Addio Corrosione! La Mossa Geniale con l’Acido Borico per Celle Solari Tandem Super Efficienti

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona tantissimo: il futuro dell’energia solare, e in particolare delle celle solari tandem all-perovskite. Sembra un nome complicato, vero? Ma pensateci come a un “sandwich” solare super potente, capace di catturare molta più luce del sole rispetto alle celle tradizionali. Queste meraviglie tecnologiche promettono di superare i limiti teorici delle celle a singola giunzione, aprendo scenari incredibili per un’energia pulita ed economica. Abbiamo già raggiunto efficienze certificate notevoli, oltre il 30%, il che ci dice che siamo sulla strada giusta per la commercializzazione.

Il Tallone d’Achille: Un’Interfaccia Problematica

Però, come in ogni grande avventura, c’è sempre un ostacolo da superare. Nel nostro caso, uno dei punti deboli che limita sia l’efficienza che la durata di queste super celle si trova in un punto cruciale: l’interfaccia tra uno strato chiamato ossido di nichel (NiOx) e dei particolari rivestimenti molecolari chiamati monostrati auto-assemblati (SAMs). Questi SAMs sono fondamentali, specialmente nelle celle superiori del nostro “sandwich” solare (quelle chiamate wide-bandgap, WBG).

Il NiOx è necessario perché lo strato di perovskite WBG, quello che cattura la luce ad alta energia, tende ad avere una superficie un po’ “rugosa”. Senza il NiOx, rischieremmo cortocircuiti perché il SAM da solo è troppo sottile. Il problema? Il NiOx è piuttosto reattivo. I SAMs più comuni usano l’acido fosforico (PA) come “ancora” per attaccarsi al NiOx. Ma questo acido è troppo forte! Immaginate di usare un acido potente su una superficie delicata: la corrode. Ed è esattamente quello che succede. L’acido fosforico attacca il NiOx, minando la stabilità a lungo termine della cella solare. Non solo: questi SAMs a base di acido fosforico tendono ad aggregarsi, a formare “grumi”, lasciando scoperte alcune zone e legandosi debolmente in altre. Questi legami deboli possono essere “lavati via” dai solventi usati per depositare lo strato successivo di perovskite, causando difetti, perdite di efficienza (soprattutto nella tensione, la famosa VOC) e riducendo drasticamente la vita operativa della cella. Un bel pasticcio, vero?

L’Idea Brillante: Un’Ancora Più Gentile

E se potessimo usare un’ancora meno aggressiva? Qui entra in gioco la nostra intuizione. Abbiamo pensato: perché non provare con l’acido borico (BA)? È un acido molto più debole del fosforico. La scommessa era: riuscirà ad ancorarsi saldamente al NiOx senza corroderlo? La risposta, come abbiamo scoperto con grande soddisfazione, è sì!

Abbiamo progettato dei nuovi SAMs utilizzando l’acido borico come gruppo di ancoraggio. Grazie a calcoli teorici (la mitica DFT, Density Functional Theory) e analisi sperimentali (come la spettroscopia fotoelettronica a raggi X, XPS), abbiamo visto che l’acido borico forma un legame chimico forte con il NiOx, una coordinazione chiamata –BO₂–Ni. È un legame robusto, ma senza l’aggressività corrosiva dell’acido fosforico.

Ma non ci siamo fermati qui. Volevamo rendere questo legame ancora più forte e migliorare altre proprietà. Abbiamo quindi “fuso” al nostro SAM a base di acido borico una testa molecolare speciale contenente zolfo, chiamata benzotiofene. Perché proprio questa? Perché lo zolfo (S) interagisce anch’esso con il nichel (Ni) del NiOx! È come avere una doppia presa: l’ancora principale dell’acido borico e un’interazione aggiuntiva S-Ni. I nostri calcoli hanno mostrato che questa combinazione (che abbiamo chiamato S-BA) ha un’energia di legame con il NiOx addirittura superiore a quella dei tradizionali SAMs con acido fosforico (-6.73 eV contro -6.14 eV). Un risultato fantastico!

Non Solo Ancoraggio: I Benefici Nascosti

La vera magia di questo design con benzotiofene non finisce qui. Abbiamo scoperto due effetti collaterali incredibilmente positivi:

• Niente più grumi: Questa interazione tra la testa di benzotiofene e il NiOx favorisce la formazione di un monostrato omogeneo, senza quelle fastidiose aggregazioni che affliggevano i vecchi SAMs. Questo significa una copertura superficiale migliore e più stabile.
• Cristalli di perovskite perfetti: Qui la cosa si fa affascinante. Abbiamo notato, sia con calcoli che esperimenti, un’interazione speciale (chiamata π-catione) tra il nostro benzotiofene e uno dei componenti chiave della perovskite (il catione FA+). Questa interazione agisce come un “regolatore” durante la formazione dei cristalli di perovskite WBG. Questi cristalli sono composti da iodio (I) e bromo (Br), ma tendono a formarsi in modo disomogeneo, creando zone ricche di uno o dell’altro, il che porta a difetti e instabilità alla luce. La nostra molecola S-BA aiuta a bilanciare la velocità di cristallizzazione delle fasi ricche di I e Br, portando a un film di perovskite molto più uniforme e resistente alla cosiddetta segregazione di fase indotta dalla luce.

Per ottimizzare ulteriormente, abbiamo provato a mescolare il nostro S-BA con una piccola quantità (un rapporto 4:1) di un SAM standard (Me-4PACz). Questa miscela, che chiamiamo S-BA-SAM, ha mostrato risultati ancora migliori in termini di trasporto di carica.

La Prova del Nove: Meno Corrosione, Più Stabilità

Ovviamente, dovevamo dimostrare che il nostro approccio riducesse davvero la corrosione. Abbiamo immerso substrati di NiOx nelle soluzioni dei due tipi di SAM (il nostro S-BA-SAM e quello tradizionale Me-4PACz) e misurato quanti ioni nichel venivano rilasciati (usando una tecnica chiamata ICP-OES). I risultati sono stati netti: la soluzione con il nostro S-BA-SAM conteneva una quantità di nichel significativamente inferiore (29 µg/L contro 87 µg/L). Questo conferma che il nostro acido borico, meno acido, è molto più gentile con il NiOx.

Abbiamo anche verificato la stabilità dell’interfaccia dopo l’esposizione alla luce. Con i SAMs tradizionali, abbiamo visto un aumento degli ioni nichel rilasciati dopo l’invecchiamento alla luce, segno di corrosione continua. Con il nostro S-BA-SAM, invece, il rilascio di nichel era trascurabile. Analisi XPS hanno confermato che l’interfaccia NiOx/S-BA-SAM rimaneva molto più integra e stabile dopo stress luminosi e termici rispetto a quella con i SAMs tradizionali, dove si notava un deterioramento e un distacco delle molecole SAM.

Un altro punto cruciale era la resistenza al solvente DMF, usato per depositare la perovskite. Come previsto, il nostro S-BA-SAM ha mostrato una resistenza molto maggiore: rimaneva ancorato al NiOx anche dopo “lavaggi” con DMF, mentre il SAM tradizionale veniva parzialmente rimosso. Questo è fondamentale per garantire un’interfaccia pulita e funzionale durante la fabbricazione della cella.

Risultati da Record: Efficienza e Durata alle Stelle

Tutto questo lavoro sull’interfaccia e sulla cristallizzazione ha portato a risultati spettacolari sulle prestazioni delle celle solari.
La cella WBG singola, quella superiore del nostro “sandwich”, ha visto la sua efficienza (PCE) migliorare notevolmente, passando dal 18.9% (del dispositivo di controllo con Me-4PACz) al 20.1% con il nostro S-BA-SAM. Soprattutto, abbiamo ottenuto un eccellente tensione a circuito aperto (VOC) di 1.30 V e un fattore di riempimento (FF) dell’84.8%, segno di minori perdite e migliore qualità dell’interfaccia.

Ma il vero trionfo è arrivato quando abbiamo integrato questa cella WBG migliorata con una cella inferiore (narrow bandgap, NBG) per creare la cella solare tandem completa a due terminali (2T). Qui abbiamo raggiunto un’efficienza PCE del 28.5%! Un risultato davvero notevole.

E la stabilità? Qui il nostro approccio ha brillato ancora di più. Le celle tandem modificate con S-BA-SAM hanno mantenuto il 90% della loro efficienza iniziale dopo ben 500 ore di funzionamento continuo al massimo punto di potenza (MPP) sotto illuminazione solare simulata (1 sun). Un miglioramento drastico rispetto ai dispositivi di controllo, che degradavano molto più rapidamente. Abbiamo anche testato la stabilità a temperature elevate (85°C), e anche lì le nostre celle hanno mostrato una resilienza superiore.

Cosa Significa Tutto Questo?

Quello che abbiamo dimostrato è che curare i dettagli, anche a livello molecolare in un’interfaccia “sepolta” all’interno della cella solare, può fare una differenza enorme. Sostituendo un’ancora acida aggressiva con una più gentile ma intelligente (l’acido borico con la testa di benzotiofene), siamo riusciti a risolvere due problemi contemporaneamente: la corrosione del NiOx e la cristallizzazione non ottimale della perovskite WBG.

Questo non solo ci ha permesso di spingere l’efficienza delle celle solari tandem all-perovskite verso nuovi record, ma ha anche migliorato drasticamente la loro stabilità, un fattore chiave per la commercializzazione. È un passo avanti importante che ci avvicina a un futuro alimentato da energia solare ancora più efficiente, duratura ed economica. La ricerca continua, ma risultati come questi ci danno una carica incredibile!

Fonte: Springer