Levigatura e ricostruzione senza contatto con laser verso celle solari tandem all-perovskite ad alta efficienza

Far funzionare meglio i pannelli solari

I pannelli solari stanno diventando più economici e diffusi, ma i progetti standard di oggi dissipano gran parte dell’energia solare sotto forma di calore. Uno dei modi più promettenti per ottenere più elettricità dalla luce solare è impilare due celle solari una sull’altra, ognuna tarata su una diversa porzione dello spettro solare. Questo studio mostra come una nuova tecnica di “levigatura senza contatto” con luce laser possa risolvere una debolezza chiave in queste celle tandem all-perovskite e spingere la loro efficienza vicino al 30%, un livello interessante per applicazioni future su tetti, a livello di rete e persino portatili.

Perché le celle perovskite impilate faticano

Le perovskiti sono materiali a struttura cristallina che assorbono la luce in modo molto efficiente e sono facili da fabbricare da soluzioni liquide. Per superare i limiti di efficienza delle singole celle, i ricercatori impilano una perovskite a bandgap ampio sopra una a bandgap stretto, formando un tandem interamente perovskite. La cella inferiore a bandgap stretto deve raccogliere la luce rossa e vicino‑infrarossa che passa attraverso la cella superiore, e le sue prestazioni determinano in larga misura il tetto del tandem. Sfortunatamente, i film a base di piombo‑stagno con bandgap stretto si formano spesso con superfici ruvide e ricche di difetti. Lo stagno tende ad accumularsi e ossidarsi vicino alla superficie, lo iodio risulta carente e la superficie irregolare fa un cattivo contatto con lo strato estrattore di elettroni. Insieme, questi problemi fanno ricombinare i portatori di carica prima che possano essere raccolti, sprecando tensione e corrente.

Levigare con la luce invece che con la carta abrasiva

I metodi convenzionali per ripulire le superfici perovskite si basano su solventi o contatto fisico, entrambi in grado di danneggiare i film delicati e difficili da controllare su ampie aree. In questo lavoro, gli autori hanno sviluppato un metodo di levigatura con laser ultravioletto a picosecondi che non tocca mai il film. Pulsazioni laser ultra‑brevi rimuovono solo le decine di nanometri superficiali difettosi, appianando la superficie e minimizzando il riscaldamento del cristallo sottostante. La microscopia mostra che la rugosità media diminuisce di circa un fattore tre, e le analisi chimiche rivelano che lo stagno in eccesso e la carenza di iodio in superficie vengono in gran parte rimossi. La profondità di levigatura può essere regolata con la potenza del laser e la velocità di scansione, e il gruppo dimostra una precisione sub‑nanometrica e un’eccellente ripetibilità su molti lotti.

Ricostruire uno strato superficiale più sano

La levigatura laser non si limita a rimuovere le asperità: lascia una superficie perovskite con molti “siti A” vuoti nella struttura cristallina — posizioni dove normalmente si trovano grandi ioni organici o cesio. I ricercatori trattano questa superficie appena esposta con una soluzione contenente bromuro di guanidinio, i cui grandi ioni di guanidinio possono formare forti legami a idrogeno e tendono a rallentare il moto ionico. Questi ioni riempiono selettivamente i siti vuoti vicino alla superficie, ricostruendola in uno strato perovskite guanidinio‑cesio più ordinato e meno soggetto a tensioni. Raggi X e microscopia elettronica mostrano che le distorsioni nella rete cristallina scompaiono e che i primi pochi nanometri superiori si espandono leggermente, coerente con le dimensioni maggiori del guanidinio. Test ottici rilevano una fotoluminescenza più intensa e tempi di vita dei portatori più lunghi, segno di meno difetti e di una qualità del film più uniforme su vaste aree.

Trasformare superfici più pulite in maggiore efficienza

Quando il team costruisce dispositivi completi, i benefici si sommano. Le singole celle a bandgap stretto realizzate con superfici levigate e ricostruite mostrano tensione, corrente e fattore di riempimento più elevati rispetto ai controlli non trattati, oltre a evidenziare molta meno isteresi — indicatore che ioni mobili e interfacce instabili sono stati domati. La migliore cella piombo‑stagno raggiunge un’efficienza di conversione della potenza del 24,07%, con una certificazione indipendente al 23,47%, usando un processo scalabile che non si affida al quenching con antisolvente. Impilando questa cella inferiore migliorata sotto una perovskite superiore a bandgap ampio si ottiene un tandem interamente perovskite con efficienza del 29,80% e forte concordanza tra corrente misurata e risposta spettralmente risolta. Dispositivi più grandi e mini‑moduli fabbricati con lo stesso approccio mantengono alte efficienze, e i tandem incapsulati conservano circa l’80% della prestazione iniziale dopo circa 650 ore di funzionamento continuo.

Cosa significa per il futuro dell’energia solare

Usando un laser non a contatto per rimuovere con precisione il materiale difettoso e poi ricostruendo i pochi nanometri superiori con una composizione perovskite più robusta, questo lavoro affronta uno dei principali colli di bottiglia nei tandem perovskite avanzati: un’interfaccia ruvida e instabile che fa perdere carica. Il risultato sono film più lisci, estrazione di carica più pulita, migrazione ionica ridotta e efficienze record per tandem all‑perovskite senza antisolvente. Poiché il metodo è regolabile, rapido e compatibile con diversi bandgap e strutture di dispositivo, offre uno strumento ampiamente utile per spingere la tecnologia solare perovskite più vicino ai suoi limiti teorici e verso la messa in opera nel mondo reale.

Citazione: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

Parole chiave: celle solari tandem perovskite, levigatura superficiale laser, ingegneria delle interfacce, fotovoltaico ad alta efficienza, tecnologia di celle sottili