Co-evaporated compositionally modulated interfaces in perovskite/Si tandems
Questo studio dimostra che la coevaporazione priva di solventi consente la creazione di un'interfaccia 2D/3D a composizione verticale nelle celle solari tandem perovskite/silicio, raggiungendo un'efficienza record del 30,93% e un'eccezionale stabilità a lungo termine eliminando i voluminosi cationi organici e garantendo al contempo una connettività cristallina coerente e sopprimendo la formazione di difetti.
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La ricerca di un'energia solare migliore si è concentrata a lungo su un'idea semplice: catturare una maggiore parte dell'energia del sole sovrapponendo diversi materiali l'uno sull'altro. Immaginate un sandwich dove la fetta superiore è progettata per catturare la luce blu ad alta energia, e la fetta inferiore cattura la luce rossa a energia inferiore che passa attraverso. Questo è il potenziale delle celle solari tandem, specificamente quelle che accoppiano un cristallo sintetico chiamato perovskite con il tradizionale silicio. Sebbene questa combinazione abbia già infranto i record di efficienza, un problema ostinato rimane. Con il tempo, questi dispositivi tendono a degradarsi, perdendo la loro capacità di generare elettricità. Il colpevole è spesso nascosto in profondità all'interno del dispositivo, al confine invisibile dove i due strati si incontrano. Qui, minuscole lacune nella struttura cristallina permettono agli atomi di vagare e reagire, causando la decomposizione del materiale proprio sotto la luce solare che dovrebbe raccogliere. Per anni, gli scienziati hanno cercato di tappare queste lacune usando prodotti chimici liquidi, ma i solventi in quei liquidi spesso dissolvono gli delicati strati che cercano di proteggere, creando un ciclo di danno invece di riparazione.
Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per costruire una base più forte e stabile per queste celle solari senza utilizzare alcun liquido. Invece di versare prodotti chimici, hanno utilizzato una tecnica chiamata co-evaporazione, che è essenzialmente un metodo a secco, basato sul vuoto, per depositare i materiali atomo per atomo. Controllando attentamente il flusso di ingredienti durante i primi istanti della crescita del film, hanno creato uno speciale strato di semina alla base del film di perovskite. Questo strato è una miscela unica di due diverse strutture cristalline che si incastrano perfettamente, come mattoni che si incastrano, formando un ponte senza cuciture verso lo strato principale assorbitore solare sovrastante. Fondamentalmente, questo strato di semina è ricco di un ingrediente specifico che riempie le piccole lacune dove di solito mancano gli atomi, prevenendo le reazioni chimiche distruttive che portano al fallimento. Poiché il processo è a secco, evita i problemi di dissoluzione dei metodi liquidi, permettendo ai ricercatori di programmare l'esatta composizione del materiale dal basso verso l'alto.
I risultati di questo approccio sono sorprendenti. Quando il team ha costruito celle solari utilizzando questa nuova interfaccia sepolta, ha raggiunto un'efficienza di conversione di potenza del 30,93 percento, un salto significativo in avanti per questa tecnologia. Ma la vera svolta risiede in quanto bene il dispositivo resiste nel tempo. In test in cui le celle sono state lasciate in funzione sotto una luce intensa in un'atmosfera di azoto, il nuovo design ha mantenuto il 90 percento delle sue prestazioni iniziali dopo 1.820 ore. Al contrario, le celle standard senza questo speciale strato di semina hanno iniziato a fallire molto prima, scendendo allo stesso livello di prestazioni in meno di 300 ore. I ricercatori hanno confermato che questa stabilità deriva dalla perfezione a livello atomico dell'interfaccia. Utilizzando potenti microscopi elettronici che possono vedere i singoli atomi, hanno osservato che le strutture cristalline nel loro nuovo design sono continue e ininterrotte, senza lacune attraverso le quali gli atomi possano scivolare via. Questa continuità permette all'elettricità di fluire liberamente mantenendo il materiale bloccato in uno stato stabile, fermando efficacementamente il processo di degradazione prima che possa iniziare.
Lo studio ha anche chiarito perché i precedenti tentativi di riparare queste interfacce spesso non portavano a risultati soddisfacenti. Molti metodi precedenti si affidavano all'aggiunta di molecole grandi e ingombranti sulla superficie per agire come uno scudo. Sebbene queste molecole possano bloccare parte del danno, agiscono anche come un imbuto, rallentando il flusso di elettricità e riducendo l'efficienza complessiva della cella. Il nuovo metodo evita interamente questo compromesso. Utilizzando uno strato di semina fatto degli stessi elementi costruttivi di base del cristallo principale, solo disposti in un modo leggermente diverso, i ricercatori hanno creato una barriera che ferma il danno senza bloccare il flusso di energia. Le immagini microscopiche mostrano che gli atomi in questo nuovo strato sono perfettamente allineati con gli atomi sovrastanti, creando un percorso liscio e ininterrotto per il trasporto della carica. Questo allineamento impedisce la formazione dei difetti che solitamente innescano la decomposizione del materiale sotto luce e calore.
Per dimostrare che questo design funziona in un contesto reale, il team lo ha applicato a una pila completa di celle solari, posizionando il nuovo strato di perovskite direttamente sopra una cella di silicio. Il dispositivo risultante non solo ha operato a un livello elevato, ma ha anche dimostrato una resilienza straordinaria. I ricercatori hanno monitorato l'output del dispositivo continuamente, osservando come gestiva lo stress di un'illuminazione costante. I dati hanno mostrato che la nuova interfaccia ha soppresso con successo i cambiamenti chimici interni che tipicamente causano la perdita di potenza delle celle solari. Eliminando i punti deboli alla base del film, l'intera struttura è diventata più robusta. Questo lavoro suggerisce che la chiave per sbloccare il pieno potenziale dell'energia solare di prossima generazione potrebbe non risiedere nel trovare nuovi materiali esotici, ma nel padroneggiare la disposizione precisa degli atomi che già possediamo. Controllando il modo in cui questi materiali crescono fin dal primo momento, gli scienziati possono creare celle solari che siano non solo più efficienti, ma costruite per durare, portandoci più vicini a un futuro in cui l'energia solare sia potente e duratura.
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