Un gruppo di scienziati guidati dall’Università cinese di Lanzhou e dal produttore cinese di moduli solari Longi ha progettato una cella solare di silicio a etero-giunzione non dopata, basata su uno strato di trasporto delle buche prodotta con un carburo di titanio bidimensionale funzionalizzato noto come Ti3C2Tx o MXene.
I composti MXene prendono il loro nome dalla loro morfologia simile a quella del grafene e sono prodotti tramite incisione selettiva di alcuni strati atomici da un cristallo sfuso noto come MAX. Recentemente, i materiali MXene si sono rivelati promettenti per l’uso nella tecnologia fotovoltaica grazie alle loro uniche proprietà optoelettroniche, come la grande mobilità dei portatori di carica, l’eccellente conduttività metallica e l’elevata trasmittanza ottica.
Inoltre, questi componenti hanno una funzione di lavoro (WF) più regolabile rispetto agli ossidi metallici e ai materiali di carbonio comunemente utilizzati per minimizzare l’assorbimento parassitario della luce a breve lunghezza d’onda nelle celle a etero-giunzione. “L’MXene ha una WF più facilmente regolabile grazie all’abbondanza di gruppi terminali in superficie ed è più stabile dei materiali organici legati al PEDOT:PSS”, ha dichiarato a pv magazine l’autore corrispondente della ricerca, Junshuai Li.
I ricercatori hanno definito la cella solare come un dispositivo a “retro-etero-giunzione”, in quanto è stata fabbricata facendo colare a goccia il Ti3C2Tx sul retro di un wafer di silicio monocristallino di tipo n con uno spessore di 200 μm. Hanno poi trattato il composto con cloruro di rame (CuCl2).
“La soluzione etanolica di CuCl2 (10 mg mL 1) di 60 μL è stata ricoperta con uno spin-coating sul film di MXene e poi ricotta a 60 C per 10 minuti”, hanno spiegato gli scienziati. “Grazie all’effetto dipolo superficiale, la struttura elettronica dell’MXene può essere regolata attraverso l’arricchimento delle terminazioni superficiali specifiche, il che comporta lo spostamento del livello di Fermi e la ridistribuzione degli elettroni, portando di conseguenza alla variazione della WF”.
La cella sperimentale è stata costruita con un elettrodo d’argento (Ag), uno strato di trasporto degli elettroni (ETL) in ossido di zinco (ZnO), un assorbitore in silicio, lo strato per il trasporto delle buche (HTL) in Mxene e un altro contatto in Ag. “L’elettrodo di Ag, con un WF di 4,26 eV, è compatibile con lo strato di ZnO per un’efficiente raccolta di elettroni. Inoltre, lo strato di ZnO svolge un ruolo di antiriflesso”, hanno specificato gli scienziati. “A contatto con lo strato di MXene, gli elettroni del silicio fluiscono nell’MXene a causa della differenza dei livelli di Fermi tra i due”.
Testato in condizioni di illuminazione standard, il dispositivo ha mostrato un’efficienza di conversione di potenza del 12,2%, una tensione a circuito aperto di 0,615 V, una densità di corrente di corto circuito di 30,75 mA/cm2 e un fattore di riempimento del 64,57%. “Ci sono ampi margini di miglioramento”, ha dichiarato Li, riferendosi a questi dati. “Migliorare il contatto interfacciale tra n-Si e MXene è una parte critica da esplorare”.
È stato inoltre riscontrato che la cella mantiene circa l’86% della sua efficienza iniziale dopo 105 giorni di esposizione nell’ambiente.
Il nuovo concetto di cella è stato presentato nello studio “Construction of back-heterojunction crystalline silicon solar cells using Fermi-level-adjusted MXene by CuCl2”, pubblicato sul Journal of Power Sources. “Il nostro lavoro rappresenta un valido tentativo di sviluppare nuove celle solari che possano avere un elevato rapporto prestazioni/costo”, ha concluso Li.
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