Tutto solfolano verde

May 20, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9335 (2023) Citare questo articolo

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La commercializzazione industriale delle celle solari alla perovskite non dipende solo dalle prestazioni sufficienti del dispositivo, ma richiede anche la completa eliminazione dei solventi pericolosi nel processo di fabbricazione per consentire lo sviluppo sostenibile della tecnologia. Questo lavoro riporta un nuovo sistema di solventi basato su solfolano, \(\gamma\)-butirrolattone (GBL) e acido acetico (AcOH) come alternativa significativamente più ecologica ai solventi comuni ma più pericolosi. È interessante notare che questo sistema solvente non solo ha prodotto uno strato di perovskite densamente imballato con cristalli di dimensioni maggiori e migliore cristallinità, ma i bordi dei grani sono risultati più rigidi e altamente conduttivi per la corrente elettrica. I cambiamenti fisici ai bordi dei grani erano dovuti alle interfacce cristalline infuse di solfolano, che avrebbero dovuto facilitare un migliore trasferimento di carica e fornire una barriera più forte all'umidità all'interno dello strato di perovskite, ottenendo di conseguenza una densità di corrente più elevata e prestazioni più lunghe del dispositivo. Infatti, utilizzando un sistema di solventi misti costituito da solfolano, GBL e AcOH nel rapporto volumetrico di 70,0:27,5:2,5, la stabilità del dispositivo era migliore e le prestazioni fotovoltaiche erano statisticamente paragonabili a quelle preparate utilizzando solvente a base di DMSO. Il nostro rapporto riflette risultati senza precedenti di una maggiore conduttività elettrica e rigidità dello strato di perovskite semplicemente utilizzando una scelta appropriata del solvente completamente verde.

La cella solare ibrida inorganica-organica alla perovskite (PSC) ha incuriosito molti ricercatori soprattutto per il suo potenziale prestazionale e le prospettive promettenti1,2,3. Il rapido sviluppo del PSC negli ultimi anni rende possibile anche ottenere prestazioni fotovoltaiche ancora migliori, soprattutto considerando il fatto che molti valori di efficienza di conversione di potenza (PCE) riportati sono costantemente inferiori al valore teorico del 25,2%3, lasciando ampi spazi per ulteriori risultato. Una tipica struttura cristallina di perovskite ibrida può essere caratterizzata come \(ABX_{3}\), che consiste di cationi (sito A), come CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+} \), HC(NH\(_{2}\))\(_{2}^{+}\), Cs\(^{+}\) e Rb\(^{+}\). La struttura inorganica \(BX_{3}\) è costituita da elementi alogenuri (sito X) e metalli (sito B), come Pb\(^{+}\) e Sn\(^{+}\)4. Il PCE recentemente riportato ha raggiunto il 25,2%3, un livello che rappresenta un progresso significativo soprattutto se confrontato con altri prodotti fotovoltaici, come CdTe, seleniuro di rame indio gallio (CIGS), nonché celle solari organiche e sensibilizzate con coloranti5.

Altrettanto importante per lo sviluppo delle prestazioni fotovoltaiche è l’impatto del processo di preparazione sull’ambiente e sulla salute umana. Le segnalazioni di elevate prestazioni spesso si basavano sull'uso di sostanze chimiche pericolose, come gli agenti cancerogeni N-metil-2-pirrolidone (NMP) e N,N-dimetilformammide (DMF) e il dimetilsolfossido altamente penetrante nella pelle (DMSO), per la preparazione di perovskite6,7,8,9,10. Tuttavia, anche se l’uso di questi solventi potrebbe garantire elevate prestazioni dei dispositivi, la loro tossicità verso l’ambiente e la salute umana potrebbe causare seri problemi, soprattutto quando la tecnologia viene implementata su larga scala10. Pertanto, per sviluppare la tecnologia PSC in modo sostenibile, è necessario affrontare la questione della scelta dei solventi.

In uno sforzo verso una preparazione più ecologica, il solvente misto costituito da polietilenglicole e \(\gamma\)-butirrolattone (GBL) è stato utilizzato per preparare la soluzione del precursore PbBr\(_{2}\). Il PSC risultante ha mostrato un PCE fino all'8,11%11. (R)-(+)-limonene e 2-metiltetraidrofurano potrebbero essere utilizzati anche come antisolventi meno tossici nella preparazione dello strato di perovskite di alta qualità nel dispositivo PSC invertito, con PCE fino al 17,84%12. Tian e colleghi hanno anche suggerito l'n-butanolo come antisolvente verde per la preparazione di pellicole di perovskite in dispositivi di grandi dimensioni, che hanno dimostrato un PCE del 13,85%13. Yavari e colleghi hanno utilizzato l'anisolo come antisolvente verde nella preparazione delle PSC, ottenendo un PCE impressionante fino al 20,5%14. Tuttavia, nonostante i molti sforzi compiuti finora, la stabilità del dispositivo rimane una sfida14, che potrebbe essere attribuita all’inefficiente dissoluzione dei precursori della perovskite nel processo di preparazione15. Di conseguenza, l’eliminazione completa dei solventi pericolosi deve ancora concretizzarsi e questi solventi svolgono ancora un ruolo in varia misura nel processo di fabbricazione per facilitare la solubilità dei precursori chimici.