Utilizzare elementi delle terre rare per superare i limiti delle celle solari
Le celle solari a perovskite presentano vantaggi rispetto all'attuale tecnologia delle celle solari. Hanno il potenziale per essere più efficienti, sono leggere e costano meno di altre varianti. In una cella solare a perovskite, lo strato di perovskite è inserito tra un elettrodo trasparente nella parte anteriore e un elettrodo riflettente nella parte posteriore della cella. Gli strati di trasporto degli elettrodi e di trasporto delle lacune vengono inseriti tra le interfacce del catodo e dell'anodo, facilitando la raccolta della carica sugli elettrodi. Esistono quattro classificazioni delle celle solari perovskite in base alla morfologia, alla struttura e alla sequenza degli strati dello strato di trasporto di carica: strutture planari regolari, planari invertite, mesoporose regolari e mesoporose invertite. Tuttavia, questa tecnologia presenta diversi svantaggi. Luce, umidità e ossigeno possono indurne la degradazione, il loro assorbimento può essere incoerente e presentano anche problemi di ricombinazione di carica non radiativa. Le perovskiti possono essere corrose dagli elettroliti liquidi, con conseguenti problemi di stabilità. Per realizzarne le applicazioni pratiche, è necessario migliorare l'efficienza di conversione di potenza e la stabilità operativa. Tuttavia, i recenti progressi tecnologici hanno portato allo sviluppo di celle solari a perovskite con un'efficienza del 25,5%, il che significa che non sono molto lontane dalle celle solari fotovoltaiche al silicio convenzionali. A tal fine, sono stati esplorati gli elementi delle terre rare per applicazioni nelle celle solari a perovskite. Possiedono proprietà fotofisiche che superano i problemi. Il loro utilizzo nelle celle solari a perovskite ne migliorerà quindi le proprietà, rendendole più adatte all'implementazione su larga scala per soluzioni di energia pulita. Come gli elementi delle terre rare aiutano le celle solari a perovskite Gli elementi delle terre rare possiedono numerose proprietà vantaggiose che possono essere utilizzate per migliorare la funzionalità di questa nuova generazione di celle solari. In primo luogo, i potenziali di ossidazione e riduzione negli ioni delle terre rare sono reversibili, riducendo l'ossidazione e la riduzione proprie del materiale target. Inoltre, la formazione di film sottili può essere regolata aggiungendo questi elementi, accoppiandoli sia con perovskiti che con ossidi metallici di trasporto di carica. Inoltre, la struttura di fase e le proprietà optoelettroniche possono essere regolate incorporandole sostituzionalmente nel reticolo cristallino. La passivazione dei difetti può essere ottenuta con successo incorporandole nel materiale target, sia interstizialmente ai bordi dei grani che sulla superficie del materiale. Inoltre, i fotoni infrarossi e ultravioletti possono essere convertiti in luce visibile sensibile alla perovskite, grazie alla presenza di numerose orbite di transizione energetica negli ioni delle terre rare. I vantaggi sono duplici: evita che le perovskiti vengano danneggiate dalla luce ad alta intensità e ne amplia l'intervallo di risposta spettrale. L'utilizzo di terre rare migliora significativamente la stabilità e l'efficienza delle celle solari a perovskite. Modifica delle morfologie dei film sottili Come accennato in precedenza, le terre rare possono modificare la morfologia dei film sottili costituiti da ossidi metallici. È ampiamente documentato che la morfologia dello strato di trasporto di carica sottostante influenza la morfologia dello strato di perovskite e il suo contatto con lo strato di trasporto di carica. Ad esempio, il drogaggio con ioni di terre rare previene l'aggregazione di nanoparticelle di SnO₂, che può causare difetti strutturali, e mitiga anche la formazione di grandi cristalli di NiO₂x, creando uno strato cristallino uniforme e compatto. Pertanto, con il drogaggio con terre rare è possibile ottenere film sottili di queste sostanze privi di difetti. Inoltre, lo strato di impalcatura nelle celle di perovskite con struttura mesoporosa svolge un ruolo importante nei contatti tra la perovskite e gli strati di trasporto di carica nelle celle solari. Le nanoparticelle in queste strutture possono presentare difetti morfologici e numerosi bordi di grano. Ciò porta a una ricombinazione di carica non radiativa grave e avversa. Anche il riempimento dei pori rappresenta un problema. Il drogaggio con ioni di terre rare regola la crescita dello scaffold e riduce i difetti, creando nanostrutture allineate e uniformi. Migliorando la struttura morfologica degli strati di perovskite e di trasporto di carica, gli ioni di terre rare possono migliorare le prestazioni complessive e la stabilità delle celle solari a perovskite, rendendole più adatte ad applicazioni commerciali su larga scala. L'importanza delle celle solari a perovskite non può essere sottovalutata. Offrono una capacità di generazione di energia superiore a un costo molto inferiore rispetto alle attuali celle solari al silicio disponibili sul mercato. Lo studio ha dimostrato che il drogaggio della perovskite con ioni di terre rare ne migliora le proprietà, con conseguenti miglioramenti in termini di efficienza e stabilità. Ciò significa che le celle solari a perovskite con prestazioni migliorate sono un passo più vicine a diventare realtà.
Data di pubblicazione: 04-07-2022 