Strato tampone di ossido di antimonio per celle solari a perovskite a giunzione singola e doppia

Nu modi per catturare più luce solare

I pannelli solari si stanno avvicinando ai loro limiti fisici, perciò estrarre anche una piccola quota extra di luce può tradursi in energia pulita più economica. Questo studio mostra come un materiale poco noto, l’ossido di antimonio, possa rendere le celle solari perovskite–silicio all’avanguardia più efficienti e più facili da produrre a dimensioni utili.

Perché le celle tandem attuali sprecano luce

Alcuni dei pannelli solari più performanti impilano una cella a perovskite sopra una cella al silicio, permettendo a ciascuna di assorbire una diversa fetta dello spettro solare. Tra questi strati si trovano film ultrassottili che guidano le cariche elettriche e proteggono materiali delicati durante la lavorazione. Un materiale tampone comunemente usato, una forma di ossido di stagno depositata atomo per atomo, svolge bene questo compito ma reagisce chimicamente con lo strato di perovskite. Per proteggere la perovskite, gli ingegneri sono stati costretti ad aggiungere uno strato più spesso di materiale a base di carbonio chiamato fullerene. Tuttavia quel maggiore spessore assorbe luce blu e viola utile invece di lasciarla raggiungere gli strati attivi, sottraendo silenziosamente corrente ed efficienza al dispositivo.

Uno strato protettivo più gentile che lascia entrare più luce

I ricercatori hanno sostituito lo strato reattivo di ossido di stagno con un film di ossido di antimonio depositato mediante semplice evaporazione termica. Questo processo trasforma delicatamente il materiale in polvere in vapore e lo condensa come un rivestimento uniforme, evitando la chimica aggressiva che danneggia le perovskiti. Poiché l’ossido di antimonio è più compatibile con lo strato sottostante, il film di fullerene sopra la perovskite può essere assottigliato da 15 nanometri a soli 5 nanometri senza compromettere la stabilità. Un fullerene più sottile significa minore assorbimento parassita nell’intervallo di lunghezze d’onda da 300 a 560 nanometri, permettendo a più luce a corta lunghezza d’onda di essere convertita in elettricità dalla cella perovskite superiore.

Autostrade nascoste per le cariche elettriche

Osservando da vicino con microscopi elettronici e sonde elettriche specializzate, il team ha scoperto che il film di ossido di antimonio non è uniformemente vetroso. Piuttosto, combina regioni amorfe con minuscoli cristalli ordinati. Questi nanocristalli si allineano in modo da formare percorsi verticali per gli elettroni, mentre il materiale amorfo circostante resta più isolante. Misure aggiuntive suggeriscono che difetti associati agli atomi di antimonio creano stati energetici che aiutano gli elettroni a superare la barriera energetica tra gli strati. Insieme, queste caratteristiche permettono alle cariche di muoversi rapidamente attraverso il tampone nella direzione desiderata, pur bloccando dispersioni indesiderate lateralmente.

Dalle celle di laboratorio ai pannelli più grandi

Per dimostrare la praticità dell’ossido di antimonio, i ricercatori lo hanno testato sia in celle perovskite singole sia in tandem perovskite–silicio completi. Le celle singole con differenti gap di banda hanno raggiunto tutte elevate efficienze superiori al 22 percento, con il migliore al 23,18 percento, eguagliando dispositivi allo stato dell’arte in ossido di stagno realizzati con metodi simili. Quando integrato in celle tandem di un centimetro quadrato, il nuovo strato tampone ha portato l’efficienza di conversione elettrica al 30,28 percento, principalmente aumentando la corrente della cella perovskite superiore di circa 1 milliampere per centimetro quadrato. Fondamentale è che l’approccio scala bene: un modulo completamente incapsulato con area di apertura di 64,64 centimetri quadrati ha raggiunto il 28,16 percento di efficienza, con un valore certificato indipendentemente del 27,70 percento, mostrando poca degradazione durante prolungati test di esposizione alla luce e calore.

Cosa significa per i pannelli solari del futuro

Per i non specialisti, il messaggio principale è che un cambiamento sottile in uno strato quasi invisibile di una cella solare può tradursi in guadagni significativi nella quantità di luce solare catturata, senza rendere la fabbricazione più complessa o fragile. L’ossido di antimonio offre un modo per proteggere delicatamente gli strati di perovskite lasciando entrare più luce e trasportando le cariche in modo efficiente, sia nelle piccole celle di prova sia nei moduli più grandi. Questa combinazione di maggiore efficienza, buona stabilità e costi di processo inferiori punta verso pannelli solari tandem che potrebbero superare il 35 percento di efficienza e diventare attraenti per un’adozione commerciale su larga scala.

Citazione: Shi, B., Sunli, Z., Liu, P. et al. Antimony oxide buffer layer for single- and double-junction perovskite-based solar cells. Nat Commun 17, 4394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70848-8

Parole chiave: celle solari a perovskite, celle solari tandem, ossido di antimonio, strato tampone, efficienza solare