Regolazione della cinetica della reazione idrotermale con solfuro di sodio per celle solari Sb2(S,Se)3 certificate al 10,7% di efficienza

Materiali solari più intelligenti per un futuro più pulito

I pannelli solari stanno diventando più economici e diffusi, ma ogni punto percentuale in più di efficienza conta ancora per ridurre le emissioni di carbonio e abbassare i costi energetici. Questo studio si concentra su un nuovo tipo di materiale solare composto da elementi abbondanti — antimonio, zolfo e selenio — e mostra come una regolazione accurata di un processo di crescita acquoso a bassa temperatura possa estrarre più potenza da celle ultrapiatte. Comprendendo e guidando la chimica all’interno di un reattore sigillato ad acqua calda, i ricercatori spingono questi dispositivi ecocompatibili a un’efficienza certificata del 10,7%, scoprendo al contempo regole di progettazione utili per future tecnologie solari tandem e integrate negli edifici.

Un sottile strato solare promettente e amico della terra

Il materiale solare al centro di questo lavoro, chiamato selenosolfuro di antimonio, è interessante perché assorbe la luce solare in modo estremamente efficace: uno strato spesso solo pochi centinaia di nanometri — molto più sottile di un capello — può catturare la maggior parte della luce incidente. Il suo “bandgap” modulabile può essere adattato variando il rapporto tra zolfo e selenio, rendendolo un buon candidato per essere impilato sopra il silicio in celle solari tandem che superano i limiti di efficienza dei progetti a singolo strato attuali. Non meno importante, può essere realizzato a temperature relativamente basse a partire da soluzioni, usando elementi comuni piuttosto che metalli scarsi o tossici. Questa combinazione di forte assorbimento, adattabilità e producibilità ha fatto di questo materiale uno dei protagonisti per i prossimi film sottili solari.

Quando la chimica rapida crea ostacoli nascosti

Per crescere questi film assorbenti, molti gruppi di ricerca usano un metodo idrotermale: un vetro rivestito con un sottile strato di “seme” viene posto in un recipiente rivestito in Teflon riempito d’acqua e sali disciolti, quindi riscaldato in modo che si formino cristalli sulla superficie. In condizioni standard, la fonte di antimonio e un sale contenente zolfo reagiscono facilmente, mentre il selenio proveniente da una molecola organica aggiunta viene rilasciato all’improvviso in un’esplosione. Il team mostra che questa ondata di selenio rende la parte inferiore del film più ricca di selenio e la parte superiore più ricca di zolfo, creando un gradiente verticale di composizione. Immagini microscopiche rivelano vuoti e una struttura irregolare vicino al fondo, e mappe di emissione luminosa confermano che il paesaggio energetico all’interno del film si inclina in modo sfavorevole, costringendo i portatori di carica a salire una “collina” energetica mentre cercano di raggiungere il contatto esterno.

Usare un sale semplice per domare il processo di crescita

L’innovazione chiave è l’aggiunta di una piccola quantità di solfuro di sodio alla soluzione precursore. Questo solfuro in più eleva e stabilizza delicatamente l’acidità del liquido e modifica il modo in cui si formano e reagiscono nel tempo le specie contenenti zolfo e selenio. Invece di un rilascio improvviso di selenio seguito da esaurimento, il rilascio diventa graduale e costante. Di conseguenza, zolfo e selenio vengono incorporati in modo più uniforme durante la crescita del film, ottenendo una composizione quasi uniforme dall’interfaccia inferiore fino alla superficie superiore. La microscopia elettronica e le mappe elementari mostrano che i vuoti strutturali scompaiono in gran parte e che il rapporto zolfo/selenio si appiattisce con la profondità. Allo stesso tempo, il solfuro aggiunto aiuta a convertire prodotti secondari indesiderati ricchi di ossigeno nel calcogenuro desiderato, pulendo il film mentre si forma.

Percorsi più puliti per le cariche e meno trappole energetiche

Questi miglioramenti strutturali e compositivi rimodellano direttamente il modo in cui il materiale gestisce le cariche generate dalla luce solare. Misure dettagliate di emissione luminosa attraverso una sezione trasversale del film mostrano che, senza l’additivo, i livelli energetici si piegano in modo da bloccare il flusso dei portatori carichi positivamente (lacune) verso il contatto esterno. Con il solfuro di sodio, le bande energetiche diventano piatte, rimuovendo questa barriera in modo che le lacune possano muoversi più liberamente. Esperimenti separati di spettroscopia dei difetti rivelano che la densità di stati di “trappola” profondi — collegati ad atomi di zolfo mancanti e ad atomi di antimonio fuori posto — è ridotta di circa due ordini di grandezza. Meno trappole significano meno eventi di ricombinazione non radiativa in cui le cariche scompaiono in calore, e una maggiore concentrazione efficace di portatori che abbassa la resistenza interna. Insieme, questi cambiamenti aumentano sia la corrente sia il fattore di riempimento dei dispositivi, nonostante uno strato assorbente leggermente più sottile causi una piccola diminuzione di tensione.

Da lievi aggiustamenti chimici a celle solari migliori

Analizzando con attenzione le vie di reazione nella crescita idrotermale del selenosolfuro di antimonio e poi rallentandole e livellandole deliberatamente con il solfuro di sodio, i ricercatori mostrano che modesti aggiustamenti chimici possono avere effetti sproporzionati sulle prestazioni solari. I film migliorati forniscono un’efficienza di conversione della potenza dell’11,02%, con un valore certificato in modo indipendente del 10,7%, fissando un nuovo riferimento per questa classe di dispositivi. Più in generale, il lavoro dimostra come il controllo della chimica della soluzione — invece del solo stratificare il dispositivo — possa eliminare gradienti e difetti nascosti che limitano l’efficienza. Queste intuizioni forniscono una road map per perfezionare materiali solari processati in soluzione a bassa temperatura, avvicinandoci a tecnologie solari sottili e tandem ad alte prestazioni e a basso costo.

Citazione: Qian, C., Sun, K., Huang, J. et al. Regulation of hydrothermal reaction kinetics with sodium sulfide for certified 10.7% efficiency Sb₂(S,Se)₃ solar cells. Nat Energy 11, 415–424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01952-0

Parole chiave: celle solari a selenosolfuro di antimonio, sottili film idrotermali, additivo solfuro di sodio, riduzione dei difetti nel fotovoltaico, tecnologia solare tandem