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Celle Fotovoltaiche a Perovskite: elevato rendimento energetico il futuro del Fotovoltaico
Le celle solari del futuro potrebbero avere consumi ancora più ridotti e tutto questo grazie a un nuovo materiale che servirà per costruirle: la perovskite.
Efficienza e risparmio maggiori grazie alla perovskite
Recentemente sono stati pubblicati sulla rivista Science i risultati di un interessante studio condotto da due ricercatori. Si tratta dell’italiana Annamaria Petrozza, del Center for Nano Science and Technology (Cnst) di Milano, e di Henry Snaith, uno studioso dell’Università di Oxford.
Nel saggio, i due scienziati illustrano come il futuro del fotovoltaico possa mutare grazie all’impiego di semiconduttori policristallini, formati da una struttura di perovskite. Il nuovo materiale, infatti, consentirà di realizzare delle celle solari ibride che avranno un rendimento superiore, oltre il 20%, rispetto a quelle attuali.
La struttura delle celle fotovoltaiche, così come le conosciamo, è costituita interamente di silicio e ciò implica dei costi di produzione elevati: il silicio, infatti, è un materiale scarsamente disponibile e i processi di lavorazione dei pannelli solari sono molto complessi.
Ciò non avviene ricorrendo alla perovskite per due ragioni fondamentali: non solo questo materiale è facilmente reperibile (e quindi ha un minor valore d’acquisto), ma il metodo di realizzazione delle celle solari è anche più semplice perché si svolge a basse temperature. Grazie all’abbattimento dei costi necessari per la produzione dei pannelli solari in perovskite, questa nuova tecnologia, inoltre, potrà abbracciare una fetta più ampia di pubblico e il prezzo dei pannelli potrebbe scendere fino a 10-20 centesimi di $ per watt, contro gli attuali 75 centesimi di $ a watt! Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, quest’importate abbattimento dei costi potrebbe comportare una diffusione esponenziale delle energie rinnovabili, una riduzione nell’uso dei combustibili fossili, e quindi un più basso impatto ambientale e un miglioramento globale della qualità della vita.
La perovskite: cos’è e come funziona
La perovskite è un minerale di forma cristallina, scoperto nel 1839 all’interno dei monti Urali e chiamato così in onore di Lev Perovskiy, un ministro russo e grande appassionato di minerali. Questo materiale è costituito da vari elementi e mostra diverse proprietà fisiche, ma la più interessante è la sua elevata conducibilità: la sua composizione chimica, infatti, gli permette di assorbire la luce in modo davvero eccellente. Basti pensare che le cariche prodotte dalla luce catturata da un pannello solare a perovskite riescano a viaggiare per distanze superiori di un micrometro, che nel campo delle nano-tecnologie è una lunghezza immane.
Questo fenomeno permette alla carica di restare più a lungo all’interno della cella e, di conseguenza, accumulare maggiore energia. Inoltre, mentre i comuni pannelli in silicio sono spessi circa 180 micrometri, quelli in perovskite riescono a inglobare la stessa quantità di luce in poco meno di un micrometro.
I problemi delle nuove celle solari
Dal momento che la ricerca è in fase sperimentale, vi sono alcuni punti ancora poco chiari, soprattutto per ciò che concerne le fasi del processo di generazione e trasporto delle cariche nel cristallo. Un’altra questione molto importante riguarda la presenza di piombo, notoriamente tossico, all’interno della perovskite. Sebbene si tratti di quantità molto piccole, è indispensabile trovare un sostituto del piombo per ridurre il rischio di tossicità delle celle. Grazie alle nuove pratiche di estrazione, inoltre, il silicio ha subito un calo costante dei prezzi e in pochissimo tempo potrebbe raggiungere anche i 25 centesimi a watt. Tutto ciò va a discapito della nuova tecnologia: prima della sua commercializzazione su scala industriale, infatti, potrebbero occorrerci anni e a quel punto perderebbe i suoi vantaggi nei confronti del fotovoltaico in silicio e anche la possibilità di incontrare il consenso degli investitori.
La soluzione ideale, pertanto, potrebbe risiedere in una sinergia fra i due materiali, ottenendo celle solari a elevato rendimento energetico e a costi modici.
Dal Giappone la coppia vincente?
Dai laboratori del Politecnico di Hong Kong, l’equipe dell’ingegnere elettronico Charles Chee Surya è riuscita a realizzare una nuova cella solare in perovskite e silicio, raggiungendo un’efficienza di conversione pari al 25,5%, un valore che, per il momento, non ha concorrenti in tutto il mondo.
Com’è realizzato il fotovoltaico perovskite-silicio
L’impianto fotovoltaico ideale è quello che può assorbire tutte le lunghezze d’onda dell’energia solare che lo raggiungono, ma, purtroppo, non si conosce un materiale simile. L’unica alternativa che sembra avvicinarsi a tali criteri è data dalla combinazione fra il silicio policristallino tradizionale e la perovskite in metilammonio-triioduro piombo. La scoperta eccezionale degli scienziati giapponesi nasce dall’aver creato un incontro perfetto fra i due materiali, formano una cella a due strati: uno superiore in perovskite e uno inferiore in silicio. Lo strato superiore raccoglie i fotoni provenienti da brevi lunghezze d’onda, mentre lo strato inferiore è in grado di assorbire quelle più elevate.
Celle solari perovskite-silicio
Gli scienziati del Politecnico di Hong Kong hanno realizzato una nuova cella fotovoltaica in perovskite-silicio mediante tre passaggi differenti.
Innanzitutto, hanno minimizzato i difetti del minerale cristallino attraverso un procedimento di ricottura in ossigeno secco, a bassa temperatura.
Dopodiché hanno prodotto un modulo a tre fogli composto di uno strato di oro racchiuso in due lamine di triossido di molibdeno.
Infine, per catturare un numero più elevato di fotoni, hanno applicato sulla superficie superiore un sottilissimo film opaco.
In questa direzione si stanno muovendo anche numerose altre ricerche e probabilmente il futuro del fotovoltaico potrebbe risiedere proprio nell’accoppiata vincente di questi due materiali.
Fonti:
Impianto Fotovoltaico Impianto FV con Accumulo
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