Perovskiti, Sperimentale

LINEA DI ATTIVITÀ

LA4.1 LA4.2 LA4.3

Strumento/i principale utilizzato per IEMAP (o in generale il tipo di laboratorio)

  1. Laboratorio di fabbricazione di film e celle solari di perovskite, che include in particolare un impianto per evaporazione termica multisorgente integrato in glovebox ad atmosfera di azoto.
  2. Laboratorio di caratterizzazione ottica e strutturale di film sottili.
  3. Laboratorio di caratterizzazione di celle solari.

Tipo di misure che sono possibili da realizzare in questo laboratorio, con questo strumento/i

  1. Deposizione via evaporazione di film sottili di PbI2, MAI, MAPbI3, e per solution process di diversi ETL, HTL e perovskiti MAPbI2 e CsFAMAIxBr3-x (con MA = metilammonio e FA = formamidinio).
  2. Misure di trasmittanza e riflettanza con spettrofotometro, costanti ottiche da ellissometria, fotoluminescenza, struttura cristallina da Raggi-X, morfologia da SEM, composizione da EDX.
  3. Caratteristica corrente-tensione sotto simulatore solare, efficienza quantica esterna.


Applicazione (su quali materiali è stato utilizzato)

Film di PbI2, MAI, MAPbI3; celle solari con assorbitore in perovskite MAPbI3, celle solari con grafene come strato di supporto.

Descrizione risultati raggiunti SAL2

La presente linea, conclusa a maggio 2023, si è occupata di sviluppo di perovskiti per il fotovoltaico e di processi realizzativi di tali materiali che risultino interessanti in ottica industriale, puntando sul metodo dell’evaporazione in vuoto e sul metodo ibrido a due step evaporazione/spin-coating.

Si è lavorato allo sviluppo di film di perovskite MAPbI3 partendo da indagini sui singoli precursori. L’evaporazione dei precursori organici è una sfida a causa dell’alta pressione di vapore, ma anche con i precursori inorganici si sono riscontrate delle criticità. Si è lavorato quindi monitorando i parametri di processo automaticamente salvati in tempo reale nei database dell’impianto, generando opportuni grafici di controllo.

Per il componente PbI2, è stato individuato l’andamento del rate in funzione della temperatura di sorgente nonché l’impatto del livello di riempimento dei crogioli e del profilo del materiale nello stesso. È stata quindi definita la metodologia ideale di lavoro (uso di un riduttore nel crogiolo e quantitativi fissati di materiale).

Per il MAI, per scarsa adesione sui substrati si è lavorato direttamente in coevaporazione o deposizioni sequenziali su PbI2, monitorando pseudo-rate e pressione in camera individuando la condizione ideale con pesate fisse di materiale nuovo per ogni run e adozione di basso livello di pompaggio. In coevaporazione si è lavorato con diversi rapporti relativi tra gli pseudo-rate dei precursori eseguendo deposizioni sia standard che combinatoriali con gradienti composizionali.

Nel metodo ibrido si è variata soprattutto la concentrazione della soluzione di MAI in IPA, individuando i valori ottimali per PbI2 fino a ~200 nm. La trasmittanza UV-Vis-NIR e il confronto con la trasmittanza simulata di MAPI stechiometrica è stata scelta come tecnica di elezione per una procedura accelerata di ottimizzazione dei materiali fabbricati con i diversi metodi (il workflow ideato per il metodo ibrido è in figura 1).

Per una caratterizzazione più completa i film ottimizzati sono stati poi valutati con ulteriori tecniche (ellissometria, fotoluminescenza, XRD, microscopia SEM, EDX).

La figura 2 riporta un esempio del monitoraggio grafico dei parametri di processo in coevaporazione e la caratterizzazione estesa di un film idoneo come assorbitore in celle solari.

In parallelo al lavoro sull’assorbitore, come materiali di supporto nelle celle solari sono stati effettuati studi esplorativi relativi a grafene da CVD. Con una selezione dei materiali investigati sono stati quindi realizzati prototipi funzionanti di celle solari n-i-p (un confronto delle EQE è mostrato in figura 2).

Si è infine lavorato nell’ambito della definizione di best practice nella caratterizzazione delle celle solari, dimostrando la centralità della misura di efficienza quantica esterna e definendo un possibile protocollo incentrato su tale misura. 

Tutti gli obiettivi programmati sono dunque stati raggiunti. I dettagli sono descritti nel report D4.2.

REFERENTE/I

Lucia Vittoria Mercaldo ENEA TERIN – FSD – DIN

P.le Enrico Fermi, 1, 80055 Portici

FIGURE CON RELATIVE DIDASCALIE ESAUSTIVE

Figura 1

Didascalia

Workflow ideato per accelerare la messa a punto di film di perovskite con metodo ibrido a due step, qui applicato per film di MAPbI3. La caratterizzazione di elezione è la trasmittanza UV-Vis-NIR, dove la forma dello spettro fornisce più informazioni in contemporanea.

Figura 2

Didascalia

Sviluppo di film e celle solari a base di MAPbI3 da coevaporazione: monitoraggio in tempo reale dei parametri di processo di deposizione, immagine SEM e fotoluminescenza di un film quasi stechiometrico (foto in figura) e confronto delle efficienze quantiche esterne (EQE) di prototipi di celle planari con i diversi materiali in studio.

Deliverable consegnati al SAL2

D4.2 – Rapporto tecnico: “Sviluppo di celle solari in perovskite con diversi metodi di fabbricazione”.

Livello di innovazione

Le attività nel campo del fotovoltaico in perovskite sono in linea con gli studi internazionali del settore che mirano alla definizione di materiali e processi rilevanti in un’ottica industriale di medio/lungo termine. Relativamente alla fabbricazione dei film di perovskite, vengono principalmente utilizzate tecniche da soluzione (spin-coating e altri metodi di coating, come blade, slot die, spray), ma c’è interesse crescente verso tecniche di tipo fisico in vuoto (l’evaporazione termica primariamente), che offrono scalabilità su larga area, copertura completa ed uniforme di substrati di vario tipo, anche flessibili e testurizzati, e l’eliminazione dell’uso di solventi. Si tratta inoltre di tecniche scalabili sulla larga area e quindi di alto interesse industriale. L’evaporazione dei precursori organici è tuttavia una sfida a causa dell’alta pressione di vapore, che comporta delle difficoltà nel controllo del processo di deposizione con possibile impatto sulla riproducibilità dei processi. L’attività svolta si inquadra pienamente in questo ambito, lavorando inoltre verso la definizione di opportune procedure per il controllo dei processi nonché di possibili workflow per accelerare la messa a punto dei materiali. Su questo aspetto si sottolinea che, mentre per le perovskiti ottenute con tecniche da soluzione si stanno moltiplicando i laboratori che hanno avviato metodologie di high throughput, nel caso dell’evaporazione in vuoto l’argomento è agli albori e vede essenzialmente l’applicazione di tecniche combinatoriali. Gli approcci investigati sono quindi altamente innovativi.

Disseminazione

Articolo su rivista: L.V. Mercaldo et al. Procedure Based on External Quantum Efficiency for Reliable Characterization of Perovskite Solar Cells. Energy Technology 2022, 2200748.

Partecipazione con presentazione di un poster alla 8th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC-8), September 26-30, 2022, Milan (Italy).
Titolo poster: Relevance of EQE for perovskite solar cells characterization.
Autori: Lucia V. Mercaldo, Eugenia Bobeico, Antonella De Maria, Marco Della Noce, Manuela. Ferrara, Laura Lancellotti, Gabriella Rametta, Gennaro V. Sannino, Iurie Usatii, Paola Delli Veneri.