Migliorare le prestazioni e la stabilità delle celle solari a perovskite a base di ioduro di piombo e metilammonio usando precursori monocristallini

Trasformare la luce in energia, dentro e fuori

I pannelli solari sono ormai comuni sui tetti, ma una nuova classe di materiali chiamata perovskiti promette efficienze ancora maggiori e costi di produzione inferiori. Una delle perovskiti più semplici e tra le prime studiate, nota come MAPbI3, ha la fama di degradarsi troppo in fretta, soprattutto sotto luce e calore. Questo studio riconsidera tale supposizione e dimostra che un cambiamento intelligente nel processo di fabbricazione può aumentare notevolmente sia la produzione di energia sia la stabilità a lungo termine, aprendo la strada a un fotovoltaico affidabile non solo all’aperto, ma anche sotto illuminazione interna per piccoli dispositivi elettronici.

Perché questi materiali solari sono importanti

Le celle solari a perovskite sono interessanti perché assorbono la luce solare in modo molto efficiente e possono essere processate da soluzioni liquide a temperature relativamente basse. MAPbI3, in particolare, è facile da preparare e presenta proprietà bilanciate, ma molti rapporti precedenti lo hanno etichettato come troppo fragile per l’uso pratico. Tale conclusione si basava in gran parte su film realizzati con una ricetta tipica che mescola due sali di partenza in un solvente e li fa reagire su una superficie. In questi film convenzionali, quasi sempre rimangono piccoli residui di uno dei sali, l’ioduro di piombo. Questi residui sono stati a lungo considerati o un difetto minore o addirittura una caratteristica utile, fatto che potrebbe avere offuscato il reale potenziale di MAPbI3.

Un nuovo modo di costruire lo strato assorbente della luce

I ricercatori hanno affrontato il problema alla radice: l’“inchiostro” liquido da cui viene depositato lo strato di perovskite. Invece di mescolare ingredienti separati che potrebbero non reagire completamente, hanno prima coltivato grandi cristalli singoli puri di MAPbI3 e poi hanno dissolto questi cristalli per preparare la soluzione di rivestimento. Poiché i cristalli hanno già l’esatto bilancio di componenti, i film risultanti sono sostanzialmente privi di ioduro di piombo residuo e di altri sottoprodotti indesiderati. Quando questi film derivati da monocristalli sono stati impiegati in strutture di celle solari standard, i dispositivi hanno raggiunto un’efficienza di conversione dell’energia del 21,55%, rispetto al 18,61% per celle fatte con soluzioni convenzionali — un guadagno sostanziale ottenuto principalmente grazie a una tensione più alta e a una curva corrente–tensione più favorevole.

Film più puliti, meno difetti nascosti

Misure dettagliate hanno rivelato perché la via dei monocristalli funziona così bene. La microscopia ha mostrato che i film convenzionali contengono molte piccole macchie luminose concentrate ai confini tra i grani; queste corrispondono alla firma degli residui di ioduro di piombo. Al contrario, i nuovi film formano strati densi e lisci con grani uniformi e senza evidenti aggregati di impurità. Test elettrici progettati per contare i difetti interni hanno rilevato che i film migliorati hanno una densità molto più bassa di trappole elettroniche dove le cariche possono bloccarsi e andare perdute. Altre misure hanno mostrato campi elettrici interni più forti e correnti di dispersione indesiderate ridotte. Mesi insieme, queste caratteristiche portano a una separazione e a un trasporto delle cariche generate dalla luce più efficienti.

Stabilità e il ruolo nascosto dei sali residui

La sorpresa più grande è emersa osservando l’invecchiamento dei due tipi di film nel tempo. Le celle non protette realizzate con soluzioni convenzionali hanno rapidamente perso prestazioni, scendendo sotto la metà della loro efficienza iniziale. Quelle costruite con film derivati da monocristalli hanno invece mantenuto il 98% della produzione iniziale anche dopo circa sei settimane in aria a temperatura ambiente. Tracciando i cambiamenti nella struttura cristallina e nella chimica superficiale, il team ha collegato questa differenza a cicli di reazioni chimiche guidate dall’umidità e dalla luce. L’ioduro di piombo residuo può reagire con l’acqua formando nuovi composti e un acido reattivo, che poi attacca la perovskite stessa. Sotto illuminazione, lo stesso residuo può ulteriormente degradarsi in piombo metallico e specie di iodio che agiscono come catalizzatori, accelerando la decomposizione del materiale e scavando vuoti nel film. Quando il film di partenza contiene quasi nessun residuo di questo tipo, questi cicli distruttivi sono in gran parte soppressi.

Dai dispositivi di laboratorio ai mini-moduli pratici

Per dimostrare che il metodo è scalabile oltre le piccole celle di prova, i ricercatori hanno fabbricato mini-moduli da 5 per 5 centimetri, più simili a prodotti reali. Usando l’approccio basato sui monocristalli, questi dispositivi più grandi hanno raggiunto quasi il 20% di efficienza sotto il sole pieno e quasi il 40% sotto l’illuminazione tipica a LED per interni, superando i moduli realizzati con la via convenzionale. Poiché i nuovi film sono sia chimicamente sia strutturalmente più uniformi, si prestano bene a metodi di produzione su larga area mantenendo elevate le prestazioni.

Cosa significa per la tecnologia di tutti i giorni

Partendo da cristalli di perovskite preformati e ultra-puri invece che dagli ingredienti grezzi, questo lavoro mostra che MAPbI3 non è intrinsecamente instabile come si temeva. Gran parte della sua cattiva reputazione deriva dall’ioduro di piombo residuo creato durante i processi standard, che innesca silenziosamente una rete di reazioni guidate dall’umidità e dalla luce che erodono lo strato solare nel tempo. Rimuovendo quel residuo, lo stesso composto semplice può erogare un’efficienza alta e duratura sia in piccole celle sia in moduli più grandi. Ciò rende MAPbI3 un forte candidato per alimentare sensori interni, dispositivi wireless e altre elettroniche che richiedono raccolta energetica affidabile in condizioni di bassa luminosità senza ricette materiali complicate.

Citazione: Kunnathumpeedika, S., Kattoor, V. & Wei, TC. Enhancing performance and stability of methylammonium lead iodide-based perovskite solar cells using single-crystal precursors. Commun Mater 7, 117 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01123-y

Parole chiave: celle solari a perovskite, fotovoltaico per interni, stabilità dei materiali, precursori monocristallini, impurità di ioduro di piombo