Perovskiti Ibride per applicazioni Fotovoltaiche

Modulo fotovoltaico con Perovskite realizzato presso il Polo Solare Organico – Regione Lazio (CHOSE) dell’Università di Roma “Tor Vergata”Autore del lavoro candidato: Annamaria Petrozza

SINTESI CONTENENTE UNA BREVE DESCRIZIONE DEL LAVORO SVOLTO E DEI RISULTATI OTTENUTI: Il fotovoltaico di terza generazione include tutte quelle tecnologie che ambiscono ad alta efficienza con bassi costi. Sinora, le tecnologie investigate, tra cui quelle basate su molecole e polimeri coniugati o nanocristalli colloidali processabili da soluzione, hanno presentato proprietà interessanti, quali la possibilità di fare un design ad hoc di alcune proprietà elettroniche del semiconduttore quali il bandgap, la plasticità, la processabilità a basse temperature e una eccellente capacità di assorbire e emettere luce. Purtroppo, però, hanno anche presentato valori limitati (circa 10%) di efficienza, soprattutto legati alle proprietà intrinseche dei semiconduttori stessi, quali bassa mobilità di carica, la presenza di un eccitone ad alta ener gia di legame come fotoeccitazione primaria, corte lunghezze di diffusione degli eccitoni. Questo ha portato sempre alla ricerca di un compromesso tra performances e applicazioni. Nel 2012 la prima dimostrazione di celle solari a base di cristalli ibridi di perovskite, a stato solido, con efficienze intorno all’11% , ha rappresentato un importante breakthrough nel campo del fotovoltaico, la cui solidità è stata dimostrata dalla attuale dimostrazione di dispositivi da laboratorio con efficienze che raggiungono il 20%. Per di più, tali materiali hanno dimostrato promettenti performances anche in dispositivi LED e laser. I semiconduttori ibridi a struttura di perovskite, con stechiometria ABX3 (A= CH3NH+, or MA; B=Pb2+, Sn2; X,Y=I, Br, Cl), sono semiconduttori cristallini, che vengono cresciuti tramite un semplice processo di auto-assemblaggio di sali precursori sciolti in soluzione, a temperature intorno a 120C. Variando la composizione chimica del cristallo è possibile variarne il ban-gap. Dunque, una nuova tecnologia optoelettronica, ba sata su perovskiti ibride, può rappresentare il punto di contatto tra le tradizionali efficienti tecnologie basate su semiconduttori cristallini e quelle emergenti di terza generazione, studiate sinora. Negli ultimi tre anni c’è stato uno sviluppo empirico dei dispositivi fotovoltaici, mentre i principi di funzionamento della cella e i processi fotofisici caratteristici del semiconduttore sono rimasti altamente dibattuti. Questo ha portato al proliferare di dispositivi con diverse architetture (e.g nanostrutturate vs giunzioni planari) senza poter definire l’architettura vincente. Questo ha portato a dei limiti critici per lo sviluppo della tecnologia: 1) importanti fenomeni di isteresi, osservabili durante il test del dispositivo e dovuti alla polarizzazione del film sottile quando un campo elettrico viene applicato (le cui origini sono fortemente dibattute), non premettono un’ accurata valutazione delle figure di merito e l’entrata di questa promettente tecnolog ia nel mercato. Infatti, sebbene i maggiori centri internazionali per la certificazione delle tecnologie solari abbiano riportato quella a base di perovskiti tra le più promettenti, una certificazione secondo i loro parametri standard non è stata accora effettuata. 2) Sebbene il materiale attivo sia processabile a bassa temperatura, i materiali usati per estrarre la carica nel dispositivo fotovoltaico sono prevalentemente ossidi processati ad alta temperatura (circa 500C). Questo è prevalentemente legato alla mancanza di conoscenza dei processi di interfaccia che porta la comunità ad usare architetture appartenenti a tecnologie affini, quali quella delle celle a colorante (conosciute anche come celle di Gratzel). Il gruppo di ricerca diretto dalla Dott.ssa Petrozza, per la prima volta, ha definito la natura della photo-eccitazione primaria (cariche libere) e la sua lunghezza di diffusione > 1µm in celle fotovoltaiche che usano perovskiti ibride come materiale attivo. E’ la prima volta che un materiale processato da soluzione, quindi generalmente soggetto ad una alta densità di difetti, mostri una diffusione di cariche cosi lunga. Ha spiegato la natura delle caratteristiche vincenti di questa classe di materiali correlando le proprietà elettroniche e strutturali del semiconduttore. Ha dimostrato di poter ingegnerizzare la struttura elettronica e la costante dielettrica del materiale, mantenendo la stessa composizione chimica di esso, semplicemente controllando il processo di crescita dei cristalli di perovskite che formano un film sottile policristallino. Questo porta a poter ingegnerizzare il bandgap e la natura della foto-eccitazione primaria (carica verso eccitone) a seconda de ll’applicazione optoelettronica desiderata semplicemente controllando la morfologia locale del film. Infine, ha dimostrato la realizzazione di un dispositivo fotovoltaico a giunzione planare con efficienze di circa 18%. Al contrario dei dispositivi presenti in letteratura, questo dimostra una architettura innovativa che permette di ottenere performances stabili, privi di fenomeni di isteresi, grazie allo studio di fenomeni di estrazione di carica all’interfaccia tra il semiconduttore e gli estrattori di carica e alla conseguente ingegnerizzazione dell’interfaccia e quindi del dispositivo. Inoltre, l’architettura è totalmente fabbricabile a temperature minori di 120C grazie allo sviluppo di un processo innovativo di crescita del film di perovskite che permette di realizzare una struttura multistrato con materiali puramente organici. Questo permette di fabbricare il dispositivo su diversi tipi di substrati.

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