Le celle solari ibride alla perovskite ad alta entropia raggiungono un'efficienza del 25,7%.

I ricercatori dell'Università di Zhejiang in Cina hanno sviluppato una perovskite invertita cella solare basato su un materiale di perovskite ibrida ad alta entropia (HEHP). Secondo quanto riferito, questo nuovo approccio migliora la stabilità del dispositivo e mostra un'efficienza eccezionale.

"Il nostro lavoro evidenzia il potenziale di una struttura di perovskite ibrida ad alta entropia (HEHP) per migliorare l'efficienza e la stabilità delle celle solari di perovskite", ha affermato Jingjing Xue, l'autore corrispondente dello studio. "Questa struttura presenta componenti organici altamente disordinati che forniscono guadagno di entropia e mostrano una migliore stabilità termica e robustezza strutturale rispetto alle loro controparti ordinate a componente singolo. La ricchezza chimica dei componenti organici offre ulteriori possibilità per ottimizzare le proprietà delle perovskiti e dei materiali correlati."

Stabilità ed efficienza migliorate

Il gruppo di ricerca ha dimostrato che il nuovo materiale possiede una struttura di perovskite multicomponente monofase, che offre una maggiore stabilità di fase alle alte temperature rispetto alle perovskiti convenzionali. La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) ha confermato la coesistenza di diversi cationi organici nel materiale proposto.

"Il singolo cristallo HEHP ha mostrato picchi caratteristici di tutti i cationi organici che si adattavano bene a quelli di una miscela equimolare di tutti e cinque i cationi organici", hanno spiegato gli scienziati. "Questo singolo cristallo può essere meglio descritto come una struttura ibrida composta da strutture inorganiche ordinate e interstrati organici disordinati."

Costruzione migliorata del dispositivo

Utilizzando HEHP, i ricercatori hanno creato un film di perovskite con eccellente resistenza all'acqua e all'umidità. Questo film è stato poi utilizzato per costruire una cella solare in perovskite con un'architettura convenzionale, che comprendeva un substrato di ossido di indio-stagno (ITO), uno strato di trasporto degli elettroni (ETL) di ossido di stagno (SnO2), l'assorbitore di perovskite, uno spiro-OMeTAD- strato di trasporto del foro basato e un contatto in argento metallico (Ag). Le prestazioni di questo dispositivo sono state confrontate con un dispositivo di riferimento con uno strato di perovskite simile ma senza HEHP.

Metriche di prestazione superiori

Testato in condizioni di illuminazione standard, il dispositivo basato su HEHP ha ottenuto:

• Efficienza: 25,7%
• Tensione a circuito aperto: 1,17 V
• Densità di corrente di cortocircuito: 25,8 mA/cm²
• Fattore di riempimento: 85,2%

In confronto, il dispositivo di riferimento ha ottenuto:

• Efficienza: 23,2%
• Tensione a circuito aperto: 1,13 V
• Densità di corrente di cortocircuito: 25,1 mA/cm²
• Fattore di riempimento: 81,7%

La cella basata su HEHP ha mantenuto oltre il 98% della sua energia originale  efficienza anche dopo 1.000 ore.

"Attribuiamo il miglioramento della tensione a circuito aperto e del fattore di riempimento alla riduzione della ricombinazione non radiativa e al miglioramento dell'interfaccia dopo aver incorporato HEHP", hanno spiegato gli scienziati. "La superiorità di HEHP rispetto ai singoli componenti nel ridurre le interferenze elettroniche potrebbe essere attribuita alla coesistenza di più tipi di cationi A-site che possono interagire sinergicamente con vari difetti."

Ampia applicabilità

Il team è fiducioso che il nuovo materiale perovskite possa essere utilizzato in varie composizioni di perovskite e architetture cellulari. "Può servire come strategia universale e tollerante ai difetti per migliorare le prestazioni delle celle solari a perovskite in diversi scenari, il che è fondamentale per migliorare la resa produttiva dei dispositivi a perovskite nella futura produzione industriale di massa", ha concluso il team.

I dettagli di questo nuovo concetto di cella sono riportati nello studio "Perovskiti ibridi ad alta entropia con moieties organiche disordinate per celle solari perovskite", pubblicato su Nature Photonics.