La perovskite per le celle solari del futuro

Le cellule fotovoltaiche del futuro potrebbero avere costi ancora più ridotti grazie all'utilizzo di un nuovo materiale per costruirle: la perovskite. Questa affermazione è frutto di uno studio, pubblicato sulla rivista Science, realizzato da Annamaria Petrozza, ricercatrice presso il Center for nano science and technology (Cnst) dell'Istituto italiano di tecnologia (Iit) di Milano, ed Henry Snaith, ricercatore dell'Università di Oxford.

Nel saggio intitolato "Electron-hole diffusion lengths exceeding 1 micrometer in an organometal trihalide perovskite absorber" i due scienziati spiegano come grazie a semiconduttori policristallini, con struttura di perovskite, sarà possibile creare celle solari ibride con un rendimento superiore a quelle attuali del 15%.

Oggi la struttura delle celle solari è interamente fatta di silicio, con costi di produzione elevati grazie alla relativa scarsità di questo materiale e al complesso metodo di fabbricazione che esso impone nella creazione dei pannelli fotovoltaici. Con la perovskite i costi di produzione potrebbero essere notevolmente inferiori grazie all'abbondanza dei materiali attivi e ad un metodo di fabbricazione più semplice, in quanto avviene a basse temperature ed è estendibile su larga scala. Secondo i ricercatori, addirittura i costi dei pannelli potrebbero scendere a 10-20 centesimi di $ per watt. Un bel risparmio rispetto agli attuali 75 centesimi di $ a watt.

Se la perovskite potesse effettivamente abbattere così tanto i costi di produzione del fotovoltaico, secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti l'energia così prodotta potrebbe competere con quella derivata dai combustibili fossili. Questo comporterebbe un'espansione esponenziale della diffusione delle energie rinnovabili con conseguente impatto positivo sull'ambiente e sulla qualità della vita dell'uomo.

(segmento di perovskite)
(La perovskite)

Che cos'è?

Il nome perovskite è stato coniato da Gustav Rose nel 1840 in onore del Ministro della Corte Imperiale russa, grande collezionista di minerali, Lev Perovskiy. Esso si riferisce a cristalli opachi di forma cubica trovati nel 1839 da Rose all'interno dei monti Urali. Il materiale ha una struttura particolare, cristallina, costituita da un ossido doppio di Ca e Ti (CaTiO3), tale da poter ospitare una vasta gamma di elementi e dunque mostrare varie proprietà fisiche. Tra queste spicca la peculiarità di essere un ottimo conduttore, che la rende utilizzabile nelle nuove tecnologie relative alle energie rinnovabili.

Come funziona?

La perovskite è nota da oltre un secolo, ma fino ad ora nessuno aveva pensato di applicarne le potenzialità alle celle solari. Un vero peccato visto che la composizione chimica della perovskite le permette una grande capacità di assorbire la luce. Essa fa si che le cariche generate dalla luce catturata dal pannello viaggino per distanza maggiori di un micrometro, una distanza enorme nel mondo delle nano-tecnologie. Questo consente la permanenza della carica per un tempo maggiore all'interno del pannello fonoassorbente e, dunque, un maggior accumulo di energia.                     

Mentre i pannelli solari in silicio, attualmente utilizzati, hanno uno spessore di circa 180 micrometri, le celle solari in perovskite hanno uno spessore di meno di un micrometro. Il tutto impiegato per catturare la stessa quantità di luce solare.  Questo è possibile in quanto le celle in questo materiale possono essere realizzate spargendo il pigmento su una lamina di vetro o metallo, utilizzando pochi altri strati di materiali atti a facilitare il movimento degli elettroni attraverso la cella.

(celle solari sottilissime con la perovskite)
(Celle solari in perovskite)

L'innovazione

La prima volta in cui la perovskite è stata usata per produrre celle solari, nel 2009, l'efficenza del sistema prodotto era bassa e solo il 3,5% di luce veniva convertita in energia elettrica. Inoltre, le celle non duravano a lungo a causa della dissoluzione di questo materiale ad opera degli elettroliti liquidi.

Nel 2012 però sono state fatte alcune innovazioni nella tecnologia del solare che hanno permesso la sostituzione degli elettroliti liquidi con materiali solidi. Ciò ha eliminato il problema più grosso nei confronti dell'utilizzo della perovskite e ha dunque spinto molti ricercatori a concentrasi su essa per creare celle sempre più performanti.

Dubbi

Essendo lo studio ancora nuovo e sperimentale diversi sono i dubbi in proposito. In particolare Petrozza e Snaith non hanno ancora potuto chiarire alcune fasi del processo optoelettrico (ovvero il processo di generazione e trasporto delle cariche all'interno del cristallo) alla base del funzionamento dei dispostitivi realizzati in questo materiale. A ciò va aggiunto che gli ultimi studi hanno riscontrato che in questo materiale è presente una piccola quantità di piombo, elemento notoriamente tossico. Pertanto serviranno ulteriori ricerche per capire come sostituire il piombo con un elemento diverso, e non tossico, nelle celle.

Inoltre, negli ultimi anni si è registrato un costante calo del costo del silicio, complici le nuove tecnologie di estrazione e sfruttamento che lo hanno reso molto più facilmente reperibile. Secondo questa tendenza i pannelli in silicio, che ora costano intorno ai 50 centesimi a watt, potrebbero scendere a 25 centesimi a watt, e anche se il processo produttivo delle nuove celle è semplice, potrebbe volerci un decennio per portarle a livelli di produzione industriali. Per questo il rischio è che le celle in silicio possano già ora essere troppo avanti per essere raggiunte da quelle in perovskite, che così potrebbero perdere i margini di competitività che oggi avrebbero e dunque gli incentivi ad investire in questa nuova tecnologia.

 (pannello solare con celle in perovskite)
(Pannello solare in perovskite)

Una soluzione potrebbe essere quella di utilizzare il nuovo materiale in combinato con il silicio, abbassando complessivamente il costo dei pannelli. Se la perovskite manterrà le promesse fatte sin qui, come proprio sembra dalla ricerca, allora si potranno creare pannelli ad altissimo rendimento a costi modici, un paradigma che fino a poco tempo fa sembrava impensabile.

AutoreGiulia Tarozzi

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