Hybrid organic-inorganic materials for photovoltaic applications

La generazione di elettricità fotovoltaica (FV) mediante la raccolta di energia solare offre la soluzione più promettente per le energie rinnovabili. L’alto costo capitale dell’attuale tecnologia fotovoltaica rispetto ad alcuni combustibili fossili, tuttavia, costituisce un grosso ostacolo per il dispiegamento su larga scala di impianti solari. La ricerca di materiali economici costituiti da elementi abbondanti nella crosta terrestre per le celle solari è stata oggetto di studi approfonditi in tutto il mondo. L’innovazione più promettente è basata su materiali solari ibridi organici-inorganici a perovskite, come rappresentato da CH3NH3PbI3, che consiste solo di elementi abbondanti presenti sulla terra. Le perovskiti alogenate hanno una struttura cristallina di tipo ABX3 dove A è un catione atomico o molecolare (es. metil-ammonio), B un catione metallico come il piombo o stagno e X è l’anione alogenuro come lo ioduro o il bromuro. Sotto forma di film policristallino, grazie ad alti coefficienti di assorbimento e alte lunghezze di diffusione di cariche, rappresenta un semiconduttore ad alto interesse per le celle fotovoltaiche. In pochi anni, celle solari a base di perovskite hanno raggiunto efficienze di oltre il 23% (i.e. prossime a quelle del convenzionale silicio) ma con un grosso vantaggio rispetto a queste: quello di potere essere depositate in soluzione liquida attraverso tecniche di stampa in film sottile con risparmio di materiale e costo.
Rappresentano quindi un breakthrough nel ambito della generazione di energia dal sole. La ricerca e sviluppo nel ambito dei materiali è estremamente attiva nel trovare delle combinazione di atomi/molecole nuove che riescano a migliorarne la stabilità oltre che rimpiazzare il Pb con altri elementi, e anche nella deposizione su larga area, in modo da portare questa tecnologia alla commercializzazione sia su pannelli di vetro che su film plastici. I laboratori CHOSE di Tor Vergata sono stati i primi al mondo a dimostrare moduli fotovoltaici sia su vetro che su plastica ottenendo anche records di efficienza per questi dispositivi non solo sotto illuminazione solare ma anche sotto luce per interni per applicazione in smart homes/cities. Inoltre lo sviluppo di materiali per il trasporto di cariche tra il semiconduttore e gli elettrodi è un aspetto cruciale per arrivare alle altre performance. UTV è stata pioniere nel inserire materiali funzionali come il grafene e derivate nelle celle a perovskite per aumentarne le performance incluse la stabilità. Infine la comprensione e il controllo della formazione di film e dei grani cristallini e il suo ordine con le varie tecniche di fabbricazione, e come forma interfacce con gli altri strati della cella fotovoltaica sono di fondamentale importanza per la ricerca e sviluppo di questa tecnologia. UTV, sia in house che tramite collaborazioni, ha analizzato queste strutture tramite SEM, TEM, misure elettriche risolte nel tempo, foto-correnti risolte nello spazio, fotoluminescenza, Raman spectroscopy, FTIR, ultra-fast spectroscopy etc. La figura in alto mostra la struttura cristallina base del semiconduttore a perovskite, una microscopia elettronica in sezione della cella a perovskite dove si individuano i vari layer della struttura multistrato (seconda figura) e un modulo fotovoltaico sviluppato nei nostri laboratori (terza figura) attraverso tecniche di stampa (in basso).

I ricercatori di UTOV intendono espandere queste attività di ricerca progettando nuove analisi sperimentali da presentare – attraverso la piattaforma per “apply for beamtime” – sia a ISIS@MACH sia a ISIS, utilizzando le tecniche complementari di neutroni delle linee di fascio TOSCA, MAPS, IMAT, VESUVIO, OSIRIS, IRIS, WISH.