Celle solari in perovskite: l'architettura 'Big Mac' raggiunge il 27,3% di efficienza e promette di superare il 30%

Le celle solari basate sulla perovskite continuano a rappresentare una delle tecnologie più promettenti per il futuro del fotovoltaico. Oltre a essere leggere ed economiche da produrre, possono essere depositate anche su substrati flessibili, offrendo possibilità applicative difficilmente raggiungibili dai tradizionali pannelli in silicio. Un nuovo studio dell'Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), pubblicato sulla rivista Joule, mostra come sia possibile migliorare contemporaneamente efficienza e durata operativa attraverso una nuova architettura multigiunzione.

Il gruppo di ricerca tedesco ha sviluppato una cella solare monolitica "a tripla giunzione", composta da tre differenti materiali in perovskite, ciascuno caratterizzato da un diverso band gap. La sovrapposizione dei tre assorbitori permette di sfruttare porzioni differenti dello spettro solare, aumentando la quantità di energia convertita rispetto alle celle a singola giunzione e avvicinando questa tecnologia a prestazioni superiori rispetto ai limiti fisici ormai raggiunti dal silicio.

Crediti immagine: Laura Canil / HZB

La realizzazione di una struttura di questo tipo richiede però numerosi strati funzionali, ciascuno con un ruolo specifico nel trasporto delle cariche. Steve Albrecht, responsabile del Dipartimento Perovskite Tandem Solar Cells dell'HZB, ha paragonato questa configurazione a un "Big Mac", dove i tre "panini" rappresentano gli strati assorbitori e le "farciture" corrispondono ai materiali intermedi che consentono il corretto funzionamento del dispositivo. Proprio l'interfaccia tra la cella centrale e quella inferiore è stata il principale oggetto dello studio.

Nelle tradizionali celle in perovskite viene generalmente utilizzato il polimero PEDOT come materiale per il trasporto delle lacune. Sebbene ampiamente diffuso, questo materiale introduce perdite ottiche e tende a degradarsi durante il funzionamento continuo, soprattutto quando viene impiegato insieme alle più delicate perovskiti a base di stagno e piombo, particolarmente sensibili all'ossigeno e all'umidità.

Per superare questo limite, i ricercatori hanno sperimentato una soluzione alternativa basata su un monostrato autoassemblato (Self-Assembled Monolayer, SAM), costituito da molecole organiche capaci di organizzarsi spontaneamente in uno strato estremamente sottile. I test iniziali hanno però evidenziato che il solo SAM non garantiva un trasporto sufficientemente efficiente delle cariche elettriche.

La soluzione è arrivata introducendo un sottilissimo strato di ossido di grafene (Graphene Oxide, GO) al di sotto del SAM. Questa combinazione GO/SAM ha migliorato sia le caratteristiche morfologiche sia quelle elettroniche dell'interfaccia, favorendo il trasporto delle lacune e riducendo le perdite ottiche. Secondo gli autori dello studio, il doppio strato contribuisce inoltre a creare una barriera chimica più efficace che protegge la delicata perovskite stagno-piombo dai fenomeni di ossidazione e degrado ambientale.

L'integrazione della nuova interfaccia nella cella tripla ha permesso di raggiungere un'efficienza di conversione del 27,3%, uno dei valori più elevati finora riportati per questa categoria di dispositivi fotovoltaici completamente basati sulla perovskite. Parallelamente è stato registrato anche un importante miglioramento della stabilità: dopo oltre 770 ore di funzionamento continuo, il dispositivo ha mantenuto più del 90% dell'efficienza iniziale, stabilendo un nuovo riferimento per questa particolare architettura.

Secondo il team dell'HZB, i margini di miglioramento non sono ancora esauriti. Ottimizzando ulteriormente la qualità dei singoli strati di perovskite e dei film intermedi, questa architettura potrebbe superare la soglia del 30% di efficienza, avvicinando le celle multigiunzione in perovskite a prestazioni che potrebbero renderle sempre più competitive nelle future applicazioni fotovoltaiche ad alta efficienza.