Celle Solari Tandem Perovskite/Silicio: Il Tocco Magico del Terbio per un’Efficienza da Capogiro!

Ragazzi, parliamoci chiaro: il futuro dell’energia è sotto il sole, letteralmente! E nel campo del fotovoltaico, c’è una tecnologia che sta facendo faville: le celle solari tandem perovskite/silicio. Immaginate di unire il meglio di due mondi: la stabilità e l’affidabilità del silicio con l’incredibile potenziale di assorbimento della luce della perovskite. Il risultato? Celle solari che promettono efficienze mai viste prima.

Ma come spesso accade nella scienza, c’è sempre un “ma”. In particolare, le perovskiti completamente inorganiche (quelle senza componenti organiche, per intenderci), come la CsPbI3, sono super interessanti perché resistono benissimo al calore, un bel vantaggio! Però, integrarle efficacemente nelle strutture tandem, soprattutto in quelle “invertite” (dove l’ordine degli strati è ribaltato rispetto al solito), non è una passeggiata.

Le Sfide dell’Interfaccia Nascosta

Uno dei punti critici è l’interfaccia tra lo strato di perovskite e lo strato sottostante che trasporta le cariche positive (i “buchi”, in gergo tecnico). Nelle celle invertite, spesso si usano materiali come il PEDOT:PSS, che però soffre l’umidità e può essere un po’ acido, rovinando la perovskite. Altri materiali come il PTAA hanno problemi di “bagnabilità”, cioè la soluzione liquida di perovskite non si stende bene sopra, creando film disomogenei. L’ossido di nichel (NiOx) ha i suoi difetti e può reagire male con la perovskite. Insomma, trovare il partner giusto per la nostra perovskite inorganica non è facile.

Poi ci sono le SAM (Self-Assembled Monolayers), strati sottilissimi che si auto-assemblano sulla superficie. Molecole come la Me-4PACz sono promettenti: aiutano a estrarre le cariche e migliorano le prestazioni. Però, anche loro possono creare problemi di bagnabilità e ostacolare la crescita di un film di perovskite perfetto, denso e cristallino. E un film imperfetto significa meno efficienza e stabilità. Qui entra in gioco la nostra idea!

Il “Doping” che Cambia Tutto: Benvenuto, Cloruro di Terbio!

E se vi dicessi che abbiamo trovato un modo per “regolare” questa interfaccia nascosta, quella tra la Me-4PACz e la perovskite CsPbI3? Abbiamo pensato: perché non provare a “drogare” leggermente lo strato di Me-4PACz con un composto di una terra rara, il cloruro di terbio (TbCl3)? L’idea era che questo potesse migliorare le cose proprio lì, nel punto di contatto cruciale.

E ragazzi, ha funzionato alla grande! Aggiungere una piccola quantità di TbCl3 alla soluzione di Me-4PACz prima di depositarla ha fatto miracoli.

Migliore Bagnabilità, Cristalli Più Belli

Prima di tutto, abbiamo visto che la soluzione liquida della perovskite si stendeva molto meglio sulla superficie trattata con TbCl3. L’angolo di contatto (una misura di quanto una goccia “si appiattisce” su una superficie) è passato da un altino 83° a un ottimo 43°. Questo significa che la soluzione “bagna” meglio la superficie, permettendo la formazione di un film di perovskite più uniforme e senza buchi, specialmente all’interfaccia.

Guardando al microscopio (SEM e AFM), abbiamo confermato che i film di perovskite cresciuti sul substrato modificato con TbCl3 avevano grani cristallini più grandi e una superficie più liscia. Non solo: analizzando la cristallizzazione in tempo reale (in situ absorption spectroscopy), abbiamo visto che il TbCl3 accelera la trasformazione della perovskite nella sua fase attiva e stabile (la fase gamma, quella che serve per fare la cella solare).

Meno Difetti, Più Efficienza

Ma i vantaggi non finiscono qui. Le analisi (XRD, XPS, PL, TRPL) hanno rivelato altre cose fantastiche:

• Migliore cristallinità: I picchi di diffrazione dei raggi X erano più intensi, segno di una struttura cristallina più ordinata.
• Meno PbI2 in eccesso: Il TbCl3 sembra sopprimere la formazione di piombo ioduro residuo, un “ingrediente” indesiderato.
• Passivazione dei difetti: Gli ioni Terbio (Tb3+) e Cloruro (Cl-) si inseriscono nel reticolo cristallino della perovskite, probabilmente occupando posti vacanti o sostituendo altri ioni. In particolare, il Cloruro è noto per “tappare” i difetti legati alle vacanze di iodio (VI), che sono trappole per le cariche e riducono l’efficienza. Questo processo si chiama passivazione.
• Estrazione delle cariche più rapida: Le misure di fotoluminescenza (PL e TRPL) hanno mostrato che le cariche generate dalla luce venivano estratte più velocemente all’interfaccia modificata con TbCl3, riducendo la possibilità che si ricombinassero inutilmente (ricombinazione non radiativa).
• Minore densità di stati trappola: Le misure SCLC hanno confermato una riduzione significativa dei difetti nel film di perovskite.

Allineamento Energetico Ottimizzato

Un altro pezzo del puzzle è l’allineamento dei livelli energetici tra i vari strati della cella solare. È come assicurarsi che i gradini di una scala siano alla giusta altezza per salire e scendere facilmente. Abbiamo scoperto (con misure UPS) che il TbCl3 modifica leggermente il livello energetico della Me-4PACz, riducendo il “salto” che le cariche positive (lacune) devono fare per passare dalla perovskite alla Me-4PACz. Questo facilita il trasporto delle cariche e contribuisce ad aumentare la tensione (VOC) della cella.

Risultati da Record e Stabilità Migliorata

E veniamo ai numeri, quelli che contano! Le celle solari singole CsPbI3 invertite, realizzate con il nostro trucco al TbCl3, hanno raggiunto un’efficienza del 18,68%! Un bel salto rispetto al 15,34% delle celle di controllo (senza TbCl3). Soprattutto, abbiamo visto un notevole aumento della tensione (VOC da 1.017 V a 1.162 V) e del fattore di riempimento (FF da 0.758 a 0.799), segni chiari di una migliore qualità dell’interfaccia e minori perdite per ricombinazione.

Ma la vera sfida è la stabilità. Abbiamo lasciato i film di perovskite all’aria (umidità circa 20-40%) e quelli trattati con TbCl3 hanno resistito molto meglio alla degradazione verso la fase delta (una fase inattiva gialla), mantenendo la loro struttura e le loro proprietà ottiche per giorni, a differenza dei campioni di controllo. Anche le celle complete hanno mostrato un’ottima stabilità operativa sotto illuminazione continua.

Verso il Tandem Definitivo

Forte di questi risultati, abbiamo usato le nostre super-celle invertite CsPbI3 come “top cell” (la cella superiore) in dispositivi tandem con una cella solare al silicio standard come “bottom cell” (cella inferiore). Abbiamo costruito due tipi di tandem:

• Tandem a 4 terminali (4T): Qui le due celle sono elettricamente indipendenti. Abbiamo ottenuto un’efficienza combinata pazzesca del 29,40%! (17,57% dalla cella semitrasparente di perovskite + 11,83% dalla cella al silicio sottostante).
• Tandem a 2 terminali (2T): Qui le celle sono collegate in serie, una sfida più complessa ma più pratica per le applicazioni reali. Utilizzando uno strato di interconnessione avanzato (MXene), abbiamo raggiunto un’efficienza certificata del 25,44%, tra le più alte mai riportate per tandem 2T basati su perovskiti completamente inorganiche!

Inoltre, questi dispositivi tandem 2T hanno dimostrato un’eccellente stabilità, mantenendo il 98% della loro efficienza iniziale dopo 320 ore all’aria.

Cosa Significa Tutto Questo?

Beh, significa che abbiamo trovato una strategia semplice ma potente per migliorare significativamente le prestazioni e la stabilità delle celle solari a perovskite inorganica invertite. Il “doping” dell’interfaccia sepolta con TbCl3 si è rivelato un successo: migliora la crescita del film, passiva i difetti, ottimizza l’estrazione delle cariche e l’allineamento energetico.

Questo lavoro apre nuove strade per la realizzazione di celle solari tandem perovskite/silicio altamente efficienti e stabili, avvicinandoci sempre di più alla commercializzazione su larga scala di questa tecnologia fotovoltaica di nuova generazione. È un passo avanti entusiasmante verso un futuro energetico più pulito e sostenibile!

Fonte: Springer