Una caratteristica delle perovskiti è una specifica struttura cristallina. Sono possibili numerose combinazioni di materiali di diversi atomi e molecole, alcune delle quali presentano proprietà ferroelettriche, superconduttive o fotovoltaiche. Sebbene sia conosciuta fin dall'inizio del 19° secolo, la classe dei materiali è stata scoperta solo di recente per il fotovoltaico.
Sono stati necessari solo 10 anni di ricerca per aumentare l'efficienza al livello delle celle solari al silicio convenzionali a un ritmo senza precedenti. Rispetto ai cristalli di silicio, le perovskiti hanno diversi vantaggi decisivi: possono essere prodotte in modo semplice, economico e a risparmio energetico. Gli strati di celle di perovskite, che hanno uno spessore di poche centinaia di nanometri, possono anche essere ben applicati alle celle di silicio convenzionali. Mentre la tecnologia a base di silicio è già considerata matura, tali "celle solari tandem" offrono nuove opportunità per migliorare ulteriormente l'efficienza delle celle solari.
"Il tallone d'Achille delle celle solari in perovskite è la loro bassa durata", ha spiegato il Prof. Christoph Brabec dell'Istituto Helmholtz Erlangen-Norimberga (HI ERN) presso il Forschungszentrum Jülich. "I classici moduli in silicio sono abbastanza resistenti. Anche dopo più di 20 anni di utilizzo pratico, perdono poco delle loro prestazioni". Le celle solari in perovskite, d'altra parte, di solito perdono efficienza dopo pochi giorni o settimane. Le prime cellule potrebbero letteralmente essere osservate mentre invecchiano, con l'efficienza che scende in pochi secondi o minuti dall'accensione delle luci in laboratorio.
"La cella solare che abbiamo ora presentato in Nature Energy, d'altra parte, colpisce per la sua eccezionale stabilità. I valori sono certamente tra i migliori mai misurati per una cella solare planare di perovskite in un test a lungo termine", ha dichiarato Brabec. La cella illuminata ha sopportato 1450 ore a temperature elevate, intorno ai 65 gradi Celsius, in laboratorio ed è rimasta in gran parte stabile per tutto il periodo di prova. Alla fine, aveva ancora il 99% della sua efficienza iniziale. "La previsione a lungo termine è sempre difficile. Ma la cella solare in perovskite che abbiamo ora sviluppato potrebbe certamente essere utilizzata per più di 20.000 ore in circostanze normali", stima il Prof. Brabec.
Il risultato non è un caso. Nella loro ricerca del materiale giusto, i ricercatori hanno testato sistematicamente centinaia di diverse miscele di perovskite per la loro idoneità, utilizzando metodi ad alta produttività. I ricercatori hanno quindi utilizzato i migliori per costruire la loro cella. "Anche se ci si affida solo a componenti collaudati, si ottiene un numero enorme di possibili composizioni che possiamo produrre e testare automaticamente utilizzando i nostri metodi.
Un altro importante passo di ottimizzazione riguarda i contatti stabili della perovskite all'interno della cella, che è costruita in diversi strati sottili. I droganti ionici o le nanoparticelle di ossido di metallo comunemente usati per contattare la cellula tendono a subire reazioni secondarie a temperature più elevate. Queste reazioni possono anche portare alla corrosione degli elettrodi metallici, come i ricercatori di HI ERN sono stati in grado di dimostrare attraverso misurazioni e microscopia elettronica a scansione. Il contatto e la conduttività elettrica si deteriorano così precocemente.
Zhao ha spiegato che "per migliorare la stabilità nel punto di contatto", hanno "impacchettato l'intero elettrodo in una sorta di guscio protettivo". Una nuova struttura polimerica a doppio strato, con il lato inferiore non drogato e il lato superiore drogato con un drogante non ionico, protegge dalla degradazione e garantisce il mantenimento del contatto. Da un lato, questa architettura protegge l'interfaccia molto sensibile alla perovskite e, dall'altro, mostra una conduttività eccezionalmente stabile, anche a temperature elevate.
In futuro, i ricercatori HI ERN punteranno a ulteriori miglioramenti dell'efficienza. "Con un'efficienza del 20,9%, la cella testata non sfrutta ancora appieno il potenziale. Il 24-25% dovrebbe essere possibile nel prossimo futuro", ha spiegato Yicheng Zhao.