La strategia del MoS₂ mesoporoso aumenta l'efficienza e la stabilità delle celle solari perovskite

31 ottobre 2024

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

L'efficienza e le prestazioni dei fotovoltaici (PV) sono migliorate significativamente negli ultimi decenni, il che ha portato a un aumento dell'adozione delle tecnologie solari. Per migliorare ulteriormente le prestazioni delle celle solari, i ricercatori di energia di tutto il mondo stanno ideando e testando strategie di progettazione alternative, sfruttando materiali e strutture cellulari diverse.

Una classe di celle solari che ha dato risultati promettenti sono quelle basate sui perovskiti ibridi organici-inorganici, materiali con varie proprietà vantaggiose. Sebbene queste celle abbiano raggiunto efficienze superiori al 25%, sono spesso instabili e sensibili a vari stimoli esterni (ad esempio, luce UV e ossigeno), il che ne ostacola la distribuzione su larga scala.

I ricercatori dell'Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan, dell'Università di Korea e di altri istituti hanno recentemente introdotto una nuova possibile strategia per aumentare l'efficienza e la stabilità delle celle solari a perovskite. Questa strategia, descritta in un articolo pubblicato su Nature Nanotechnology, prevede l'uso di disolfuro di molibdeno strutturato mesoporoso (MoS2) come strato di trasporto degli elettroni (ETL) nelle celle solari a perovskite.

"Gli strati di trasporto degli elettroni (ETL) strutturati mesoporosi nelle celle solari a perovskite (PSC) hanno un contatto superficiale maggiore con lo strato di perovskite, consentendo una separazione ed estrazione efficace delle cariche e dispositivi ad alta efficienza", hanno scritto Donghwan Koo, Yunseong Choi e i loro colleghi nel loro articolo.

"Tuttavia, il materiale ETL più utilizzato nelle PSC, il TiO2, richiede una temperatura di sinterizzazione superiore a 500 °C e subisce una reazione fotocatalitica sotto luce incidente, limitando la stabilità operativa. Gli sforzi recenti si sono concentrati sulla ricerca di materiali ETL alternativi, come lo SnO2."

Basandosi sugli sforzi di ricerca precedenti, Koo, Choi e i loro colleghi si sono impegnati a migliorare le prestazioni delle celle solari a perovskite utilizzando ETL con una struttura mesoporosa. Questo significa essenzialmente che il materiale utilizzato per questi strati ha piccoli pori (di dimensioni comprese tra 2 e 50 nm).

Hanno utilizzato specificamente il MoS2 mesoporoso, un materiale versatile con proprietà optoelettroniche che è stato precedentemente utilizzato per sviluppare batterie, fotodetector, LED e altre tecnologie. I ricercatori hanno scoperto che l'introduzione di un ETL mesoporoso di MoS2 ha prodotto celle solari con efficienza superiore al 25% e buona stabilità.

"L'interstrato MoS2 aumenta l'area di contatto superficiale con lo strato di perovskite adiacente, migliorando la dinamica del trasferimento di carica tra i due strati", hanno scritto Koo, Choi e i loro colleghi.

"Inoltre, l'abbinamento tra il MoS2 e le reticelle di perovskite facilita la crescita preferenziale dei cristalli di perovskite con bassa tensione residua, rispetto al TiO2. Utilizzando il MoS2 strutturato mesoporoso come ETL, otteniamo celle solari a perovskite con efficienze del 25,7% (0,08 cm2, certificato 25,4%) e del 22,4% (1,00 cm2).

Nelle prove iniziali, le celle solari del team hanno ottenuto risultati molto promettenti, paragonabili favorevolmente alle celle solari con un ETL di TiO2. Nello specifico, si è scoperto che le celle solari a perovskite con MoS2 mesoporoso mantenevano la loro stabilità e il 90% della loro efficienza iniziale di conversione energetica (PCE) dopo aver operato sotto illuminazione continua per oltre 2000 ore.

Questi incoraggianti risultati potrebbero orientare gli sforzi futuri volti a migliorare l'efficienza e la stabilità delle celle solari a perovskite organico-inorganico introducendo uno strato di MoS2 strutturato mesoporoso. Questi sforzi potrebbero contribuire a portare le prestazioni delle celle solari a perovskite allo stesso livello dei PV basati sul silicio, favorendone così una distribuzione su larga scala in futuro.

Ulteriori informazioni: Donghwan Koo et al, Struttura mesoporosa di MoS2 come strato di trasporto degli elettroni per celle solari a perovskite efficienti e stabili, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01799-8.

Informazioni sulla rivista: Nature Nanotechnology

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