Additivi ingombranti potrebbero far durare più a lungo le celle solari più economiche

Additivi ingombranti potrebbero far durare più a lungo le celle solari più economiche

Timestamp: 11 gennaio 2024 1:42
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11 gennaio 2024 (Notizie Nanowerk) Uno sguardo alla prevenzione semiconduttori di perovskite dal rapido degrado, scoperto presso l'Università del Michigan, potrebbe contribuire a rendere le celle solari stimate essere da due a quattro volte più economiche degli attuali pannelli solari a film sottile. I risultati sono stati pubblicati in Cella ("Progettazione molecolare di passivatori di difetti per film di perovskite agli alogenuri metallici termicamente stabili"). Le perovskiti possono anche essere combinate con i semiconduttori a base di silicio prevalenti nei pannelli solari odierni per creare celle solari “tandem” che potrebbero superare la massima efficienza teorica delle celle solari in silicio. Un paio di pinze tengono una cella solare di perovskite, che sembra un sottile pannello quadrato. Gli elettrodi della cella sembrano rettangoli argentati sulla superficie della cella e la superficie nera circostante è la pellicola di perovskite Le celle solari in perovskite come questa, realizzate dal gruppo di Xiwen Gong, potrebbero rendere l'energia solare più economica e più rispettosa dell'ambiente, ma si degradano più velocemente del silicio. In uno studio pubblicato sulla rivista Matter, il team ha scoperto come far durare più a lungo la pellicola di perovskite nera. (Immagine: Zhengtao Hu, Gong Lab, Università del Michigan) "Le celle solari al silicio sono fantastiche perché sono molto efficienti e possono durare molto a lungo, ma l'elevata efficienza ha un costo elevato", ha affermato Xiwen Gong, assistente UM professore di ingegneria chimica. “Per produrre silicio di elevata purezza, sono necessarie temperature superiori a 1,000 gradi Celsius. Altrimenti l’efficienza non sarà altrettanto buona”. L’elevata temperatura comporta costi economici e ambientali più elevati. Ma mentre le perovskiti possono essere prodotte a temperature più basse, si degradano se esposte al calore, all’umidità e all’aria. Di conseguenza, la durata della perovskite oggi è troppo breve per essere commercialmente competitiva nei pannelli solari. La ricerca di Gong mira a rendere le celle solari a perovskite più resistenti, e il suo ultimo studio pubblicato sulla rivista Matter suggerisce che le molecole ingombranti che "pacificano i difetti" sono le migliori per aumentare la stabilità delle perovskiti e la durata complessiva della vita. I cristalli di perovskite contengono atomi di piombo che non sono completamente legati agli altri componenti della perovskite. Tali “siti poco coordinati” sono difetti spesso riscontrati sulle superfici cristalline e ai bordi dei grani dove c'è una rottura nel reticolo cristallino. Questi difetti ostacolano il movimento degli elettroni e accelerano il decadimento del materiale perovskite. Le tre molecole dell'additivo sono disposte lungo la superficie gialla dei cristalli di perovskite in ordine crescente di numero di siti di legame (Nc), peso molecolare (Mw), ostacolo sterico Il team di Xiwen Gong ha progettato questi tre additivi molecolari per studiare come le dimensioni e la configurazione di un additivo influiscono sulla stabilità dei film di perovskite, una classe di materiali che potrebbero essere utilizzati per realizzare celle solari ad alta efficienza e a basso costo. Gli additivi possono prevenire la crescita di difetti, che danneggiano l’efficienza delle celle solari, nelle rotture del reticolo cristallino di perovskite, note come bordi di grano. Il reticolo della perovskite è mostrato come una serie di diamanti gialli mentre i siti dei difetti sono mostrati come cerchi tratteggiati blu scuro. Le linee nere tratteggiate rappresentano i legami che possono potenzialmente formarsi tra la perovskite e gli additivi. La molecola più voluminosa copre la maggior parte dei difetti sulla superficie dei grani di perovskite, aumentando allo stesso tempo la dimensione complessiva dei grani durante il processo di produzione. I grani di perovskite più grandi determinano una minore densità dei bordi dei grani in tutta la pellicola, il che riduce il numero di punti in cui possono formarsi difetti. (Immagine: Carlos A. Figueroa Morales, Gong Lab, Università del Michigan) Gli ingegneri sanno già che mescolare molecole che pacificano i difetti nelle perovskiti può aiutare a bloccare il piombo sottocoordinato, prevenendo a sua volta la formazione di altre imperfezioni alle alte temperature. Ma fino ad ora, gli ingegneri non sapevano esattamente come una data molecola influenzasse la resistenza delle cellule di perovskite. "Volevamo capire quali caratteristiche delle molecole migliorano specificamente la stabilità della perovskite", ha affermato Hongki Kim, ex ricercatore post-dottorato in ingegneria chimica e uno dei primi autori dello studio. Per indagare sul problema, il team di Gong ha creato tre additivi con una gamma di forme e dimensioni e li ha aggiunti in sottili pellicole di cristalli di perovskite, che possono assorbire la luce e convertirla in elettricità. Ciascun additivo conteneva elementi chimici uguali o simili, che facevano della dimensione, del peso e della disposizione le principali proprietà che li differenziavano. Quindi, il team ha misurato la forza con cui i diversi additivi interagivano con le perovskiti e di conseguenza influenzavano la formazione di difetti nelle pellicole. Le molecole più grandi in massa erano più brave ad aderire alla perovskite perché avevano più siti di legame che interagiscono con i cristalli di perovskite. Di conseguenza, tendevano ad essere più efficaci nel prevenire la formazione di difetti. Ma i migliori additivi dovevano anche occupare molto spazio. Molecole grandi ma sottili hanno prodotto grani di perovskite più piccoli durante il processo di produzione. I grani più piccoli non sono ideali perché creano anche cellule di perovskite con più bordi di grano o più aree in cui si possono formare difetti. Al contrario, le molecole voluminose hanno costretto la formazione di grani di perovskite più grandi, che a loro volta hanno ridotto la densità dei bordi dei grani nel film. Il riscaldamento dei film di perovskite a oltre 200 gradi Celsius ha confermato che gli additivi voluminosi hanno aiutato i film a conservare maggiormente il loro caratteristico colore nero ardesia e a sviluppare meno difetti strutturali.

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