Il futuro dell’energia solare con celle solari con perovskite efficienti e sicure
Le celle solari con perovskite (un cristallo fatto di tre componenti) potrebbero fornire al settore dell’energia fotovoltaica la spinta di cui ha bisogno. Il vantaggio delle celle solari è che possono essere fabbricate in modo da essere semi-trasparenti, mostrando allo stesso tempo un rapporto kWh/potenza nominale molto superiore rispetto alle tradizionali celle solari al silicio. Il progetto GOTSolar, supportato dall’UE, ha sviluppato nuove formulazioni con perovskite che risultano stabili e facili da preparare, mostrando al contempo efficienze fotovoltaiche molto alte. Una cosiddetta formulazione a «tripli cationi», che è ora lo standard nel settore. Il progetto ha inoltre creato un procedimento di incapsulamento con vetro di sigillatura assistito da laser, a una temperatura di circa 85 °C, che rappresenta anch’esso una pietra miliare. Questa invenzione consente l’incapsulamento di celle solari con perovskite molto efficienti senza perdite di piombo, il che lo rende più stabile e sicuro rispetto alle alternative. Nuovi materiali e procedimenti GOTSolar ha usato un’impalcatura di ossido metallico per contenere la perovskite, con la mesostruttura che aiuta nella cristallizzazione della perovskite, al fine di formare un sistema molto efficiente per la raccolta della luce. L’assemblaggio è stato completato con materiali per il trasporto delle lacune (HTM, Hole Transport Material) allo stato solido e un controelettrodo. «Quando si ha un semiconduttore che assorbe la luce, un elettrone a bassa energia viene promosso a un livello energetico superiore, lasciando una “lacuna” nel livello energetico basso», spiega il prof. Adelio Mendes, coordinatore del progetto. «L’elettrone eccitato può scorrere verso una qualsiasi superficie del semiconduttore, ma può varcare l’interfaccia soltanto quando c’è uno strato di estrazione dell’elettrone sull’altro lato, in questo caso il diossido di titanio. La “lacuna” può scorrere verso una qualsiasi superficie ma può varcare l’interfaccia soltanto con un HTM». Le interazioni dello strato di estrazione dell’elettrone, dell’impalcatura di ossido metallico, dell’assorbitore di perovskite e dello strato HTM sono state esaminate e misurate al fine di identificare le circostanze in cui la raccolta di elettroni e della lacuna sfrutta al massimo in modo favorevole l’intero dispositivo. Questo lavoro ha consentito al team di accrescere le prestazioni della conversione di potenza FV fino a un’efficienza del 23,25 % per lo strumento con dimensioni da laboratorio e di produrre dispositivi stabili per 500 ore a 85 °C. Sono stati sviluppati anche assorbitori di luce senza piombo in celle con dimensioni da laboratorio, che hanno ottenuto un’efficienza nella conversione di potenza pari al 14 %. Un prototipo da 16 cm2 incapsulato in vetro è stato costruito per dimostrare la scalabilità della produzione per i primi moduli solari con perovskite con un’efficienza energetica del 12,5 % e una durata potenziale di 20 anni. GOTSolar prevede che i primi pannelli PSC saranno disponibili in commercio entro il 2020. Fare di più con meno Un’applicazione chiave della tecnologia sarà quella negli edifici non collegati alla rete elettrica. Ma affinché questa diventi fattibile, il costo di proprietà dovrà essere più basso rispetto a quello per le abitazioni tradizionali. Questo obiettivo è ovviamente più facile da raggiungere nei paesi del sud più soleggiati. «Per i paesi dell’Europa settentrionale e centrale, nuove celle silicio-PSC tandem saranno fondamentali dal momento che ci si aspetta che mostrino un’efficienza nella conversione di potenza pari a circa il 30 %, producendo più elettricità da un’area fotovoltaica più piccola», dice il prof. Mendes. È mediante il contributo di GOTSolar per rendere queste celle FV molto più economiche, grazie alla produzione locale, che il progetto ha fornito il suo apporto più grande. Il team continua a esaminare le proprietà fondamentali delle PSC per sviluppare nuove formulazioni e architetture, in aggiunta a nuovi materiali HTM e substrati in vetro più conduttivi dal punto di vista elettrico e trasparenti. Si sta inoltre dedicando a nuove strategie di fabbricazione, migliorando al contempo il procedimento di incapsulamento con vetro di sigillatura, in vista di dispositivi più efficienti, economici, robusti e piacevoli da vedere.
Parole chiave
GOTSolar, energia solare, perovskite, fotovoltaico, incapsulamento, ossido metallico, elettrone, sole
