Celle solari tandem perovskite-silicio al 30,3%: decisivo un velo di cloruro di cesio

L'Helmholtz-Zentrum Berlin ha portato una cella tandem perovskite-silicio al 30,3 per cento di efficienza inserendo un sottile strato di semina di cloruro di cesio fra le due sotto-celle. La perovskite non è stata depositata da soluzione ma co-evaporata sotto vuoto, e per questa famiglia di celle il centro tedesco parla di un valore eccezionale. Lo studio è stato pubblicato su Joule.

La sotto-cella di silicio ha la superficie nanostrutturata per assorbire meglio la luce, e su quel rilievo il resto della pila fatica ad appoggiarsi in modo regolare. Come strato di trasporto delle lacune verso la perovskite si usano i SAM, molecole organiche che si auto-assemblano in un monostrato, ma quel monostrato non è mai perfetto. La perovskite co-evaporata che cresce su un supporto disuguale non riesce a compensarne le disomogeneità, e il difetto si trasmette verso l'alto.

La diagnosi al sincrotrone BESSY II

Il gruppo ha lavorato al BESSY II, il sincrotrone dello stesso centro. Con un microscopio a sonda di prossimità in campo vicino operante nell'infrarosso (IR-s-SNOM) ha misurato lo spessore effettivo del monostrato organico, trovando zone spesse una sola molecola, zone da più strati sovrapposti e vere e proprie agglomerazioni. Il confronto fra substrati di silicio piani e substrati testurizzati, quelli usati davvero nella produzione, ha mostrato dove le molecole si raccolgono: negli avvallamenti della superficie, che risulta così coperta in modo disuguale.

Con la microscopia a fotoemissione di elettroni eccitata da raggi X (XPEEM) i ricercatori hanno poi seguito la crescita della perovskite co-evaporata sulle diverse zone del substrato rivestito di SAM. Dove la copertura organica era irregolare, all'interfaccia verso il silicio si è formato ioduro di piombo, un composto che in quella posizione è solo dannoso per la resa del dispositivo. Le immagini al microscopio elettronico a scansione mostrano lo stesso quadro sul piano della morfologia: senza strato di semina la perovskite cresce a grana fine e ricca di difetti.

Lo strato di semina di cloruro di cesio

HZB ha allora depositato un velo di cloruro di cesio all'interfaccia, prima della perovskite. "Consente la crescita uniforme di strati di perovskite co-evaporati su silicio testurizzato e impedisce la formazione dei difetti di interfaccia dovuti alla copertura irregolare dello strato di trasporto delle lacune", spiega Viktor Škorjanc, primo autore del lavoro. Al microscopio elettronico la differenza si vede a occhio: sopra il cloruro di cesio la perovskite cresce più uniforme, con meno difetti e grani cristallini più grandi.

Le celle preparate da Stefanie Severin con questo schema hanno raggiunto il 30,3 per cento di efficienza, valore che HZB definisce eccezionale per le perovskiti ottenute per evaporazione. Il dato riguarda dispositivi interamente testurizzati, cioè con la superficie del silicio nella forma che l'industria usa davvero, non nella versione piana da laboratorio. La co-evaporazione dei precursori, dal canto suo, è un processo di deposizione che la manifattura padroneggia da tempo.

Il processo sotto vuoto non richiede solventi, e secondo HZB questo potrebbe migliorare la stabilità delle celle tandem, che resta l'ostacolo principale sulla strada della commercializzazione. Il condizionale è del centro stesso, e nel materiale diffuso non compaiono misure di durata a sostegno. "È un passo avanti reale nel tradurre le efficienze da record del laboratorio in tecnologie tandem affidabili e producibili su scala industriale", dice Marcel Roß, che a HZB guida il gruppo sulle celle a perovskite evaporata.

Lo scorso mese dallo stesso istituto di ricerca era stato superato il traguardo dell'efficienza al 27%.