Celle perovskite-silicio al 34% grazie a nanoparticelle di zirconia

La Soochow University ha portato una cella tandem perovskite-silicio al 34,0% di efficienza di conversione in laboratorio, e la misura su un esemplare certificato in modo indipendente ha dato 33,5% in stato stazionario con una tensione a circuito aperto di 2,014 V. Per questa classe di dispositivi quel valore di tensione è fra i più alti mai riportati. Il lavoro, pubblicato su Science Bulletin, è firmato insieme al LONGi Central R&D Institute.

All'interfaccia sepolta della cella il gruppo ha inserito nanoparticelle discrete di zirconia monoclina (ZrO2), fra l'ossido conduttivo trasparente e il monostrato auto-assemblato che estrae le lacune. Le nanoparticelle non formano uno strato isolante continuo: restano separate una dall'altra e lasciano scoperte le vie del monostrato sottostante. La discontinuità scioglie il compromesso su cui i lavori precedenti si erano fermati.

Una cella tandem impila una perovskite ad ampio bandgap sopra una base di silicio, per sfruttare meglio lo spettro di emissione solare rispetto a quanto possibile con una singola giunzione. Due difetti ne limitano la resa: la perovskite cresce in modo disomogeneo sulla superficie testurizzata del silicio, e all'interfaccia con il trasportatore di lacune una parte dei portatori si perde per ricombinazione non radiativa. Le passivazioni tentate prima riducevano la ricombinazione, ma frapponevano una barriera isolante che rallentava l'estrazione della carica, e il guadagno in tensione si pagava in trasporto.

Due funzioni sulla stessa interfaccia

Le nanoparticelle cambiano l'energia superficiale del substrato, e la soluzione precursore della perovskite si distribuisce in modo più uniforme. I film che ne risultano sono densi, senza vuoti, e con grani cristallini più grandi. La crescita, che sul silicio testurizzato è il primo punto debole, migliora prima che entri in gioco qualunque effetto elettrico.

Sul piano elettrico le nanoparticelle separate formano contatti localizzati su scala nanometrica. Dove c'è zirconia la passivazione avviene per effetto di campo e sopprime la ricombinazione non radiativa; dove il monostrato resta esposto, le lacune continuano a essere estratte senza ostacoli. L'alta costante dielettrica della zirconia scherma poi le fluttuazioni elettriche locali, limita l'accumulo di carica e riduce l'isteresi del dispositivo.

La spettroscopia fotoelettronica a raggi X ha mostrato la formazione di legami Zr-O-P fra la zirconia e le molecole del monostrato. Insieme al legame che il monostrato già stabilisce con l'ossido conduttivo, quei legami costruiscono una rete a doppio ancoraggio, con molecole che aderiscono meglio e copertura più uniforme. La microscopia a forza atomica in modalità conduttiva e le misure con sonda Kelvin hanno restituito distribuzioni di corrente e di potenziale superficiale più omogenee sull'interfaccia trattata.

Dalla vita dei portatori ai numeri certificati

La fotoluminescenza risolta nel tempo ha misurato una vita media dei portatori passata da 1,46 a 2,81 microsecondi dopo la modifica combinata, quasi il doppio. La spettroscopia fotoelettronica nell'ultravioletto indica un allineamento energetico più favorevole all'estrazione delle lacune. Le misure di impedenza registrano una ricombinazione interfacciale ridotta.

La cella campione ha raggiunto il 34,0% di efficienza con una tensione a circuito aperto di 1,997 V, una densità di corrente di corto circuito di 20,36 mA/cm2 e un fill factor dell'83,62%. La certificazione indipendente ha rilevato 2,014 V di tensione a circuito aperto e un'efficienza in stato stazionario del 33,5%.

A luglio LONGi, che ha partecipato allo studio con il proprio centro di ricerca, ha annunciato una tandem perovskite/silicio al 35,5%, certificata dal Centro comune di ricerca della Commissione europea, senza però diffonderne i dettagli costruttivi. Per confronto, la miglior cella in silicio a giunzione singola si ferma al 28,13% in laboratorio e i moduli commerciali più efficienti arrivano al 25%. L'interesse del lavoro pubblicato su Science Bulletin sta nella tensione a circuito aperto di 2,014 V, tra le più alte riportate per questa architettura, e nel fatto che il meccanismo sia descritto per intero: una modifica dell'interfaccia che riduce le perdite senza penalizzare l'estrazione delle cariche.

Celle incapsulate sono state tenute sotto illuminazione continua equivalente a un sole, al punto di massima potenza e a temperatura ambiente: dopo 2000 ore il dispositivo con zirconia conservava l'84% dell'efficienza iniziale. Il lavoro porta come primi autori Huimin Zhang e Qingshui Zheng, con il coordinamento di Jiang Liu, Xiaohong Zhang e Hongbo Mo alla Soochow University e di Bo He al LONGi Central R&D Institute. Le prove riportate non coprono il comportamento a temperatura elevata né il passaggio dalla cella di laboratorio al modulo.