Ricercatori dell’Università di Zhengzhou, in Cina, hanno esaminato l’uso degli zwitterioni nelle celle solari in perovskite, concludendo che queste molecole elettricamente neutre potrebbero contribuire all’efficienza e alla stabilità dei dispositivi attraverso diversi meccanismi, oltre alla convenzionale passivazione dei difetti.
Gli zwitterioni contengono gruppi funzionali con carica positiva e negativa. Secondo i ricercatori, questa struttura a doppia carica consente loro di interagire con i difetti, influenzare la cristallizzazione e regolare i livelli energetici alle interfacce all’interno di una singola unità molecolare. La loro efficacia dipende dalla struttura molecolare, dal metodo di incorporazione e dalla posizione all’interno del dispositivo.
Nell’assorbitore di perovskite, gli zwitterioni possono interagire con gli ioni di piombo non coordinati, le vacanze degli alogenuri e i difetti associati ai cationi organici. Queste interazioni possono ridurre l’intrappolamento dei portatori di carica e la ricombinazione non radiativa. La rassegna osserva che i composti di tipo betaina sono stati ampiamente studiati, mentre anche gli zwitterioni a base di amminoacidi e altri zwitterioni funzionalizzati hanno prodotto risultati promettenti.
I miglioramenti delle prestazioni riportati includono un aumento dell’efficienza dal 10,54% al 13,31% in una cella in perovskite a base di stagno utilizzando L-asparagina. L’acido formamidin solfinico ha consentito di raggiungere un’efficienza del 22,06% in un dispositivo ad ampio bandgap. Gli zwitterioni possono inoltre influenzare la coordinazione dei precursori, la nucleazione e la crescita dei cristalli, contribuendo a produrre film più uniformi, con meno pori passanti e una cristallinità migliorata.
I composti possono anche stabilizzare la fase nera fotoattiva nelle perovskiti a base di cesio e formamidinio. Altri effetti riportati includono una riduzione della migrazione ionica, una maggiore integrità del reticolo, la soppressione dell’ossidazione dello stagno e una diminuzione delle tensioni meccaniche residue.
Alle interfacce tra lo strato di perovskite e gli strati di trasporto degli elettroni o delle lacune, gli zwitterioni possono passivare i difetti migliorando al contempo l’allineamento dei livelli energetici. Alle interfacce che coinvolgono ossido di stagno, biossido di titanio o ossido di zinco, i loro dipoli molecolari possono modificare le funzioni lavoro e ridurre le barriere all’estrazione degli elettroni. La rassegna indica inoltre gli zwitterioni liquidi come una possibile soluzione ai problemi di scarsa solubilità e ai limiti di lavorazione di alcuni composti solidi.
Alle interfacce per il trasporto delle lacune, gli zwitterioni possono facilitare l’estrazione delle lacune, sopprimere la ricombinazione superficiale e migliorare la stabilità chimica. Un additivo riportato ha aumentato l’efficienza media dei dispositivi che utilizzano PEDOT dal 10,29% al 14,29%. Un altro approccio basato sulla L-triptofano all’interfaccia tra ossido di nichel e perovskite ha raggiunto efficienze del 23,79% e del 20,41% per dispositivi con bandgap rispettivamente di 1,56 eV e 1,68 eV. Tali dispositivi hanno mantenuto prestazioni stabili per oltre 1.600 ore.
Gli strati intermedi zwitterionici possono essere utilizzati anche nei contatti degli elettrodi. In questo caso, i dipoli molecolari possono regolare le funzioni lavoro dei metalli, migliorare l’allineamento dei livelli energetici e favorire l’estrazione delle cariche. Negli studi esaminati, un polimero zwitterionico ha aumentato l’efficienza dal 17,31% al 19,16%, mentre un composto a base di carbossilato l’ha incrementata dal 15,08% al 17,10%.
I ricercatori hanno inoltre sottolineato il potenziale degli zwitterioni nel limitare la migrazione ionica e la corrosione degli elettrodi, in particolare nei contatti d’argento. È stato riportato che uno zwitterione a base di naftalene diimmide cattura sia gli ioni d’argento sia quelli di ioduro, contribuendo a sopprimere il degrado all’interfaccia.
La rassegna chiede quadri di progettazione e valutazione più chiari, comprese banche dati che combinino descrittori molecolari, parametri di lavorazione e dati sulle prestazioni dei dispositivi. I ricercatori suggeriscono che l’apprendimento supervisionato potrebbe aiutare a identificare gli zwitterioni adatti a specifici strati funzionali, mentre i modelli generativi potrebbero proporre nuove strutture molecolari.
Il lavoro, intitolato “Progressi della ricerca sugli zwitterioni nelle celle solari in perovskite”, è stato pubblicato in Sustainable Chemistry for Energy Materials.
Fonti: pv magazine.