Nuove strategie di design per migliorare la stabilità e l'efficienza delle celle solari perovskiti bifacciali.

15 maggio 2023 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Le celle solari basate su perovskiti, minerali o composti di ossido di titanio e calcio con strutture simili, sono tra le soluzioni energetiche emergenti più promettenti. Negli ultimi anni, gli ingegneri e i materiali scienziati hanno esplorato il potenziale dei mini-moduli solari (ossia piccole celle che possono essere utilizzate per creare pannelli solari su più grande scala) fatti di strutture bifacciali di perovskite.

Come suggerisce il loro nome, queste strutture piatte hanno materiali di perovskite su entrambi i lati, la prima che raccoglie la luce solare diretta e il secondo la luce che viene riflessa sulla superficie (ossia la luce di albedo). Sebbene i mini-moduli solari basati su strutture bifacciali di perovskite potrebbero raggiungere maggiori efficienze di conversione di potenza (PCE) rispetto alle celle solari tradizionali a base di perovskite, progettarli in modo efficace si è finora dimostrato una sfida.

I ricercatori dell'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill hanno recentemente introdotto nuove strategie di progettazione che potrebbero aiutare a migliorare l'efficienza e la stabilità delle celle solari bifacciali di perovskite. Utilizzando queste tecniche, descritte su Nature Energy, hanno sviluppato nuovi mini-moduli solari che hanno raggiunto prestazioni notevoli.

"Le celle solari di perovskite stanno crescendo rapidamente ed è in corso una loro commercializzazione su scala globale, ma ci sono ancora molte sfide da superare, tra cui la bassa stabilità e il diminuire dell'efficienza quando si passa dalle piccole celle di laboratorio ai moduli su grande superficie," ha detto Jinsong Huang, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Tech Xplore. "Un'incertezza riguarda se il risparmio sui costi nell'utilizzo di perovskite economiche e processi di deposizione sia sufficiente per competere con l'energia basata sui combustibili fossili."

Con la possibilità di raccogliere sia la luce solare diretta che quella di albedo, le celle solari bifacciali potrebbero migliorare il rendimento energetico delle tecnologie solari. Finora, tuttavia, i ricercatori hanno sviluppato solo poche celle e moduli bifacciali di perovskite e quelli esistenti hanno mostrato efficienze molto inferiori rispetto ai loro omologhi mono-facciali.

"L'obiettivo del nostro recente lavoro era quello di dimostrare il mini-modulo bifacciale di perovskite con un alto rendimento energetico e una lunga durata operativa," ha detto Huang. "Le principali strategie che proponiamo per l'ottimizzazione della progettazione dei moduli bifacciali di perovskite includono una struttura di modulo di nuova concezione ed elettrodo posteriore, l'aggiunta di additivi idrofobici per una maggiore stabilità all'umidità e il miglioramento dell'assorbimento della luce a lunghezze d'onda maggiori con nanoparticelle dielettriche embeddate."

Huang e i suoi colleghi hanno progettato inizialmente una struttura bifacciale in cui le singole sottocelle sono collegate da indio e ossido di stagno e con griglie d'argento separate da un ottimale spazio sull'elettrodo posteriore di ossido di indio e stagno per ridurre le perdite di resistenza (ossia la perdita di energia elettrica che può verificarsi quando scorre una corrente all'interno di fili). Questa progettazione è semplice e scalabile, il che significa che potrebbe consentire la fabbricazione e la commercializzazione su larga scala di mini-moduli bifacciali di perovskite.

"Abbiamo anche scoperto che l'aggiunta di tris(pentafluorofenil)borano (TPFB) come additivo nel layer di trasporto di foro allevia notevolmente il danno dell'umidità alla pellicola di perovskite durante il processo di deposizione di SnO2," ha spiegato Huang.

"Inoltre, l'aggiunta di TPFB ha ridotto la resistività del layer di trasporto di foro e ha migliorato l'allineamento dell'energia. Infine, abbiamo introdotto nanoparticelle (NPs) nella perovskite per disperdere la luce solare incidente, aumentando così il percorso ottico per superare la perdita di assorbimento in particolare nella gamma di lunghezza d'onda lunga nei moduli bifacciali."

Utilizzando il loro progetto proposto, i ricercatori hanno sviluppato piccole celle solari bifacciali di perovskite che hanno raggiunto una densità di generazione di potenza di 26.4 mW cm-2 e mini-moduli bifacciali che hanno raggiunto una densità di generazione di potenza di 23 mW cm-2 quando esposti alla luce solare diretta su un lato e ad un'illuminazione dell'albedo dello 0,2 sull'altro. Questi risultati sono significativamente migliori delle densità di generazione di potenza mostrate sia dalle uniche celle e moduli solari a singolo giunzione a base di perovskite precedentemente sviluppate che dai mini-moduli.

Remarkably, the prototype minimodule developed by the team was also found to achieve a remarkably operational stability, only losing 3% of its initial efficiency after working for more than 6,000 hours. Combined, the design strategies introduced by this team of researchers could thus pave the way towards the large-scale fabrication of highly efficient and stable solar energy solutions based on bifacial perovskite structures.

'While some companies may already be working on commercializing perovskite bifacial solar cells, this work affirms the promising potential of these bifacial structures,' Huang added. 'We would now like to identify new strategies to continually improve the energy yield and stability of bifacial perovskite solar modules.'

More information: Hangyu Gu et al, Design optimization of bifacial perovskite minimodules for improved efficiency and stability, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01254-3

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