Celle solari a base di perovskite superano il 20% di efficienza

Un gruppo di ricercatori del politecnico federale di Losanna (École polytechnique fédérale de Lausanne) hanno scoperto il modo per aumentare l’efficienza delle celle solari realizzate con un particolare minerale formato da ossido di calcio e titanio.

Immagine 1 - Prototipi delle celle solari basate sulla perovskite. Credits: Alain Herzog/EPFL

Il team di scienziati guidato dal prof. Michael Graetzel ha scoperto che riducendo leggermente la pressione durante la produzione dei cristalli di perovskite è possibile ottenere prestazioni elevate per celle solari di grandi dimensioni a base di perovskite.

Tramite questa tecnica l'efficienza di conversione di tali celle solari ha superato il 20%, le prestazioni delle celle a base di perovskite sono arrivate ad essere paragonabili alle convenzionali celle solari a film sottile delle medesime dimensioni.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science.

Si tratta di una notizia promettente per lo sviluppo di celle solari basate sulla perovskite poiché il costo di questo minerale è già abbastanza contenuto e la tecnologia è già in fase di sviluppo industriale.

La fine delle celle solari al silicio?

Nonostante le alte prestazioni raggiunte dalle celle a base di Perovskite restano insoluti alcuni problemi riguardanti la sicurezza. Fondamentalmente si tratta di criticità riguardanti da una parte la presenza di elementi tossici come il piombo e dall’altra la stabilità dei dispositivi.

Immagine 2 - Il prof. Michael Graetzel mentre tiene in mano una cella solare basata sulla perovskite. Credits: Alain Herzog/EPFL

Celle solari ibride

Gli scienziati sostengono che sia possibile aumentare le prestazioni dei pannelli solari convenzionali depositando strati di perovskite direttamente sul silicio in modo da realizzare celle solari ibride, questo potrebbe aumentare l’efficienza delle celle solari basate sul silicio.

L’efficienza potrebbe superare il 30%, gli scienziati sostengono che il limite teorico di efficienza sia del 44% circa. Il miglioramento delle prestazioni potrebbe arrivare grazie al maggiore sfruttamento dell’energia solare: i raggi luminosi con energia più elevata verrebbero assorbiti dallo strato superiore di perovskite mentre i raggi solari con energia più bassa attraverserebbero lo strato di perovskite per essere assorbiti dallo strato di silicio.

Il prof. Graetzel è conosciuto per aver coinventato insieme al dott. Brian O'Regan le celle solari a colorante organico (dye-sensitized solar cell, DSSC).

Questo tipo di celle solari sono costituite da diversi strati, un livello poroso di nanoparticelle di biossido di titanio (TiO2) impregnato di colorante (materiale che serve ad assorbire la luce solare); il biossido di titanio è immerso in una soluzione elettrolitica e al di sopra di essa è posizionato un catalizzatore (generalmente a base di grafite o platino).

Tutti gli strati vengono racchiusi tra due vetri conduttori che si comportano da fotoanodo (vetro conduttore + TiO2) e catodo (vetro conduttore + strato del catalizzatore).

Immagine 3 - Illustrazione schematica di una cella solare a colorante organico Credits: Di M. R. Jones - Original Work, Pubblico dominio, Wikimedia Commons.

Le prime celle solari alla perovskite sono state realizzate partendo proprio dalle celle DSSC. Al posto del colorante sono state collocate minuscole particelle di perovskite.

Uno degli ultimi prototipi di celle alla perovskite realizzati nel laboratorio del prof. Graetzel ha grosso modo le dimensioni di una scheda di memoria SD, assomiglia a un pezzo di vetro che è stato oscurato da un lato tramite una sottile pellicola di perovskite.

A differenza delle celle a colorante organico DSSC le celle solari basate sulla perovskite sono opache.

Come realizzare una cella solare alla perovskite

Il primo passo per creare una cella solare a base di perovskite è quello di far crescere i cristalli di perovskite.

I cristalli di forma cubica della perovskite hanno una struttura speciale con formula generica ABX3 (A e B = cationi, X = anione) che ospita una grande varietà di elementi e mostra una grande varietà di proprietà fisiche. Il minerale detto "perovskite" prende il nome dal mineralista russo Lev Perovski.

Immagine 4 - Struttura cristallina delle perovskiti CH3NH3PbX3 (metilammonio-triioduro piombo) Credits by Christopher Eames et al. - http://www.nature.com/ncomms/2015/150624/ncomms8497/full/ncomms8497.html, CC BY 4.0, Wikimedia Commons

Gli scienziati hanno prima disciolto una selezione di composti in un liquido per realizzare un "inchiostro". Successivamente questo inchiostro è stato deposto su un particolare tipo di vetro che è in grado di condurre elettricità.

Il vetro viene riscaldato per far asciugare l'inchiostro, si crea così una sottile pellicola. Il risultato finale è un sottile strato di cristalli di perovskite.

La parte difficile sta consiste nel far depositare una sottile pellicola di cristalli di perovskite in modo che la cella solare risultante è in grado di assorbire la massima quantità di luce.

Gli scienziati stanno cercando di realizzare strati di perovskite sempre più fini e regolari, con una dimensione più grande dei cristalli, al fine di aumentare il rendimento di questo tipo di celle fotovoltaiche.

Per esempio, ruotando la cella quando l'inchiostro è ancora umido fa appiattire l'inchiostro rimuovendo in questo modo il liquido in eccesso, questo porta alla produzione di pellicole più regolari.

Una nuova tecnica di evaporazione sotto vuoto utilizzata dal team di Graetzel permette inoltre di rimuovere in maniera selettiva la parte volatile del liquido in eccesso. Allo stesso tempo la tecnica crea dei semi per la formazione dei cristalli, si realizzano così cristalli di perovskite molto regolari ad alta qualità elettronica.