I ricercatori compiono un passo importante verso lo sviluppo di celle solari di prossima generazione

In un nuovo articolo pubblicato il 26 febbraio sulla rivista Energia della naturaun ricercatore dell’Università del Colorado Boulder e i suoi collaboratori internazionali hanno svelato un metodo innovativo per produrre le nuove celle solari, note come celle di perovskite, un risultato fondamentale per la commercializzazione di quella che molti considerano la prossima generazione di tecnologia solare.

Oggi quasi tutti i pannelli solari sono realizzati in silicio e vantano un’efficienza del 22%. Ciò significa che i pannelli di silicio possono convertire solo circa un quinto dell’energia solare in elettricità, perché il materiale assorbe solo una percentuale limitata delle lunghezze d’onda della luce solare. Anche la produzione di silicio è costosa e richiede molta energia.

Inserisci la perovskite. Il materiale semiconduttore sintetico ha il potenziale per convertire sostanzialmente più energia solare rispetto al silicio a un costo di produzione inferiore.

“Le perovskiti potrebbero rappresentare un punto di svolta”, ha affermato Michael McGehee, professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biologica e membro del Renewable & Sustainable Energy Institute della CU Boulder.

Gli scienziati hanno testato le celle solari in perovskite impilandole sopra le tradizionali celle in silicio per creare celle tandem. La stratificazione dei due materiali, ciascuno dei quali assorbe una parte diversa dello spettro solare, può potenzialmente aumentare l’efficienza dei pannelli di oltre il 50%.

“Stiamo ancora assistendo a una rapida elettrificazione, con sempre più auto alimentate dall’elettricità. Speriamo di mandare in pensione più centrali a carbone e alla fine di sbarazzarci di quelle a gas naturale”, ha detto McGehee. “Se credi che avremo un futuro completamente rinnovabile, allora stai pianificando che i mercati dell’energia eolica e solare si espandano almeno da cinque a dieci volte rispetto a dove sono oggi”.

Per arrivarci, ha detto, l’industria deve migliorare l’efficienza delle celle solari.

Ma una sfida importante nel produrli dalla perovskite su scala commerciale è il processo di rivestimento del semiconduttore sulle lastre di vetro che costituiscono gli elementi costitutivi dei pannelli. Attualmente, il processo di rivestimento deve avvenire in una piccola scatola riempita di gas non reattivo, come l’azoto, per evitare che le perovskiti reagiscano con l’ossigeno, riducendone le prestazioni.

“Questo va bene in fase di ricerca. Ma quando inizi a rivestire grandi pezzi di vetro, diventa sempre più difficile farlo in una scatola riempita di azoto”, ha detto McGehee.

McGehee e i suoi collaboratori si sono messi alla ricerca di un modo per prevenire quella reazione dannosa con l’aria. Hanno scoperto che l’aggiunta di formiato di dimetilammonio, o DMAFo, alla soluzione di perovskite prima del rivestimento potrebbe impedire l’ossidazione dei materiali. Questa scoperta consente di effettuare il rivestimento fuori dalla piccola scatola, all’aria ambiente. Gli esperimenti hanno dimostrato che le celle di perovskite realizzate con l’additivo DMAFo possono raggiungere da sole un’efficienza di quasi il 25%, paragonabile all’attuale record di efficienza per le celle di perovskite del 26%.

L’additivo ha inoltre migliorato la stabilità delle cellule.

I pannelli commerciali in silicio in genere riescono a mantenere almeno l’80% delle loro prestazioni dopo 25 anni, perdendo circa l’1% di efficienza all’anno. Le cellule di perovskite, tuttavia, sono più reattive e si degradano più velocemente nell’aria. Il nuovo studio ha dimostrato che le celle di perovskite realizzate con DMAFo hanno mantenuto il 90% della loro efficienza dopo che i ricercatori le hanno esposte alla luce LED che imitava la luce solare per 700 ore. Al contrario, le cellule prodotte nell’aria senza DMAFo si sono degradate rapidamente dopo sole 300 ore.

Anche se questo è un risultato molto incoraggiante, ci sono 8.000 ore in un anno, ha osservato. Sono quindi necessari test più lunghi per determinare come queste cellule reggono gli straordinari.

“È troppo presto per dire che sono stabili quanto i pannelli di silicio, ma siamo sulla buona strada verso questo”, ha detto McGehee.

Lo studio avvicina le celle solari alla perovskite alla commercializzazione. Allo stesso tempo, il team di McGehee sta sviluppando attivamente celle tandem con un’efficienza reale superiore al 30% e con la stessa durata operativa dei pannelli di silicio.

McGehee guida una partnership tra il mondo accademico e l’industria statunitense chiamata Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites (TEAMUP). Insieme a ricercatori di altre tre università, due aziende e un laboratorio nazionale, lo scorso anno il consorzio ha ricevuto un finanziamento di 9 milioni di dollari dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per sviluppare perovskiti tandem stabili che possano essere utilizzate nel mondo reale e siano commercialmente valide. L’obiettivo è creare un tandem più efficiente dei tradizionali pannelli in silicio e ugualmente stabile per un periodo di 25 anni.

Con una maggiore efficienza e un prezzo potenzialmente più basso, queste celle tandem potrebbero avere applicazioni più ampie rispetto ai pannelli di silicio esistenti, inclusa la potenziale installazione sui tetti dei veicoli elettrici. Potrebbero aggiungere da 15 a 25 miglia di autonomia al giorno a un’auto lasciata al sole, sufficiente a coprire gli spostamenti quotidiani di molte persone. Anche i droni e le barche a vela potrebbero essere alimentati da tali pannelli.

Dopo un decennio di ricerca sulle perovskiti, gli ingegneri hanno costruito celle di perovskite efficienti quanto le celle di silicio, inventate 70 anni fa, ha affermato McGehee. “Stiamo portando le perovskiti al traguardo. Se i tandem funzioneranno bene, avranno sicuramente il potenziale per dominare il mercato e diventare la prossima generazione di celle solari”, ha affermato.