Sviluppo di film sottili di ossido conduttore trasparente Zn1−xSnxO e Mg1−xSnxO per applicazioni in celle solari a perovskite

Perché gli elettrodi trasparenti sono importanti per il solare

I pannelli solari moderni fanno più che convertire la luce solare in elettricità; mettono anche in mostra materiali intelligenti che lasciano passare la luce pur conducendo corrente elettrica. Questo studio esplora due rivestimenti trasparenti e conduttivi realizzati con elementi abbondanti, con l’obiettivo di sostituire lo standard industriale costoso e supportare celle solari a perovskite più sicure e prive di piombo.

Nuovi rivestimenti trasparenti realizzati con metalli comuni

I ricercatori si sono concentrati sugli ossidi conduttori trasparenti, lo strato vetroso frontale che ammette luce e raccoglie cariche in molti dispositivi, dagli schermi dei telefoni alle celle solari. Invece dei materiali a base di indio, costosi e scarsi, hanno creato due alternative combinando l’ossido di stagno con zinco o magnesio. Questi nuovi rivestimenti, chiamati ZTO e MTO, sono stati prodotti con una semplice tecnica di spruzzo che può coprire grandi lastre di vetro senza la necessità di attrezzature a vuoto complesse.

Spruzzare, riscaldare e messa a punto dei film

Per realizzare i rivestimenti, il team ha sciolto sali metallici in alcol e spruzzato la nebbia su vetro riscaldato, quindi ha cotto i film ad alta temperatura. Variando con attenzione il rapporto di miscela di zinco o magnesio rispetto allo stagno e successivamente ricristallizzando i film, hanno potuto controllare spessore, struttura cristallina e difetti interni. Misure ai raggi X hanno mostrato che il riscaldamento migliorava l’ordine atomico e riduceva le imperfezioni, mentre la microscopia elettronica ha rivelato grani più regolari e una copertura più liscia dopo il trattamento termico, entrambi fattori che facilitano il movimento delle cariche.

Bilanciare trasparenza e conducibilità

Un buon strato frontale per una cella solare deve essere sia altamente trasparente sia altamente conduttivo, qualità che spesso si contrappongono. I test ottici hanno mostrato che sia i film ZTO sia MTO lasciano passare circa il 76–80 percento della luce visibile, anche dopo essere stati ispessiti a sufficienza per condurre bene la corrente. Allo stesso tempo, le misure elettriche hanno confermato che i film trasportano cariche negative in modo efficiente, con i migliori film a base di magnesio che raggiungono concentrazioni di portatori molto elevate e bassa resistenza elettrica. La fase di riscaldamento ha leggermente ridotto i gap ottici dei film e diminuito gruppi chimici indesiderati, cambiamenti associati a un migliore trasporto di carica senza sacrificare troppa trasparenza.

Inserire i nuovi strati in celle solari reali

Per valutare le prestazioni pratiche di questi rivestimenti, il team ha assemblato semplici celle solari a perovskite usando un assorbitore senza piombo a base di cloruro di stagno e cesio e un contatto posteriore economico in grafite. Questo design è stato scelto non per battere record di efficienza, ma per evidenziare chiaramente come i rivestimenti frontali influenzano le prestazioni. Quando i nuovi strati ZTO e MTO hanno sostituito gli elettrodi trasparenti convenzionali, i dispositivi ottenuti hanno generato potenza misurabile sotto illuminazione standard. Le celle con ZTO hanno raggiunto efficienze di conversione di potenza di circa il 3,5 percento, mentre quelle con MTO hanno ottenuto circa il 6,4 percento, grazie a correnti più elevate e a una tensione leggermente superiore.

Cosa significa per la tecnologia solare futura

Lo studio dimostra che rivestimenti trasparenti e conduttivi a base di stagno e magnesio possono eguagliare la chiarezza ottica dei materiali standard odierni offrendo al contempo buone prestazioni elettriche e impiegando elementi più abbondanti. Tra le due opzioni testate, i film a base di magnesio hanno mostrato migliori prestazioni all’interno di celle perovskite operative, principalmente perché conducevano l’elettricità in modo più efficiente pur lasciando passare molta luce. Sebbene questi dispositivi non siano ancora pronti per i tetti o le centrali, i risultati indicano una via promettente verso moduli solari più economici, senza indio e potenzialmente più sicuri, basati su metodi di spruzzatura scalabili.

Citazione: Kiruthiga, G., Kumar, M.S., Raguram, T. et al. Development of Zn_1−xSn_xO and Mg_1−xSn_xO transparent conducting oxide thin films for perovskite solar cell applications. Sci Rep 16, 15968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42690-x

Parole chiave: ossido conduttore trasparente, celle solari a perovskite, spray pyrolysis, film sottili di ossido di stagno, elettrodi privi di indio