Immagine copertina generata con l’intelligenza artificiale
Una nuova cella solare tandem basata su perovskite e silicio ha raggiunto risultati di rilievo nei test di laboratorio, arrivando a un’efficienza di conversione del 34%. Il dispositivo, sviluppato da scienziati della Soochow University e del LONGi Central R&D Institute, ha inoltre ottenuto una tensione a circuito aperto certificata di 2,014 volt, tra i valori più elevati mai riportati per questa tipologia di tecnologia.
La ricerca punta a superare uno dei principali ostacoli delle celle tandem: migliorare le prestazioni senza compromettere il trasferimento delle cariche elettriche. Per riuscirci, il gruppo di ricerca ha lavorato direttamente sulla struttura dell’interfaccia tra i diversi materiali, introducendo una soluzione basata su nanoparticelle di zirconia.
La tecnologia dietro la perovskite-silicon tandem solar cell
Le celle solari tandem combinano uno strato superiore di perovskite con una base tradizionale in silicio. L’obiettivo è sfruttare le caratteristiche dei due materiali per catturare una quantità maggiore di luce rispetto alle celle convenzionali.
Il problema, finora, riguardava soprattutto l’integrazione dei due strati. La superficie testurizzata del silicio rende infatti difficile ottenere uno strato di perovskite uniforme. Inoltre, nell’interfaccia nascosta tra i materiali possono verificarsi perdite di carica dovute alla cosiddetta ricombinazione non radiativa.
Gli interventi precedenti sull’interfaccia riuscivano a ridurre queste perdite, ma rischiavano allo stesso tempo di creare una barriera isolante capace di rallentare il flusso elettrico. È proprio su questo compromesso che si è concentrata la nuova ricerca.
Record di efficienza e tensione: i numeri della svolta
La soluzione individuata dal team consiste in una struttura ultrasottile realizzata con nanoparticelle separate di zirconia monoclinica, o ZrO₂, collocate tra l’ossido conduttivo della cella e uno strato molecolare.
Secondo i test, la cella ha raggiunto una efficienza del 34%, mentre le verifiche certificate hanno confermato un’efficienza in condizioni stazionarie del 33,5%. Il dispositivo campione ha inoltre registrato una tensione a circuito aperto di 1,997 V nei test sulle prestazioni, con una densità di corrente di 20,36 mA/cm² e un fattore di riempimento dell’83,62%.
La tensione certificata di 2,014 V rappresenta invece uno dei dati più significativi ottenuti dalla tecnologia.
Impatto sulla ricerca energetica e possibili sviluppi futuri
La particolare disposizione delle nanoparticelle svolge una doppia funzione. Da una parte modifica l’energia superficiale, consentendo alla soluzione di perovskite liquida di distribuirsi in maniera più uniforme e di formare pellicole dense e prive di vuoti, caratterizzate da cristalli di dimensioni maggiori.
Dall’altra, le nanoparticelle creano contatti localizzati su scala nanometrica. La zirconia contribuisce così a ridurre la ricombinazione non radiativa, mentre i percorsi lasciati esposti nello strato molecolare permettono di mantenere un’efficiente estrazione delle lacune.
Sfide tecnologiche e prospettive dell’integrazione perovskite-silicon
Un ulteriore elemento analizzato dai ricercatori riguarda la stabilità della cella nel tempo. I test hanno mostrato che i portatori di carica possono sopravvivere molto più a lungo grazie al trattamento dell’interfaccia: le misurazioni temporali hanno registrato un aumento da 1,46 a 2,81 microsecondi.
Anche la durata operativa ha fornito indicazioni interessanti. Dopo 2.000 ore di esposizione continua alla luce solare simulata a temperatura ambiente, le celle incapsulate hanno conservato l’84% dell’efficienza iniziale. Il dato non elimina le sfide legate allo sviluppo della tecnologia, ma mostra la capacità della nuova struttura di mantenere prestazioni significative nel tempo.
La perovskite-silicon tandem solar cell verso l’energia pulita
Il lavoro condotto dalla Soochow University e dal LONGi Central R&D Institute indica quindi una possibile strada per migliorare contemporaneamente crescita della perovskite, gestione delle cariche ed efficienza energetica.
La ricerca è stata coordinata dai professori Jiang Liu e Xiaohong Zhang e dal dottor Hongbo Mo della Soochow University, insieme al dottor Bo He di LONGi. Huimin Zhang e Qingshui Zheng hanno contribuito in qualità di primi autori.
Secondo quanto riportato nel comunicato relativo allo studio, la progettazione su scala nanometrica dell’interfaccia potrebbe rappresentare una strategia concreta per sviluppare celle tandem perovskite-silicio più efficienti e durevoli, intervenendo contemporaneamente sui problemi legati alla formazione della perovskite e alla ricombinazione delle cariche.
Cosa significa questo risultato per il settore
Il risultato mette in evidenza quanto l’ingegneria delle interfacce sia diventata centrale nello sviluppo delle celle solari tandem. Invece di introdurre semplicemente nuovi materiali, il team ha modificato la disposizione degli elementi su scala nanometrica per affrontare uno specifico limite della tecnologia.
L’efficienza del 34%, la tensione certificata di 2,014 volt e i risultati sulla durata del dispositivo costituiscono i principali dati emersi dalla ricerca. Il passo successivo sarà verificare come questa soluzione possa tradursi in dispositivi sempre più affidabili e applicabili oltre le condizioni controllate del laboratorio.
Fonte: Interesting Engineering
