Fotovoltaico sempre più efficiente: le celle solari in perovskite pronte a cambiare le regole del gioco

Un importante studio pubblicato su Nature Energy rivela un metodo innovativo per la produzione di celle solari di perovskite, promettendo una svolta nel campo dell'energia solare

Il panorama dell’energia solare è sull’orlo di una trasformazione significativa grazie allo sviluppo di un tipo avanzato di cella solare. Queste nuove celle, create da un team internazionale guidato da un ricercatore dell’Università di CU Boulder, promettono di superare l’efficienza dei pannelli solari attuali, tradizionalmente basati sul silicio. Questo progresso, documentato sulla rivista Nature Energy, introduce le celle di perovskite, presentandole come l’avanguardia nella tecnologia solare.

Al momento, la maggior parte dei pannelli solari sul mercato è costituita da silicio, con un’efficienza di conversione energetica del 22%, il che significa che solo una frazione dell’energia solare viene trasformata in elettricità. Questo è dovuto alla capacità limitata del silicio di assorbire specifiche lunghezze d’onda della luce. Oltre a questo limite, la produzione di silicio si caratterizza per i suoi elevati costi e il suo ingente consumo energetico.

In questo contesto, emerge la perovskite, un materiale semiconduttore sintetico con il potenziale di convertire l’energia solare in modo più efficiente e a costi di produzione ridotti rispetto al silicio. Michael McGehee, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica della CU Boulder, sottolinea l’importanza rivoluzionaria delle perovskiti nel settore energetico:

Stiamo ancora assistendo a una rapida elettrificazione, con sempre più automobili alimentate dall’elettricità. Speriamo di mandare in pensione più centrali a carbone e alla fine di sbarazzarci delle centrali a gas naturale. Se pensiamo di avere un futuro completamente rinnovabile, allora bisogna pensare che i mercati dell’energia eolica e solare si espandano almeno da cinque a dieci volte rispetto a dove sono oggi.

Per arrivarci,  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.

Maggiore efficienza

La ricerca ha esplorato l’uso di celle solari di perovskite in combinazione con celle di silicio per formare delle celle tandem. Questa combinazione sfrutta la capacità di ogni materiale di assorbire diverse parti dello spettro solare, potenzialmente aumentando l’efficienza dei pannelli oltre il 50%. McGehee osserva che l’espansione dei mercati dell’energia eolica e solare è essenziale per un futuro rinnovabile, e migliorare l’efficienza delle celle solari è cruciale per questo obiettivo.

Una sfida chiave nella commercializzazione delle celle di perovskite riguarda il processo di rivestimento del semiconduttore, che attualmente richiede ambienti isolati per prevenire l’ossidazione. Tuttavia, la scoperta dell’uso del formiato di dimetilammonio (DMAFo) offre una soluzione permettendo il rivestimento in condizioni ambientali, senza compromettere le prestazioni del materiale.

Le celle solari di perovskite con DMAFo hanno dimostrato un’efficienza del 25%, comparabile ai record attuali del 26%. Inoltre, questa innovazione ha migliorato significativamente la stabilità delle celle. Mentre i pannelli al silicio mantengono l’80% delle prestazioni per 25 anni, le perovskiti tendono a degradarsi più rapidamente. Tuttavia, le celle trattate con DMAFo hanno mantenuto il 90% della loro efficienza dopo 700 ore di esposizione alla luce artificiale, suggerendo un avanzamento verso la stabilità a lungo termine, anche se McGehee si dice cauto:

Questo va bene nella fase di ricerca. Ma quando si inizia a rivestire grandi pezzi di vetro, diventa sempre più difficile farlo in una scatola piena di azoto. È troppo presto per dire che sono stabili come i pannelli di silicio, ma siamo su una buona strada. Anche se questo è un risultato molto incoraggiante, ci sono 8.000 ore in un anno.

Il team di McGehee sta sviluppando attivamente celle tandem con un’efficienza reale superiore al 30% e con una durata operativa pari a quella dei pannelli di silicio. Questo studio rappresenta un passo avanti verso la commercializzazione delle celle di perovskite. McGehee guida inoltre un consorzio accademico-industriale che ha ricevuto un finanziamento di 9 milioni di dollari per lo sviluppo di celle tandem di perovskite stabili e commercialmente valide.

Queste innovazioni non solo promettono di aumentare l’efficienza e ridurre i costi, ma potrebbero anche estendere l’uso dell’energia solare a nuove applicazioni, come la ricarica di veicoli elettrici e l’alimentazione di droni e barche a vela. Dopo anni di ricerca, le perovskiti stanno raggiungendo livelli di efficienza paragonabili a quelli delle celle al silicio, aprendo la strada a un futuro in cui potrebbero dominare il mercato dell’energia solare.

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Fonte: University of Colorado Boulder

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