Cella tandem al 34%: Longi punta sull’interfaccia in zirconia

Longi e Soochow University hanno sviluppato una cella solare tandem monolitica perovskite-silicio che ha raggiunto un’efficienza di conversione del 34,0%. Il risultato deriva da una strategia di ingegneria interfacciale basata su nanoparticelle di zirconia monoclina, inserite tra l’ossido conduttivo trasparente e un monostrato autoassemblato.

La cella ha ottenuto una tensione a circuito aperto di 1,997 V, una densità di corrente di corto circuito di 20,36 mA cm⁻² e un fattore di riempimento dell’83,62%. I ricercatori hanno inoltre riportato una tensione a circuito aperto di 2,014 V certificata in modo indipendente.

Una struttura nanoporosa tra ITO e monostrato autoassemblato

La soluzione prevede l’introduzione di nanoparticelle discrete di ossido di zirconio, o ZrO₂, tra l’ossido di indio-stagno (ITO) e il monostrato autoassemblato MeO-4PACz. Lo strato ottenuto funziona come un buffer discontinuo e nanoporoso, progettato per passivare l’interfaccia sepolta senza ostacolare il trasporto delle cariche.

Secondo He Bo, ricercatore di Longi, la zirconia modula l’energia superficiale locale, favorisce la crescita di film di perovskite privi di vuoti e con grani grandi e opera contemporaneamente come contatto localizzato su scala nanometrica. Il ricercatore attribuisce inoltre all’elevata costante dielettrica della ZrO₂ la capacità di attenuare l’accumulo di carica all’interfaccia e l’isteresi.

La zirconia impiegata presenta una banda proibita di circa 5,49 eV e, secondo i risultati riportati, introduce un assorbimento trascurabile della luce visibile. La struttura porosa riduce il contatto diretto fra la perovskite e le aree difettose dell’ossido conduttivo, limitando i percorsi di dispersione e la ricombinazione interfacciale. La soppressione della ricombinazione non radiativa resta tuttavia un risultato dichiarato nello studio e non verificato attraverso ulteriori fonti indipendenti.

Le analisi al microscopio elettronico a scansione hanno mostrato che la diluizione del precursore permette di controllare la copertura delle nanoparticelle. Questo passaggio evita la formazione di uno strato isolante continuo che potrebbe interferire con l’estrazione dei portatori, lasciando esposte regioni del monostrato autoassemblato dedicate all’estrazione delle lacune.

La rete a doppio ancoraggio Zr–O–P

La microscopia a forza atomica conduttiva ha rilevato meno regioni localizzate ad alta conducibilità, un dato coerente con una copertura più omogenea del monostrato autoassemblato e con la riduzione dei percorsi di dispersione. La spettroscopia fotoelettronica a raggi X ha inoltre confermato la formazione di legami covalenti Zr–O–P.

Questi legami costituiscono la rete a doppio ancoraggio che rafforza l’adesione del monostrato all’interfaccia. Le analisi condotte mediante spettroscopia fotoelettronica nell’ultravioletto e microscopia a forza di sonda Kelvin hanno indicato anche un allineamento favorevole dei livelli energetici e dell’estrazione delle lacune.

Il dispositivo combina una sottocella inferiore in silicio cristallino con una sottocella superiore in perovskite invertita p-i-n. La parte in silicio impiega contatti passivanti in silicio amorfo intrinseco e ossido di silicio nanocristallino drogato, mentre ITO e argento formano il contatto posteriore. Sul lato anteriore, la struttura di contatto e l’ITO costituiscono la regione che collega le due sottocelle.

Sopra lo strato di ZrO₂ e il monostrato MeO-4PACz si trovano l’assorbitore in perovskite, uno strato di passivazione LiF/EDAI, uno strato di trasporto degli elettroni in fullerene C₆₀, un buffer in ossido di stagno e un elettrodo trasparente in ossido di indio-zinco. Completano la struttura un rivestimento antiriflesso in fluoruro di magnesio e contatti anteriori in argento.

Efficienza residua dopo 2.000 ore

Nel test di durata riportato dai ricercatori, il dispositivo ha conservato l’84% dell’efficienza iniziale dopo 2.000 ore. La cella di controllo realizzata senza la strategia interfacciale è invece scesa al 70% dopo 1.000 ore.

Il concetto è descritto nello studio Nanoscale interfacial scaffold enables perovskite/silicon tandems with 34% efficiency and an open-circuit voltage over 2.01 V, pubblicato su Science Bulletin. Le informazioni disponibili riferiscono inoltre che Longi detiene il record mondiale per una cella tandem perovskite-silicio a due terminali, con un’efficienza del 35,5% certificata a luglio dall’European Solar Test Installation. La disponibilità di una sola fonte non consente però un confronto indipendente su questo primato.

Una domanda per voi

Quale aspetto della nuova interfaccia in zirconia ritenete più significativo: efficienza, tensione o stabilità dopo 2.000 ore?

Nota sulla redazione: questo articolo è stato realizzato con il supporto di EVA AI.