Sopprimere gli addotti del solvente tramite competizione di coordinazione consente fotovoltaici perovskitici scalabili

Perché film solari migliori sono importanti

Le celle solari a perovskite sono tra le candidate più promettenti per offrire energia solare più economica e più efficiente rispetto ai pannelli al silicio odierni. Tuttavia, sebbene i ricercatori possano realizzare dispositivi minuscoli con prestazioni da record in laboratorio, trasformare gli stessi materiali in moduli solari su scala industriale si è rivelato molto più difficile. Questo studio affronta un collo di bottiglia nascosto nella scalabilità dei film perovskitici e propone una soluzione chimica che spinge moduli di grandi dimensioni rivestiti a lama verso efficienze adatte all’impiego reale.

Da gocce in rotazione a lame di fabbrica

La maggior parte delle celle perovskitiche ad alte prestazioni sono prodotte mediante spin coating — distribuendo una soluzione liquida su un piccolo wafer facendolo ruotare ad alta velocità. Questo metodo forza il solvente ad allontanarsi rapidamente; successivamente si aggiunge un «antisolvente» per innescare una crescita cristallina netta e ben controllata. I metodi industriali, invece, devono rivestire grandi lastre di vetro con strumenti semplici come lame mobili, contando sull’evaporazione lenta del solvente anziché sulla rapida espulsione per centrifuga. Gli autori mostrano che questa differenza nel comportamento del fluido porta a una crescita cristallina molto diversa e che ricette ottimizzate per lo spin coating non si trasferiscono automaticamente al rivestimento a lama scalabile.

Un orologio nascosto nella vernice umida

Il team identifica una variabile chiave ma finora trascurata: il tempo durante il quale le molecole del solvente rimangono strettamente legate agli ingredienti della perovskite nel film umido, che chiamano tempo di interazione solvente‑precursore. Nei film rivestiti a lama, l’asciugatura più lenta mantiene il solvente fortemente legato più a lungo, formando fasi di «addotti del solvente» resistenti e intrappolando residui all’interno del film. Misure ai raggi X e analisi chimiche rivelano che questi intermedi ricchi di solvente sono molto più pronunciati negli strati rivestiti a lama rispetto a quelli spin‑coated, con il risultato di un ordine cristallino peggiore e più difetti elettronici — entrambi fattori negativi per le prestazioni della cella solare.

Lasciale vincere le molecole giuste

Invece di forzare l’espulsione del solvente con processi più aggressivi, i ricercatori progettano una competizione molecolare sottile. Introducono una piccola molecola additiva con due gruppi idrossilici (OH), soprannominata 2OH, nell’«inchiostro» perovskitico. Questa molecola è studiata per legarsi più fortemente agli ioni piombo rispetto al comune solvente di processo N‑metil‑2‑pirrolidone (NMP). Una batteria di tecniche — tra cui spettroscopia infrarossa, assorbimento ai raggi X e diffrazione — mostra che 2OH compensa con successo il solvente nei siti del piombo, indebolisce la presa solvente‑piombo e sposta l’equilibrio verso solvente libero che può evaporare più facilmente. Allo stesso tempo, 2OH aiuta a organizzare le componenti organiche della perovskite, guidandole verso la fase cristallina desiderata.

Film più puliti, dispositivi più grandi

Per verificare come questa competizione di coordinazione si traduca in dispositivi reali, gli autori variano gli additivi con zero, uno o due gruppi OH. All’aumentare del numero di gruppi OH, il solvente residuo nel film diminuisce, i legami piombo‑solvente si indeboliscono e i cristalli di perovskite risultano più ordinati e con meno difetti. Le celle solari realizzate con l’additivo 2OH raggiungono un’efficienza di conversione di potenza del 26,5% su piccole celle di prova, con guadagni evidenti in tensione e fattore di riempimento. Crucialmente, la stessa strategia è scalabile: i mini‑moduli rivestiti a lama di 20,8 centimetri quadrati raggiungono il 22,9% di efficienza, e un sottomodulo pre‑pilota di 728,0 centimetri quadrati è certificato al 22,58%, collocando le perovskiti rivestite a lama in una classe di prestazioni precedentemente riservata a metodi di laboratorio più delicati.

Più potenza, vita più lunga

Cristalli migliori non aumentano solo l’efficienza ma anche la stabilità. I dispositivi realizzati con 2OH mantengono il 92% delle prestazioni iniziali dopo quasi 1.000 ore di illuminazione continua, rispetto all’80% dei dispositivi di controllo. Immagini elettriche mostrano inoltre che i moduli ad ampia area con l’additivo presentano emissione luminosa più uniforme e meno «hot spot», segnali di minore corto circuito parziale e meno difetti. Misure di flusso di carica e ricombinazione confermano che i film perdono meno energia attraverso canali indesiderati, aiutando a spiegare la tensione e la durabilità migliorate.

Una via pratica alle perovskiti scalabili

Per i non specialisti, la conclusione è che gli autori hanno trovato una semplice «manopola» chimica che permette ai produttori di regolare per quanto tempo il solvente si aggrappa ai cristalli di perovskite in formazione durante il rivestimento in grandi aree. Introducendo una molecola che spinge la chimica lontano da complessi solvente‑appiccicosi e verso cristalli puliti e ben ordinati, ottengono alta efficienza e stabilità utilizzando il rivestimento a lama compatibile con l’industria. Questo approccio offre un percorso realistico verso pannelli solari perovskitici prodotti in massa che siano allo stesso tempo potenti e producibili su scala.

Citazione: Jin, L., Zhang, S., Zhou, J. et al. Suppressing solvent adducts via coordination competition enables scalable perovskite photovoltaics. Nat Commun 17, 1737 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68439-8

Parole chiave: celle solari perovskite, rivestimento a lama, fotovoltaico a film sottile, controllo della crescita cristallina, scalabilità dei moduli solari