Il sole offre una vasta e gratuita fornitura di energia, ma catturarla in modo efficiente richiede materiali in grado di trasformare la luce in elettricità senza prosciugare le casse o avvelenare l'ambiente. Per anni, gli scienziati hanno inseguito un tipo specifico di cella solare fatta di una struttura cristallina chiamata perovskite, che ha mostrato una promessa incredibile nel convertire la luce solare in energia. Tuttavia, le versioni più efficienti di queste celle si affidano al piombo, un metallo tossico che rende la produzione su larga scala rischiosa e difficile da smaltire in sicurezza. Per risolvere questo problema, i ricercatori stanno esplorando alternative prive di piombo, come un materiale composto da cesio, titanio e bromo. Sebbene questo nuovo materiale sia sicuro e stabile, storicamente ha faticato a eguagliare le prestazioni dei suoi cugini a base di piombo, perdendo spesso energia sotto forma di calore o non riuscendo a spostare abbastanza velocemente le cariche elettriche verso i fili che le raccolgono.
Un team di ricercatori provenienti da Nigeria e Camerun ha ora utilizzato una potente modellazione informatica per progettare un nuovo modo di costruire queste celle solari prive di piombo. Inveve di cercare di costringere il materiale a funzionare con strati complessi e costosi, hanno ridotto il design ai suoi elementi essenziali. Hanno rimosso un componente standard chiamato strato di trasporto elettronico, che di solito aggiunge costi e complessità, e hanno sostituito la costosa piastra posteriore in oro tipicamente usata per raccogliere l'elettricità con un semplice ed economico elettrodo di carbonio. Regolando attentamente lo spessore degli strati cristallini e le proprietà chimiche dei materiali inseriti tra di essi, i ricercatori hanno simulato un dispositivo che performa quanto i migliori modelli teorici consentono. Il loro lavoro suggerisce che è possibile costruire una cella solare altamente efficiente, non tossica, semplice da fabbricare e abbastanza economica per un uso diffuso.
I ricercatori si sono concentrati su un'architettura specifica in cui uno strato del cristallo di cesio-titanio-bromo si trova tra un elettrodo di vetro anteriore e un contatto posteriore. Nei loro test iniziali, hanno confrontato diversi modi per spostare le cariche elettriche fuori dal cristallo. Hanno scoperto che l'uso di un singolo strato per aiutare il movimento delle cariche risultava in un'efficienza modesta di circa l'11,8 percento. Tuttavia, quando hanno introdotto un secondo strato per lavorare in tandem con il primo, le prestazioni sono aumentate significativamente. Questo sistema a due strati ha agito come un imbuto più efficace, guidando le cariche elettriche fluidamente verso la parte posteriore del dispositivo e impedendo loro di fuoriuscire dalla direzione sbagliata. Questo miglioramento ha spinto l'efficienza del prototipo a quasi il 12 percento, un segno chiaro che la combinazione di materiali stava funzionando meglio insieme rispetto da soli.
Con la migliore struttura a due strati identificata, il team ha poi eseguito migliaia di simulazioni per trovare la ricetta perfetta per il dispositivo. Hanno regolato lo spessore di ogni strato, la concentrazione di cariche elettriche all'interno di essi e il numero di minuscoli difetti che possono intrappolare l'energia. Hanno scoperto che la qualità dello strato cristallino principale era il fattore più critico; anche un piccolo aumento dei difetti causava un crollo dell'efficienza. Hanno anche scoperto che il contatto posteriore, dove l'elettricità lascia la cella, poteva essere fatto di carbonio senza alcuna perdita di prestazioni. Nelle simulazioni, un dispositivo che utilizzava un contatto posteriore in oro ha raggiunto un'efficienza del 26,49 percento, e un dispositivo con un contatto posteriore in carbonio ha raggiunto esattamente lo stesso numero. Questa è una scoperta cruciale perché l'oro è raro e costoso, mentre il carbonio è abbondante ed economico, suggerendo che l'alto costo dell'elettrodo posteriore non è una barriera necessaria alle alte prestazioni.
Le simulazioni hanno anche rivelato come il dispositivo si comporterebbe in condizioni reali. Quando i ricercatori hanno testato il modello a diverse temperature, la cella solare è rimasta stabile, perdendo solo una frazione minima della sua potenza all'aumentare del calore. Allo stesso modo, quando hanno simulato l'effetto della concentrazione della luce solare per renderla più intensa, il dispositivo ha continuato a generare energia in modo efficiente, dimostrando di poter gestire una luce intensa senza guastarsi. I modelli informatici hanno indicato che il dispositivo operava molto vicino al limite teorico per un materiale con le sue specifiche proprietà, il che significa che c'è pochissimo margine per migliorare il design attraverso la sola simulazione.
Nonostante questi risultati promettenti, i ricercatori sono cauti nel sottolineare che questi numeri derivano da un modello informatico, non da un esperimento fisico di laboratorio. La simulazione assume che gli strati siano perfettamente lisci e che i materiali siano privi delle imperfezioni che spesso si verificano durante la produzione reale. Gli autori sottolineano che, sebbene il design sia teoricamente valido, la costruzione del dispositivo reale richiederà di dimostrare che il contatto posteriore in carbonio possa essere applicato uniformemente e che gli strati cristallini possano essere coltivati con i bassi livelli di difetti richiesti dal modello. Tuttavia, questo lavoro fornisce una tabella di marcia chiara per gli sperimentali, mostrando esattamente quali materiali utilizzare, quanto debbano essere spessi e che un elettrodo di carbonio a basso costo è una via percorribile per creare energia solare sicura, efficiente e accessibile.
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