Nuove Frontiere nel Fotovoltaico Organico: superato il problema della scarsa efficienza?

Le celle solari organiche invertite stanno emergendo come una soluzione promettente per la produzione di energia solare grazie alla loro compatibilità con processi di produzione a basso costo e alla loro flessibilità applicativa.

Tuttavia, l’efficienza di conversione di potenza (PCE) di queste celle è stata storicamente inferiore rispetto alle architetture convenzionali. Un recente studio pubblicato su Nature Photonics propone una strategia innovativa per superare questo limite attraverso l’uso di uno strato passivante inorganico di SiOxNy, ottenuto in situ, che consente di migliorare sia l’efficienza che la stabilità delle celle solari organiche non-fullereniche invertite.

Il Ruolo della Passivazione SiOxNy

Lo strato passivante di SiOxNy è ottenuto attraverso la polimerizzazione di un film sottile di peridropolisilazane (PHPS) in atmosfera ambiente, depositato sulla comune interfaccia ZnO utilizzata come strato di trasporto degli elettroni. Questo approccio mira a risolvere un problema chiave delle celle solari organiche invertite: la presenza di vacanze di ossigeno e legami pendenti nel ZnO, che generano una regione drogata nella zona fotoattiva, aumentando il tasso di ricombinazione delle lacune fotogenerate e riducendo il fotocorrente.

Benefici della Tecnologia

L’introduzione del SiOxNy consente di mitigare questi effetti deleteri attraverso due meccanismi principali:

1. Passivazione dei difetti superficiali dello ZnO: La formazione di legami Zn–O–Si riduce significativamente la densità di stati di trappola superficiali, eliminando la regione drogata e limitando le perdite di fotocorrente.
2. Miglioramento dell’estrazione di carica: Il SiOxNy induce un accumulo preferenziale degli accettori non-fullerenici vicino al contatto elettronico, ottimizzando il trasporto e la raccolta delle cariche.

L’effetto combinato di questi due fattori ha permesso di ottenere celle solari con un’efficienza certificata di conversione di potenza del 18,49% su un’area attiva di 5,77 mm² e del 18,06% su un’area di 100,17 mm², utilizzando la coppia donatore-accettore PM6:L8-BO.

Implicazioni per la Stabilità e la Durata Operativa

Oltre al miglioramento delle prestazioni elettriche, lo strato passivante SiOxNy contribuisce in modo significativo alla stabilità operativa delle celle solari. I dispositivi con questo strato mostrano un tempo di decadimento dell’80% della PCE (T80) di 24.700 ore sotto illuminazione continua con luce bianca, corrispondente a una durata operativa superiore ai 16 anni. Questo risultato rappresenta un importante passo avanti verso l’industrializzazione delle celle solari organiche invertite, colmando il divario di stabilità rispetto alle tecnologie fotovoltaiche tradizionali.

Lo studio dimostra il potenziale dello strato passivante SiOxNy nel migliorare sia le prestazioni che la stabilità delle celle solari organiche invertite. Questa innovazione potrebbe accelerare l’adozione commerciale di questa tecnologia, rendendola competitiva con le attuali soluzioni fotovoltaiche basate su materiali inorganici. Con un’efficienza vicina al 18,5% e una durata operativa che supera i 16 anni, l’approccio proposto rappresenta un significativo progresso nella ricerca sulle celle solari organiche ad alte prestazioni e lunga durata.