I ricercatori eliminano una delle principali cause di degrado delle celle solari a perovskite / Researchers Eliminate a Main Cause of Perovskite Solar Cell Degradation
I ricercatori eliminano una delle principali cause di degrado delle celle solari a perovskite / Researchers Eliminate a Main Cause of Perovskite Solar Cell Degradation
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Il consumo globale di elettricità continua ad aumentare ogni anno, mentre la rapida espansione dell'intelligenza artificiale sta creando nuove sfide per il settore energetico. Con la domanda di elettricità destinata a crescere vertiginosamente entro il 2030, questa tendenza viene già descritta come una delle trasformazioni più rapide nella storia dell'energia. Di conseguenza, i ricercatori sono alla ricerca di soluzioni di energia solare più efficienti, più economiche e più facili da implementare.
Una delle tecnologie più promettenti è rappresentata dalle celle solari a perovskite. Sono altamente efficienti nella conversione della luce solare in elettricità, possono essere prodotte in dispositivi sottili e flessibili e richiedono meno energia e costi di produzione inferiori rispetto ai moduli convenzionali al silicio. Tuttavia, la loro adozione commerciale è stata a lungo limitata da una sfida fondamentale: l'insufficiente stabilità a lungo termine se esposte ad umidità, calore ed ossigeno.
Uno studio pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Communications presenta una soluzione sviluppata dai ricercatori dell'Università di Tecnologia di Kaunas (KTU) e dai loro partner internazionali, che affronta questa sfida eliminando una delle principali cause di degrado delle celle solari a perovskite. Il gruppo ha creato un'interfaccia più stabile tra i diversi strati della cella solare, consentendo al dispositivo di funzionare in modo più efficiente e di mantenere le sue prestazioni più a lungo.
Uno strato microscopico determina le prestazioni dell'intero dispositivo
Secondo il dottor Kasparas Rakštys, ricercatore presso la KTU, la debolezza delle celle solari a perovskite spesso non risiede nel materiale fotoricettore in sé, bensì nelle interfacce tra i diversi strati.
“In parole semplici, una cella solare può essere immaginata come un sandwich multistrato in cui ogni strato è costituito da un materiale diverso e svolge una funzione specifica. Affinché il dispositivo funzioni in modo efficiente, questi strati devono essere perfettamente interconnessi”, spiega Rakštys.
Finora, i ricercatori si sono spesso affidati a monostrati autoassemblati (SAM) per il trasporto di carica, sviluppati dal gruppo di ricerca del professor Vytautas Getautis presso la KTU. Agendo come una colla molecolare, questi materiali sono stati introdotti per la prima volta nel 2018 e hanno rappresentato una svolta importante nella tecnologia delle celle solari a perovskite.
“Nel tempo, tuttavia, è emerso un inconveniente significativo. A causa della loro natura acida, queste molecole possono corrodere gradualmente gli strati adiacenti, creando difetti all'interfaccia che ostacolano il trasporto di carica. Di conseguenza, la cella solare diventa meno efficiente e la sua durata operativa si riduce”, afferma Rakštys.
Sebbene questo strato abbia uno spessore di pochi nanometri, svolge un ruolo cruciale nel trasferimento dei portatori di carica positivi (lacune) all'elettrodo. Se si verificano ostacoli lungo questo percorso, le prestazioni complessive del dispositivo diminuiscono, anche se la perovskite stessa continua ad assorbire la luce solare in modo efficiente.
Questo è proprio il punto debole che i ricercatori della KTU si sono proposti di migliorare. La loro soluzione è stata quella di modificare la parte della molecola responsabile del legame con lo strato di contatto di ossido metallico. Questo gruppo, tradizionalmente acido, è stato trasformato chimicamente in un sale ionico.
“In questo studio, abbiamo semplicemente neutralizzato le molecole acide convertendole in sali chimicamente neutri, creando un'interfaccia non aggressiva che consente alla cella solare di funzionare in modo molto più stabile ed efficiente. Questo approccio è chimicamente neutro ed offre diversi vantaggi tecnologici. Le molecole di sale si legano con la stessa forza alle superfici degli ossidi metallici, pur essendo solubili in acqua, il che significa che lo strato può essere depositato senza l'utilizzo di solventi tossici”, spiega Rakštys.
Secondo il ricercatore della KTU, lo studio ha raggiunto con successo due obiettivi solitamente difficili da conciliare: stabilità ed elevata efficienza.
“L'aspetto più sorprendente è senza dubbio la semplicità dell'idea. Considerando che le celle solari a perovskite sono attualmente una delle tecnologie in più rapida crescita, con migliaia di ricercatori che lavorano in questo campo in tutto il mondo, essere riusciti ad implementare un concetto così semplice è stato un vero e proprio momento di illuminazione. La scienza spesso implica una sperimentazione continua e l'apprendimento dagli errori, eppure a volte gli approcci più complessi non portano da nessuna parte, mentre le idee più semplici offrono i risultati migliori”, afferma Rakštys.
La soluzione funziona anche al di fuori del laboratorio.
Una delle maggiori sfide per le tecnologie emergenti delle celle solari è dimostrare che funzionano bene non solo in piccoli campioni di laboratorio, ma anche su superfici più ampie. Come sottolinea Rakštys, è spesso proprio qui che si manifesta la differenza tra un risultato scientifico e una tecnologia commercialmente valida.
"Raggiungere un'elevata efficienza in laboratorio non è sufficiente: è altrettanto importante dimostrare che la stessa soluzione funziona bene in dispositivi di dimensioni maggiori, molto più simili ai moduli solari reali", afferma.
Collaborando con partner in Cina, i ricercatori della KTU hanno dimostrato che il nuovo concetto consente di rivestire moduli di grandi dimensioni con uno strato uniforme e di alta qualità, permettendo così di valutare la tecnologia in condizioni molto più simili all'applicazione pratica.
Secondo Rakštys, la collaborazione internazionale è essenziale in questo campo perché la ricerca sulle celle solari a perovskite unisce competenze in chimica, fisica, scienza dei materiali ed ingegneria dei dispositivi.
Il metodo è stato testato anche su celle solari tandem a perovskite. Questi dispositivi sono considerati una delle direzioni più promettenti per il futuro dell'energia solare, poiché i loro diversi strati assorbono diverse parti dello spettro solare.
"Utilizzando il nostro nuovo approccio, abbiamo raggiunto un'efficienza di conversione energetica superiore al 29% nelle celle solari tandem a perovskite, uno dei valori più alti riportati finora", afferma Rakštys.
Per i consumatori, tali progressi potrebbero tradursi in tecnologie per le energie rinnovabili più economiche, durevoli e versatili. "Aprono la strada all'integrazione delle celle solari in luoghi dove attualmente è difficile, come facciate di edifici, finestre e persino tessuti", aggiunge il ricercatore.
Il gruppo della KTU si sta già muovendo verso la commercializzazione. Continua a sviluppare il concetto di monostrati autoassemblati neutralizzati, studiando al contempo nuove molecole che potrebbero offrire prestazioni ancora migliori.
“Riconoscendo il forte potenziale commerciale di questa invenzione, abbiamo depositato una domanda di brevetto. Inoltre, dopo aver presentato questi risultati ad una conferenza scientifica specializzata sulle tecnologie emergenti per le celle solari, abbiamo suscitato l'interesse di una delle più grandi aziende chimiche al mondo. Abbiamo già avviato il processo di commercializzazione e i nostri sali SAM saranno presto disponibili sul mercato. Il nostro obiettivo è portare questa innovazione sul mercato globale e renderla accessibile ad altri gruppi di ricerca il più rapidamente possibile”, sottolinea il Dott. Rakštys.
Le celle solari suscitano un interesse crescente nell'industria spaziale.
Queste proprietà sono preziose non solo sulla Terra. Secondo Rakštys, la struttura leggera e ultrasottile e l'eccellente resistenza alle radiazioni delle celle solari a perovskite stanno attirando notevole attenzione anche da parte dell'industria spaziale, dove i requisiti di affidabilità sono eccezionalmente stringenti.
«Insieme ai colleghi, abbiamo fondato la società spin-off SantakaPV, che si concentra su un'area applicativa completamente diversa: il settore spaziale. L'interesse per le celle solari per applicazioni spaziali ha ormai raggiunto livelli senza precedenti. Non si tratta più di fantascienza», afferma il ricercatore.
Il mercato delle celle solari spaziali è attualmente dominato da tecnologie estremamente costose. Con la crescente interconnessione tra tecnologie spaziali e di sicurezza, l'espansione dei voli spaziali commerciali privati e la continua riduzione dei costi di lancio, l'energia solare sta assumendo un ruolo sempre più cruciale. La domanda di nuove tecnologie per la generazione di energia, che siano al contempo significativamente più economiche ed in grado di resistere alle estreme radiazioni spaziali, è in rapida crescita.
"Si è scoperto che le celle solari convenzionali al silicio utilizzate sulla Terra possono degradarsi rapidamente a causa delle radiazioni spaziali, mentre le perovskiti mostrano una notevole resistenza alle radiazioni. Il vuoto dello spazio è inoltre un ambiente ideale per le perovskiti perché non contiene né umidità né ossigeno, i due maggiori nemici di questo materiale sulla Terra."
Studi recenti dimostrano che le perovskiti mantengono oltre il 90% della loro efficienza anche dopo dosi di radiazioni che renderebbero inutilizzabili le celle solari al silicio. Inoltre, le celle solari a perovskite sono eccezionalmente sottili e leggere, offrendo un rapporto potenza-peso da 10 a 20 volte migliore rispetto alle costose celle solari multigiunzione utilizzate oggi nei satelliti", conclude il Dott. Rakštys.
ENGLISH
A neutralized molecular layer could help perovskite solar cells last longer without sacrificing efficiency.
Global electricity consumption continues to rise each year, while the rapid expansion of artificial intelligence is creating new challenges for the energy sector. With electricity demand projected to surge by 2030, this trend is already being described as one of the fastest transformations in the history of energy. As a result, researchers are seeking solar energy solutions that are more efficient, more affordable and easier to deploy.
One of the most promising technologies is perovskite solar cells. They are highly efficient at converting sunlight into electricity, can be manufactured as thin and flexible devices, and require less energy and lower production costs than conventional silicon modules. However, their commercial adoption has long been limited by a fundamental challenge – insufficient long-term stability when exposed to moisture, heat and oxygen.
A study published in the prestigious journal Nature Communications presents a solution developed by researchers at Kaunas University of Technology (KTU) and their international partners that addresses this challenge by eliminating one of the main causes of perovskite solar cell degradation. The team has created a more stable interface between the different layers of the solar cell, enabling the device to operate more efficiently and maintain its performance for longer.
A Microscopic Layer Determines the Performance of The Entire Device
According to Dr Kasparas Rakštys, a researcher at KTU, the weakness of perovskite solar cells often lies not in the light-absorbing material itself, but in the interfaces between the different layers.
“Simply put, a solar cell can be imagined as a multi-layered sandwich in which each layer is made of a different material and performs a specific function. For the device to operate efficiently, these layers must be perfectly interconnected,” explains Rakštys.
Until now, researchers have often relied on charge-transporting self-assembled monolayers (SAMs) developed by the research group of Professor Vytautas Getautis at KTU. Acting as molecular glue, these materials were first introduced in 2018 and represented a major breakthrough in perovskite solar cell technology.
“Over time, however, one significant drawback became apparent. Due to their acidic nature, these molecules can gradually corrode adjacent layers, creating defects at the interface that hinder charge transport. As a result, the solar cell becomes less efficient and its operational lifetime is reduced,” says Rakštys.
Although this layer is only a few nanometres thick, it plays a crucial role by transferring positive charge carriers (holes) to the electrode. If obstacles arise along this pathway, the overall performance of the device declines, even if the perovskite itself continues to absorb sunlight efficiently.
This is precisely the weak point the KTU researchers set out to improve. Their solution was to modify the part of the molecule responsible for attaching to the metal oxide contact layer. Traditionally acidic, this group was chemically transformed into an ionic salt.
“In this study, we simply neutralised the acidic molecules by converting them into chemically neutral salts, creating a non-aggressive interface that allows the solar cell to operate much more stably and efficiently. This approach is chemically neutral and offers several technological advantages. The salt molecules bind just as strongly to metal oxide surfaces, while also being water-soluble, meaning the layer can be deposited without using toxic solvents,” explains Rakštys.
According to the KTU researcher, the study successfully achieved two goals that are usually difficult to combine – stability and high efficiency.
“The most surprising aspect is undoubtedly the simplicity of the idea. Considering that perovskite solar cells are currently one of the fastest-growing technologies, with thousands of researchers working in this field worldwide, successfully implementing such a simple concept was a genuine eureka moment. Science often involves constant experimentation and learning from failure, yet sometimes the most complex approaches lead nowhere, while the simplest ideas deliver the best results,” Rakštys says.
The Solution Works Beyond the Laboratory
One of the greatest challenges for emerging solar cell technologies is demonstrating that they perform well not only in small laboratory-scale samples but also over larger areas. As Rakštys points out, this is often where the difference between a scientific achievement and a commercially viable technology becomes evident.
“Achieving high efficiency in the laboratory is not enough – it is equally important to demonstrate that the same solution performs well in larger-area devices that are much closer to real solar modules,” he says.
Working together with partners in China, the KTU researchers demonstrated that the new concept enables large-area modules to be coated with a uniform, high-quality layer, allowing the technology to be evaluated under conditions much closer to practical application.
According to Rakštys, international collaboration is essential in this field because perovskite solar cell research combines expertise in chemistry, physics, materials science and device engineering.
The method was also tested in perovskite tandem solar cells. These devices are regarded as one of the most promising directions for the future of solar energy because their different layers absorb different parts of the solar spectrum.
“Using our new approach, we achieved a power conversion efficiency greater than 29 per cent in perovskite tandem solar cells – one of the highest values reported to date,” says Rakštys.
For consumers, such advances could eventually mean cheaper, more durable and more versatile renewable energy technologies. “They open up opportunities to integrate solar cells into places where this is currently difficult, such as building facades, windows and even textiles,” the researcher adds.
The KTU team is already moving towards commercialisation. They continue to develop the concept of neutralised self-assembled monolayers while investigating new molecules that could deliver even better performance.
“Recognising the strong commercial potential of this invention, we have filed a patent application. Moreover, after presenting these results at a specialised scientific conference of emerging solar cell technolgies, we attracted the interest of one of the world’s largest chemical companies. We have already launched the commercialisation process, and our SAM salts will soon become commercially available. Our goal is to bring this innovation to the global market and make it accessible to other research groups as quickly as possible,” emphasises Dr Rakštys.
Solar Cells Attracting Growing Interest from The Space Industry
These properties are valuable not only on Earth. According to Rakštys, the lightweight, ultra-thin structure and excellent radiation resistance of perovskite solar cells are also attracting considerable attention from the space industry, where reliability requirements are exceptionally demanding.
“Together with colleagues, we founded the spin-out company SantakaPV, which focuses on an entirely different application area – the space sector. Interest in solar cells for space applications has now reached unprecedented levels. This is no longer science fiction,” the researcher says.
The space solar cell market is currently dominated by extremely expensive technologies. As space and security technologies become increasingly interconnected, private commercial spaceflight expands, and launch costs continue to fall, solar power is playing an ever more critical role. Demand is growing rapidly for new energy-generation technologies that are both significantly more affordable and capable of withstanding the harsh radiation conditions of space.
“It turns out that conventional silicon solar cells used on Earth may degrade rapidly under space radiation, whereas perovskites exhibit remarkable radiation resistance. The vacuum of space is also an ideal environment for perovskites because it contains neither moisture nor oxygen – the two greatest enemies of this material on Earth.
Recent studies show that perovskites retain more than 90% of their efficiency even after radiation doses that would render silicon solar cells unusable. In addition, perovskite solar cells are exceptionally thin and lightweight, offering a power-to-weight ratio that is 10 to 20 times better than today’s expensive multi-junction solar cells used in satellites,” concludes Dr Rakštys.
Da:
https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/researchers-eliminate-a-main-cause-of-perovskite-solar-cell-degradation-415542?utm_campaign=NEWSLETTER_TN_Breaking%20Science%20News&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-_ZzEGXdxiktZPkfXYV2r51zsE9vaR8eyTJFDGX0OrCa66Cr0IBlecd_VSnG4dIV7Ea5DXL3ZBBnqG1-mhq9odbOz7fT8-oeRrEDZBqH4pTElnbVfk&_hsmi=433095040&utm_content=433095040&utm_source=hs_email
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