Un team di ricerca internazionale ha realizzato una cella solare a tripla giunzione interamente in perovskite che utilizza una strategia di contatto selettivo per le lacune basata su un doppio strato di ossido di grafene autoassemblato (SAM) per ridurre le perdite ottiche, migliorare la stabilità e ottimizzare le prestazioni delle sottocelle in perovskite di stagno-piombo.
I monostrati autoassemblati (SAM) sono attualmente impiegati come strati di trasporto di lacune all’avanguardia nelle celle solari a perovskite, grazie al loro basso assorbimento parassita, alla rapida estrazione di carica e all’efficace passivazione dell’interfaccia sepolta della perovskite. Tuttavia, il controllo preciso del loro spessore, della densità di impacchettamento molecolare e dell’orientamento rimane una sfida significativa.
Gli scienziati hanno spiegato che, sebbene i SAM consentano un’elevata tensione a circuito aperto, possono anche introdurre significative perdite di estrazione di carica. Attraverso indagini sistematiche sulla dinamica dei portatori di carica e sulle interfacce sepolte, hanno identificato che i SAM a base di carbazolo, comunemente utilizzati, inducono notevoli perdite ioniche che ostacolano un’efficiente estrazione di carica. Per ovviare a queste limitazioni, il team ha esplorato strategie di ingegneria dell’interfaccia basate sull’integrazione dell’ossido di grafene (GO).
Hanno studiato, in particolare, un SAM noto come MeO-2PACz, GO e GO/MeO-2PACz e hanno scoperto che GO consente una copertura di MeO-2PACz più conforme rispetto al SAM autonomo su substrati di ossido di indio-stagno (ITO). Inoltre, hanno accertato che i gruppi funzionali contenenti ossigeno del GO consentono forti interazioni con i gruppi di ancoraggio dell’acido fosfonico di MeO-2PACz, promuovendo la formazione uniforme del SAM e una migliore passivazione interfacciale.
Il team di ricerca ha realizzato la cella a perovskite superiore con un elettrodo conduttivo trasparente di ossido di indio-stagno (ITO), uno strato di trasporto di lacune di ossido di nichel (NiOx)/monostrato autoassemblato (SAM) e un assorbitore di perovskite a banda proibita ampia di 2,00 eV, uno spaziatore a base di estere metilico dell’acido fenil- C61- butirrico (PCBM) , uno strato di trasporto di elettroni (ETL) di ossido di stagno (SnOx) e un altro strato di ITO.
La sottocella centrale incorpora uno strato selettivo per le lacune basato su SAM, un assorbitore di perovskite a bandgap intermedio di 1,55 eV o 1,60 eV e un ETL costituito da fullerene (C60) e SnOx. L’interconnessione tra la sottocella centrale e quella superiore è formata da uno strato di ricombinazione basato su poli(3,4-etilendiossitiofene):polistirene solfonato (PEDOT:PSS) o su una configurazione a doppio strato che incorpora oro (Au) o ITO.
La sottocella superiore utilizza un assorbitore di perovskite a bassa banda proibita di 1,25 eV, seguito da un doppio strato di trasporto degli elettroni C60/SnOx e da un elettrodo posteriore conduttivo in rame (Cu). Questa sequenza di strati accuratamente progettata consente un’efficiente estrazione di carica e una raccolta di fotoni ad ampio spettro nella cella solare a tripla giunzione interamente in perovskite.
Le prestazioni fotovoltaiche sono state valutate mediante misurazioni corrente-tensione, tracciamento del punto di massima potenza (MPPT), efficienza quantica esterna (EQE) e test di stabilità operativa in condizioni di luce solare simulata. Tecniche spettroscopiche ed elettriche avanzate, tra cui spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), spettroscopia fotoelettronica ultravioletta (UPS), estrazione di carica assistita da polarizzazione (BACE) e misurazioni transitorie, sono state utilizzate per analizzare le interfacce, la dinamica di carica e la migrazione ionica.
L’analisi ha rivelato che il doppio strato GO/SAM migliora la morfologia dell’interfaccia interrata, producendo una crescita della perovskite più uniforme, difetti interfacciali ridotti e un orientamento cristallino favorevole. Rispetto ai contatti convenzionali basati su PEDOT:PSS, è stato inoltre riscontrato che il doppio strato riduce l’assorbimento parassita e migliora la generazione di corrente nei dispositivi multi-giunzione interamente a perovskite sviluppati per gli esperimenti.
Integrando la giunzione di ricombinazione ITO/doppio strato nei dispositivi a tripla giunzione, l’efficienza della cella è aumentata dal 23,6% al 25,1%. Un’ulteriore ottimizzazione del bandgap della sottocella centrale ha permesso di raggiungere un’efficienza record del 27,3%. L’architettura a doppio strato ha inoltre migliorato la stabilità operativa, con il dispositivo che ha mantenuto il 90% della sua efficienza di conversione di potenza iniziale dopo 770 ore di illuminazione continua, superando le prestazioni dei dispositivi basati su PEDOT:PSS.
“Nel complesso, i nostri risultati dimostrano l’immenso potenziale delle giunzioni multiple interamente in perovskite basate su SAM e avvicinano questa promettente tecnologia a livelli di maturità industriale più elevati”, hanno affermato i ricercatori.
Il team di ricerca ha spiegato che la riduzione della resistenza al trasporto di carica e il miglioramento della qualità della perovskite e dell’allineamento dei livelli energetici potrebbero aumentare il fattore di riempimento e la tensione a circuito aperto, consentendo efficienze superiori al 30%.
Il nuovo concetto di cella è stato presentato nell’articolo ” Celle solari a tripla giunzione interamente in perovskite con contatti di fori autoassemblanti in tutte le subcelle”, pubblicato su Joule. Il gruppo di ricerca era composto da accademici dell’Università di Potsdam, in Germania , e dei Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali (Empa).
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Lara Morandotti
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