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Stato di sviluppo e tendenze dei nuovi materiali per celle solari
I. Cellule solari di perovskite
Caratteristiche e vantaggi del materiale
I materiali perovskitici hanno un elevato coefficiente di assorbimento, una lunga lunghezza di diffusione del vettore e un basso tasso di ricombinazione non radiativa, e l'efficienza di laboratorio ha superato il 30%17.Il suo processo di preparazione è semplice (metodo di soluzione o deposizione a vapore), il costo è inferiore a quello delle celle di silicio cristallino e il gap di banda (1,2-2,3 eV) può essere regolato dai componenti, il che è adatto per la progettazione di impilazioni multi-giunzione.

Applicazione:Il team dell'Istituto di Tecnologia di Pechino ha risolto il problema della pellicola di perovskite a banda larga e irregolare aggiungendo alchilami di catena lunga e ha preparato un prototipo di cella di impilamento ad alta efficienza.
Sfide e linee di miglioramento
Stabilità: è facilmente influenzato dall'umidità, dalla luce ultravioletta e dalla temperatura,e la durata di vita deve essere migliorata mediante passivazione delle interfacce e tecnologia di imballaggio (come imballaggio in vetro/polimero).
Protezione dell'ambiente: le perovskite a base di piombo sono tossiche e la ricerca si è rivolta alle perovskite senza piombo (come quelle a base di cezio e stagno)16.
Proprietà e applicazioni dei materiali
I materiali organici (come polimeri e piccole molecole) sono leggeri, flessibili e lavorabili in soluzione, rendendoli adatti alla preparazione di dispositivi trasparenti/flessibili.La cella solare organica a elettrodo di grafene sviluppata dal MIT ha sia una elevata conduttività che una trasparenza ottica e può essere montata su finestre e superfici di automobili.

Progresso dell'efficienza: l'efficienza di laboratorio raggiunge il 19%, ma diminuisce significativamente quando viene preparata su larga scala.
Ottimizzazione tecnica
Ingegneria delle interfacce: ottimizzare la corrispondenza tra i materiali donatori e accettori attraverso la progettazione molecolare per migliorare la mobilità dei portatori.
Struttura del dispositivo: le celle solari organiche inverte (accettori ITIC) possono ridurre la perdita di energia6.
3. Cellule solari sensibilizzate ai coloranti (DSSC)
Vantaggi principali
Utilizzando strati sensibilizzati ai coloranti (come complessi di rutenio), semiconduttori di biossido di titanio ed elettroliti di iodio, può funzionare in condizioni di luce debole ed è a basso costo ed ecologico.

Direzione dell'innovazione: i coloranti a punto quantistici (come il solfuro di piombo) possono ampliare la gamma di assorbimento spettrale e aumentare l'efficienza fino al 12%.
Sfide
L'elettrolita è suscettibile di perdite e occorre sviluppare alternative di elettroliti solidi6.

IV. Altri materiali di punta
Cellule solari nanocristalline.
I materiali nanocristallini (come i punti quantistici) hanno un'elevata efficienza quantistica, con un'efficienza teorica superiore al 30%, ma è necessario risolvere il problema dei difetti dell'interfaccia dei grani.

Celle a strati e a più giunzioni

Perovskite/laminato di silicio cristallino: l'efficienza teorica supera il 30%, il silicio cristallino assorbe la luce a onde lunghe e la perovskite cattura la luce a onde corte.

Cella a tripla giunzione: la struttura GaInP/GaAs/Ge ha un'efficienza del 33%, adatta per l'aerospaziale.

Nuovi materiali quantistici.
Il materiale "Stato di banda intermedia" sviluppato dalla Lehigh University raggiunge l'efficienza quantistica esterna del 190% attraverso l'intercalazione del rame, superando il limite teorico di Shockley-Queisser.

V. Tendenze e sfide future
Direzione tecnica

Leggerezza e flessibilità: sviluppare materiali fotovoltaici indossabili e integrati nell'edificio (come vetro e piastrelle fotovoltaiche trasparenti).

Protezione dell'ambiente e basso costo: promuovere perovskiti privi di piombo e materiali organici a base biologica.
Il collo di bottiglia industriale

Produzione su larga scala: necessità di risolvere il problema dell'attenuazione dell'efficienza durante la preparazione su larga scala (come il processo di stampa con perovskite).
Verifica della stabilità: deve superare la prova standard IEC (come invecchiamento a calore/luce)