L’energia solare rappresenta una delle soluzioni più interessanti e promettenti per la crisi energetica globale. Negli ultimi 15 anni, le celle solari a perovskite (PSC) si sono distinte per la loro capacità di surclassare l’efficienza delle tradizionali celle solari al silicio con un costo inferiore. Le perovskiti a banda stretta hanno raggiunto efficienze fino al 26,1%. Inoltre, le perovskiti ad ampio band gap (WBG) stanno ottenendo significativi progressi nello sviluppo di celle solari perovskitiche in tandem. I pannelli solari in perovskite-silicio hanno recentemente raggiunto efficienze record del 34,6%. La versatilità dei materiali perovskitici sta facendo progredire in modo significativo la tecnologia solare e si sta rivelando promettente anche per altre applicazioni optoelettroniche.
Cosa Sono le Perovskiti?
Le perovskiti sono una classe di materiali con una particolare struttura cristallina, ABX3. I materiali più comuni utilizzati nelle PSC includono:
- Catione nel sito A: Molecole organiche come il metilammonio o il formamidinio; talvolta vengono usate molecole inorganiche come il cesio.
- Catione nel sito B: Atomi di metalli pesanti, come Pb o Sn.
- Anione nel sito X: Ioni alogenuri, come ioduro, bromuro o cloruro.
Nella struttura ABX3, il catione nel sito A stabilizza il reticolo cristallino, mentre il catione nel sito B e l’anione nel sito X contribuiscono al band gap diretto del materiale, favorendo un assorbimento efficiente della luce. Questa flessibilità compositiva permette di adattare le perovskiti a specifiche applicazioni, offrendo band gap regolabili, alte efficienze di conversione di potenza (PCE) e opzioni di produzione a basso costo.
Perché le Celle Solari a Perovskite Sono Così Importanti?
Le perovskiti sono state introdotte nelle celle solari nel 2009, ma solo nel 2012 sono state utilizzate con successo come strato attivo in celle solari completamente a stato solido.
Da allora, le PSC sono rapidamente diventate una tecnologia preferita nella comunità del fotovoltaico grazie alla capacità di ottenere elevate efficienze pur rimanendo economiche e facili da processare. L’aumento meteoritico dell’efficienza fino a oltre il 26% evidenzia il loro straordinario potenziale. Questo avanzamento supera altre tecnologie solari, come il tellururo di cadmio (CdTe) e il seleniuro di rame indio gallio (CIGS), che hanno impiegato decenni per raggiungere prestazioni simili.
Vantaggi Chiave Rispetto alle Celle Solari al Silicio
Oltre a raggiungere efficienze elevate paragonabili a quelle delle celle in silicio, le PSC offrono diversi vantaggi che le rendono una tecnologia più attraente e versatile.
- Costi di Produzione Inferiori: La fabbricazione di celle in silicio richiede processi ad alta intensità energetica, come la crescita di cristalli ad alta temperatura e la produzione di wafer complessi. Al contrario, i materiali a perovskite possono essere processati a basse temperature (inferiori a 150°C) e depositati con metodi a soluzione, come lo spin coating e la slot-die coating, altamente scalabili e a basso costo.
- Flessibilità e Leggerezza: Le celle solari tradizionali in silicio sono rigide e relativamente pesanti, limitandone l’uso in applicazioni che richiedono flessibilità. Le PSC possono essere depositate su substrati flessibili, come la plastica, permettendo applicazioni innovative come pannelli solari flessibili, elettronica indossabile e caricatori portatili.
- Regolabilità e Versatilità: Una delle caratteristiche più significative delle perovskiti è la loro proprietà ottica ed elettronica regolabile. Modificando la composizione degli alogenuri, è possibile adattare il band gap del materiale, rendendole adatte anche per LED, fotodetector e sensori.
- Eccellente Performance a Bassa Luminosità: Le PSC hanno dimostrato di funzionare eccezionalmente bene in condizioni di bassa luminosità, come il cielo nuvoloso o l’illuminazione interna. Questo le rende ideali per alimentare dispositivi IoT e altre piccole elettroniche che richiedono poca energia ma devono funzionare in modo continuo.
Perovskiti a Larga Banda Proibita: Un Game- Changer per le PSC
Un sottoinsieme delle perovskiti, noto come perovskiti a larga banda proibita (WBG), offre possibilità interessanti, in particolare nelle celle solari tandem. Le perovskiti WBG hanno un band gap superiore a 1,7 eV, assorbendo solo fotoni ad alta energia. Questo le rende ideali per applicazioni avanzate come le celle solari tandem e i dispositivi fotovoltaici interni.
Applicazioni delle Perovskiti a Larga Banda Proibita
Le perovskiti WBG sono ideali per una vasta gamma di applicazioni.
Celle solari tandem
Le celle solari tandem combinano più strati di materiali semiconduttori con diverso band gap per catturare un più ampio spettro di luce solare. Un dispositivo fotovoltaico in perovskite ad ampio band gap (1,7 eV) è sovrapposto a un dispositivo fotovoltaico in silicio o a stretto band gap (circa 1,1 eV). In questo scenario:
- La perovskite ad ampio band gap può assorbire i fotoni ad alta energia. Questi genereranno una tensione maggiore grazie all’aumento del band gap.
- I fotoni a bassa energia vengono trasmessi attraverso lo strato superiore di perovskite WBG e assorbiti dallo strato inferiore.
- Questi dispositivi contribuiscono entrambi alla potenza complessiva generata dal dispositivo, raggiungendo efficienze più elevate rispetto a quelle di ogni singolo strato.
Le celle solari in tandem di perovskite hanno già raggiunto efficienze superiori al 40%, dimostrando l’impressionante potenziale delle perovskiti WBG per la produzione di energia solare.
Fotovoltaico Indoor
Le perovskiti WBG sono ideali per i sistemi fotovoltaici indoor, che devono essere in grado di funzionare in ambienti illuminati artificialmente, come i LED o le luci fluorescenti. Il fotovoltaico per interni ha un band gap ideale di 1,9 eV, quindi le perovskiti WBG possono essere facilmente sintonizzate per adattarsi alle lunghezze d’onda dell’illuminazione interna. Questo, insieme alle buone prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione, rende le perovskiti WBG adatte ad alimentare piccoli dispositivi e sensori a basso consumo. Ciò potrebbe essere particolarmente importante per sostituire i nodi alimentati a batteria nei sistemi Internet of Things (IoT).
Agrivoltaico
Nell’agrivoltaico, i pannelli solari vengono installati sopra le colture, consentendo alla luce solare di raggiungere le piante e di generare elettricità. Le proprietà semitrasparenti delle perovskiti WBG le rendono adatte a queste applicazioni. I fotoni a bassa energia possono ancora raggiungere le colture, mentre i raggi dannosi a più alta energia vengono assorbiti per produrre energia solare. Questa configurazione può migliorare la resa delle colture e allo stesso tempo generare energia rinnovabile sullo stesso terreno, migliorando così l’efficienza dell’uso del suolo.
Sfide per le Perovskiti e le Celle Solari a Perovskite
Nonostante i vantaggi, le PSC devono affrontare sfide importanti per poter diventare commerciali.
- Stabilità e Longevità: I materiali a perovskite sono soggetti a degrado a contatto con umidità, ossigeno, calore e luce UV. Questo degrado può ridurre significativamente l’efficienza e la durata della cella solare.
- Tossicità del Piombo: Le celle PSC più efficienti si basano su composti a base di piombo, il cui smaltimento solleva preoccupazioni ambientali e sanitarie.
- Istere nel Corrente-Tensione: Molte PSC presentano isteresi, il che può risultare in prestazioni incoerenti. Questo è causato dalla migrazione degli ioni all’interno dello strato di perovskite.
- Scalabilità e Produzione: La produzione su larga scala delle PSC richiede qualità costante e assenza di difetti sui grandi film sottili di perovskite, sfida che richiede lo sviluppo di tecniche avanzate come il coating a slot-die.
Il Futuro delle Celle Solari a Perovskite
Le celle solari in perovskite e WBG sono tecnologie ancora relativamente giovani, con un considerevole margine di miglioramento. La ricerca attuale si concentra su diverse aree chiave:
- Stabilità: I continui sforzi nell’ingegneria dei materiali e dell’incapsulamento saranno cruciali per rendere le PSC più stabili negli ambienti reali.
- Alternative senza piombo: Lo sviluppo di perovskiti non tossiche e prive di piombo rimarrà una priorità assoluta per i ricercatori preoccupati dell’impatto ambientale.
- Scalabilità commerciale: Affrontare le sfide della scalabilità della produzione mantenendo alta la qualità e l’efficienza sarà fondamentale per portare le celle solari di perovskite sul mercato commerciale.
Le celle solari tandem saranno probabilmente le prime a essere commercializzate su larga scala, grazie alla loro elevata efficienza e alla loro complementarietà con l’attuale infrastruttura fotovoltaica. Poiché la ricerca continua a spingere i confini della tecnologia della perovskite, possiamo aspettarci che questi materiali giochino un ruolo chiave nell’energia solare di prossima generazione, contribuendo in modo significativo a un futuro sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico.
In sintesi, le celle solari in perovskite e in perovskite ad ampio band gap rappresentano un’opportunità di trasformazione nel settore dell’energia solare. Le celle solari in perovskite e WBG sono ancora tecnologie relativamente nuove, con un notevole margine di miglioramento.La ricerca attuale si concentra su diverse aree chiave. Ciononostante, il futuro si preannuncia roseo per questo settore emergente del solare.
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