Introduzione alle celle solari in perovskite
La struttura delle celle solari a perovskite è illustrata nella figura sottostante. Il nucleo è un materiale fotoassorbente composto da alogenuri organometallici con una struttura cristallina a perovskite (ABX₃) (la struttura della cella unitaria è mostrata nella figura allegata). In questa struttura a perovskite ABX₃,UNè il gruppo metilammonio (CH₃NH₃⁺),Bè un atomo di piombo metallico, eXè un atomo di alogeno come cloro, bromo o iodio. Attualmente, il materiale perovskite più comune nelle celle solari ad alta efficienza èioduro di piombo e metilammonio (CH₃NH₃PbI₃)Ha un bandgap di circa1,5 eVe un elevato coefficiente di estinzione; un film spesso solo poche centinaia di nanometri può assorbire sufficientemente la luce solare fino a 800 nm. Inoltre, questo materiale è semplice da preparare: un film uniforme può essere ottenuto mediante spin-coating di una soluzione contenente PbI₂ e CH₃NH₃I a temperatura ambiente. Queste proprietà consentono alla struttura di tipo perovskite CH₃NH₃PbI₃ non solo di assorbire la luce visibile e parte dello spettro del vicino infrarosso, ma anche di generare portatori fotogenerati meno inclini alla ricombinazione, con una perdita di energia minima. Questo è il motivo fondamentale per cui le celle solari a perovskite possono raggiungere un'elevata efficienza.
Figura: Struttura cristallina del materiale perovskite (utilizzando CH₃NH₃PbI₃ come esempio) e diagramma schematico della struttura di una cella solare perovskite.
A causa della struttura cristallina relativamente complessa, che impone requisiti rigorosi sui raggi degli atomi (o gruppi) nei siti A, B e X, la composizione dei materiali fotoassorbenti perovskiti è relativamente fissa. Recentemente, alcuni gruppi di ricerca hanno sostituito il gruppo metilammonio nel sito A conformamidinio (FA⁺), restringendo il bandgap a1,48 eVe ottenendo una fotocorrente più elevata. Per ilSito B, la sostituzione del piombo (Pb) con lo stagno (Sn) non ha ancora prodotto alcuna risposta fotoelettrica segnalata. Per ilSito X, possono essere utilizzati atomi come cloro, bromo o iodio, ma solo le perovskiti a base di iodio hanno un bandgap adatto per un'elevata efficienza di conversione. Oltre a CH₃NH₃PbI₃,CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓAnche questa è ampiamente studiata. Pur mantenendo la struttura di base dei livelli energetici, una piccola quantità di drogaggio con cloro può migliorare la mobilità degli elettroni, dimostrando prestazioni fotoelettriche superiori. Tuttavia, rispetto ai materiali a base di silicio, i materiali perovskiti ad assorbimento di luce comunemente utilizzati presentano svantaggi comeintervallo di risposta alla luce insufficientemente ampio, sensibilità all'acqua e ad alcuni solventi e contenuto di piombo, metallo pesantePertanto, trovare materiali perovskiti conbandgap più stretti, migliore stabilità chimica e rispetto dell'ambienteè molto significativo.
Lo sviluppo delle celle solari a film sottile di perovskite ha avuto origine dacelle solari sensibilizzate a coloranti (DSSC)Sfruttando le tecnologie accumulate negli ultimi due decenni nelle DSSC, nelle celle solari organiche e in altri settori, le celle solari a perovskite si sono sviluppate rapidamente. Le prime celle solari a perovskite utilizzateCH₃NH₃PbI₃ per sensibilizzare i fotoanodi TiO₂ e un elettrolita liquido I₃⁻/I⁻, raggiungendo un'efficienza di soli3,8%(ottimizzato al 6,5%). Tuttavia, a causa dell'instabilità di CH₃NH₃PbI₃ nell'elettrolita liquido I₃⁻/I⁻, la stabilità della cella era scarsa e la ricerca in questo settore è ora limitata. La sostituzione dell'elettrolita liquido I₃⁻/I⁻ con unmateriale di trasporto di buche allo stato solido (HTM)(ad esempio, spiro-OMeTAD, P3HT) hanno notevolmente migliorato l'efficienza cellulare, raggiungendo16%, superando la più alta efficienza delle celle solari sensibilizzate con coloranti (13%) e dimostrando una buona stabilità.
Partendo da questo,H. Snaith e altrisostituito lo strato di impalcatura porosa semiconduttore di tipo n TiO₂ con un materiale isolante comeAl₂O₃ o ZrO₂e celle a film sottile assemblate utilizzando materiali per il trasporto di buche, ottenendo anche un'elevata efficienza (l'efficienza più elevata riportata è stata del 15,9%). Questo risultato indica che il materiale perovskite CH₃NH₃PbI₃ possiede di per sé una buona capacità di conduzione degli elettroni. Le celle solari perovskite basate su strati di supporto in materiale isolante hanno, in linea di principio, superato il tradizionale concetto di sensibilizzazione, diventando uncella solare eterogiunzione sovrastrutturata mesoscopicaInoltre, rimuovendo lo strato isolante dell'impalcatura e utilizzando un film di perovskite uniforme di alta qualità, uncella di eterogiunzione planarepuò anche raggiungere un'elevata efficienza (l'efficienza più elevata riportata è del 15,7%). D'altra parte, anche senza materiali di trasporto di lacune, una cella a eterogiunzione formata tra perovskite e TiO₂ poroso ha raggiunto un'efficienza del 10,5%. In questa struttura, simile alle celle solari a punti quantici colloidali, la perovskite svolge un duplice ruolo: assorbimento della luce e trasporto di lacune. Inoltre, utilizzando il materiale perovskite come strato di assorbimento della luce in unstruttura della cella solare organica, con il derivato del fullerene PCBM come strato di trasporto degli elettroni e PEDOT:PSS come strato di trasporto delle lacune, efficienze superiori a12%sono stati raggiunti, superando i migliori risultati delle tradizionali celle solari organiche/polimeriche. Vale la pena ricordare che le celle solari a perovskite basate su strutture di celle solari organiche possono essere realizzateflessibile e prodotto roll-to-roll per produzioni su larga scalaAttualmente, tali celle perovskite flessibili hanno raggiunto un'elevata efficienza di9,2%.
Figura: Struttura di una cella solare perovskite.
Il fatto che i materiali perovskiti possano raggiungere efficienze superiori10%in queste strutture di celle solari molto diverse suggerisce che, nelle future applicazioni pratiche,strutture multiple possono coesistere e competereAllo stesso tempo, la ricerca approfondita e la comprensione delle proprietà fondamentali dei materiali e dei principi di funzionamento delle celle sono cruciali. Ciò non solo contribuirà a migliorare ulteriormente le prestazioni delle celle solari a perovskite, ma fornirà anche spunti per lo sviluppo di nuove strutture più semplici o più efficienti.
