Fonte: oist.jp
I ricercatori dell'Istituto universitario di scienze e tecnologia di Okinawa (OIST) hanno creato moduli solari di nuova generazione con alta efficienza e buona stabilità. Realizzati utilizzando un tipo di materiale chiamato perovskite, questi moduli solari possono mantenere prestazioni elevate per oltre 2000 ore. Le loro scoperte, riportate 20 il 20 luglio 20 20 nella principale rivista, Nature Energy, hanno ravvivato le prospettive di commercializzazione.
Le perovskiti hanno il potenziale per rivoluzionare l'industria della tecnologia solare. Flessibili e leggeri, promettono maggiore versatilità rispetto alle celle pesanti e rigide a base di silicio che dominano attualmente il mercato. Ma gli scienziati devono superare alcuni ostacoli importanti prima che i perovskiti possano essere commercializzati.
"Ci sono tre condizioni che le perovskite devono soddisfare: devono essere economiche da produrre, altamente efficienti e hanno una lunga durata", ha affermato il professor Yabing Qi, capo dell'OISTUnità Materiali energetici e scienze della superficie, che ha condotto questo studio.
Una dimostrazione di una cella solare perovskite
Il costo di produzione delle celle solari perovskite è basso, poiché le materie prime a basso costo richiedono poca energia per l'elaborazione. E in poco più di un decennio, gli scienziati hanno fatto passi da gigante nel migliorare l'efficacia delle celle solari perovskite a convertire la luce solare in elettricità, con livelli di efficienza ora paragonabili a quelli delle celle a base di silicio.
Tuttavia, una volta ridimensionato da minuscole celle solari a moduli solari più grandi, i livelli di efficienza delle perovskiti precipitano. Ciò è problematico in quanto la tecnologia solare commerciale deve rimanere efficiente per le dimensioni dei pannelli solari, di diversi metri di lunghezza.
“Il ridimensionamento è molto impegnativo; eventuali difetti nel materiale diventano più pronunciati, quindi sono necessari materiali di alta qualità e migliori tecniche di fabbricazione ”, ha spiegato il dott. Luis Ono, coautore di questo studio.
(A sinistra) L'unità OIST Energy Materials and Surface Sciences lavora con celle solari e moduli di dimensioni variabili. (A destra) In questo studio, gli scienziati hanno lavorato con moduli solari 5 cm x 5 cm.
L'instabilità dei perovskiti è un'altra questione chiave sotto intense indagini. Le celle solari commerciali devono essere in grado di resistere per anni di funzionamento, ma attualmente le celle solari perovskite si degradano rapidamente.
Costruire i livelli
Il team del professor Qi, supportato dal programma Proof-of-Concept del centro di sviluppo tecnologico e innovazione OIST, ha affrontato questi problemi di stabilità ed efficienza utilizzando un nuovo approccio. I dispositivi solari Perovskite sono costituiti da più strati, ciascuno con una funzione specifica. Invece di concentrarsi su un solo livello, hanno esaminato le prestazioni complessive del dispositivo e il modo in cui i livelli interagiscono tra loro.
Lo strato di perovskite attiva, che assorbe la luce solare, si trova al centro del dispositivo, inserito tra gli altri strati. Quando i fotoni di luce colpiscono lo strato di perovskite, gli elettroni carichi negativamente sfruttano questa energia e “saltano” a un livello di energia più alto, lasciando dietro di sé “buchi” carichi positivamente dove si trovavano gli elettroni. Queste cariche vengono quindi deviate in direzioni opposte negli strati di trasporto di elettroni e fori sopra e sotto lo strato attivo. Questo crea un flusso di carica - o elettricità - che può lasciare il dispositivo solare tramite elettrodi. Il dispositivo è inoltre incapsulato da uno strato protettivo che riduce la degradazione e impedisce la fuoriuscita di sostanze chimiche tossiche nell'ambiente.
Le celle e i moduli solari di Perovskite sono composti da molti strati, ognuno dei quali ha una funzione specifica. Gli scienziati hanno aggiunto o modificato gli strati evidenziati in arancione.
Nello studio, gli scienziati hanno lavorato con moduli solari che erano 22. 4 cm 2.
Gli scienziati hanno innanzitutto migliorato l'interfaccia tra lo strato attivo di perovskite e lo strato di trasporto degli elettroni, aggiungendo una sostanza chimica chiamata EDTAK tra i due strati. Hanno scoperto che EDTAK ha impedito allo strato di trasporto degli elettroni di ossido di stagno di reagire con lo strato attivo di perovskite, aumentando la stabilità del modulo solare.
L'EDTAK ha inoltre migliorato l'efficienza del modulo solare perovskite in due modi diversi. In primo luogo, il potassio nell'EDTAK si è spostato nello strato di perovskite attiva e ha "guarito" piccoli difetti sulla superficie della perovskite. Ciò ha impedito a questi difetti di intrappolare elettroni e lacune in movimento, consentendo di generare più elettricità. L'EDTAK ha inoltre aumentato le prestazioni migliorando le proprietà conduttive dello strato di trasporto degli elettroni di ossido di stagno, rendendo più semplice la raccolta di elettroni dallo strato di perovskite.
Gli scienziati hanno apportato miglioramenti simili all'interfaccia tra lo strato attivo di perovskite e lo strato di trasporto del foro. Questa volta, hanno aggiunto un tipo di perovskite chiamato EAMA tra gli strati, che ha migliorato la capacità dello strato di trasporto di fori di ricevere buchi.
Il dispositivo trattato con EAMA ha inoltre mostrato una migliore stabilità durante i test di umidità e temperatura. Ciò è dovuto al modo in cui EAMA ha interagito con la superficie dello strato attivo di perovskite, che è un mosaico di granuli di cristallo. Nei dispositivi solari senza EAMA, gli scienziati hanno visto che si sono formate crepe sulla superficie dello strato attivo, che ha avuto origine dai confini tra questi grani. Quando gli scienziati hanno aggiunto EAMA, hanno osservato che il materiale aggiuntivo perovskite riempiva i bordi del grano e impediva l'ingresso dell'umidità, impedendo la formazione di queste crepe.
Il team ha anche modificato lo strato di trasporto del foro stesso, mescolando una piccola quantità di polimero chiamato PH 3 T. Questo polimero ha migliorato la resistenza all'umidità fornendo allo strato proprietà idrorepellenti.
Il polimero ha anche risolto un grosso problema che in precedenza aveva ostacolato i miglioramenti della stabilità a lungo termine. L'elettrodo sulla parte superiore del modulo solare perovskite è formato da sottili strisce d'oro. Ma nel tempo, minuscole particelle d'oro migrano dall'elettrodo, attraverso lo strato di trasporto del foro e nello strato di perovskite attiva. Ciò altera irreversibilmente le prestazioni del dispositivo.
Quando i ricercatori hanno incorporato PH 3 T, hanno scoperto che le particelle d'oro migravano nel dispositivo più lentamente, il che ha aumentato significativamente la durata del modulo.
Per il loro miglioramento finale, gli scienziati hanno aggiunto un sottile strato di polimero, il parilene, oltre al vetro, per fornire un rivestimento protettivo al modulo solare. Con questa protezione aggiuntiva, i moduli solari hanno mantenuto circa il 86% delle loro prestazioni iniziali, anche dopo 2000 ore di illuminazione costante.
In collaborazione con il Dr. Said Kazaoui dell'Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia Industriali Avanzate (AIST), il team OIST ha testato i moduli solari migliorati e ha ottenuto un'efficienza del 16. 6% - un'efficienza molto elevata per un modulo solare di quella dimensione. I ricercatori ora mirano a effettuare queste modifiche su moduli solari più grandi, aprendo la strada allo sviluppo della tecnologia solare commerciale su larga scala in futuro.
