Le celle solari in perovskite hanno fatto progressi negli ultimi anni con rapidi aumenti dell’efficienza di conversione dell’energia (dal 3% nel 2006 al 25.5% di oggi), rendendole più competitive con le celle fotovoltaiche a base di silicio. Tuttavia, rimangono ancora alcune sfide da affrontare prima che possano diventare uno spot competitivo la tecnologia.
Ora un team della NYU Tandon School of Engineering ha sviluppato un processo per risolverne uno, un collo di bottiglia in una fase critica che coinvolge il drogaggio di tipo p di materiali organici che trasportano buchi all'interno delle celle fotovoltaiche. La ricerca “CO2 drogaggio di intercalari organici per celle solari a perovskite”, appare in Natura.
Attualmente, il processo di drogaggio p, ottenuto mediante l'ingresso e la diffusione di ossigeno nello strato di trasporto del foro, richiede molto tempo (da diverse ore a un giorno), rendendo impraticabile la produzione di massa commerciale di celle solari a perovskite.
Il team di Tandon, guidato da André D. Taylor, professore associato, e Jaemin Kong, associato post-dottorato, insieme a Miguel Modestino, professore assistente, tutti del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare, ha scoperto un metodo per aumentare notevolmente il velocità di questo passaggio chiave attraverso l'utilizzo di anidride carbonica (CO2) al posto dell'ossigeno.
Nelle celle solari di perovskite, i semiconduttori organici drogati sono normalmente richiesti come interstrati di estrazione di carica situati tra lo strato di perovskite fotoattiva e gli elettrodi. I mezzi convenzionali di drogaggio di questi intercalari comportano l'aggiunta di litio bis(trifluorometano)sulfonimide (LiTFSI), un sale di litio, a spiro-OMeTAD, un -coniugato organico Semiconduttore ampiamente utilizzato per un materiale che trasporta fori nelle celle solari perovskite. Il processo di drogaggio viene quindi avviato esponendo i film di miscela spiro-OMeTAD:LiTFSI all'aria e alla luce.
Questo metodo non solo richiede molto tempo, ma dipende in gran parte dalle condizioni ambientali. Al contrario, Taylor e il suo team hanno riportato un metodo di doping veloce e riproducibile che prevede il gorgogliamento di una soluzione spiro-OMeTAD:LiTFSI con CO2 sotto luce ultravioletta. Hanno scoperto che il loro processo migliorava rapidamente la conduttività elettrica dell'intercalare di 100 volte rispetto a quella di una pellicola di miscela incontaminata, che è anche circa 10 volte superiore a quella ottenuta da un processo di gorgogliamento di ossigeno. il CO2 il film trattato ha anche prodotto celle solari in perovskite stabili e ad alta efficienza senza post-trattamenti.
"Oltre ad accorciare la fabbricazione del dispositivo e il tempo di elaborazione, l'applicazione dello spiro-OMeTAD pre-drogato nelle celle solari perovskite rende le celle molto più stabili", ha spiegato Kong, l'autore principale. “Questo è in parte dovuto al fatto che la maggior parte degli ioni di litio dannosi nella soluzione spiro-OMeTAD:LiTFSI sono stati stabilizzati come carbonati di litio durante la CO2 processo di gorgogliamento”.
Ha aggiunto che i carbonati di litio finiscono per essere filtrati quando gli investigatori lanciano la soluzione pre-drogata sullo strato di perovskite. "Così, possiamo ottenere materiali organici drogati abbastanza puri per strati efficienti di trasporto di lacune".
Il team, che comprendeva ricercatori di Samsung, Yale University, Korea Research Institute of Chemical Technology, The Graduate Center of the City University, Wonkwang University e Gwangju Institute of Science and Technology, ha anche scoperto che il CO2 Il metodo di drogaggio può essere utilizzato per il drogaggio di tipo p di altri polimeri -coniugati, come PTAA, MEH-PPV, P3HT e PBDB-T. Secondo Taylor i ricercatori stanno cercando di spingere il confine oltre i tipici semiconduttori organici utilizzati per le celle solari.
“Crediamo che l'ampia applicabilità della CO2 il drogaggio a varie molecole organiche -coniugate stimola la ricerca che va dalle celle solari organiche ai diodi organici a emissione di luce (OLED) e ai transistor organici ad effetto di campo (OFET), fino ai dispositivi termoelettrici che richiedono tutti il drogaggio controllato di semiconduttori organici ", ha spiegato Taylor , aggiungendo che poiché questo processo consuma una quantità piuttosto grande di CO2 gas, si può considerare anche per CO2 studi di cattura e sequestro in futuro.
“In un momento in cui i governi e le aziende stanno ora cercando di ridurre le emissioni di CO2 emissioni se non per decarbonizzare, questa ricerca offre una strada per reagire a grandi quantità di CO2 nel carbonato di litio per migliorare le celle solari di prossima generazione, rimuovendo questo gas serra dall'atmosfera", ha spiegato, aggiungendo che l'idea per questo nuovo approccio era un'intuizione controintuitiva della ricerca sulle batterie del team.
“Dalla nostra lunga storia di lavoro con batterie al litio-ossigeno/aria, sappiamo che la formazione di carbonato di litio dall'esposizione degli elettrodi di ossigeno all'aria è una grande sfida perché esaurisce la batteria di ioni di litio, che distrugge la capacità della batteria. In questa reazione di spiro-doping, però, stiamo proprio sfruttando la formazione di carbonato di litio, che lega il litio e impedisce che diventi ioni mobili dannosi per la stabilità a lungo termine del perovskite celle a energia solare. Speriamo che questo CO2 la tecnica del doping potrebbe essere un trampolino di lancio per superare le sfide esistenti nell'elettronica organica e oltre”.