Grazie ad una innovativa cella completamente in perovskite, un team di ricercatori è riuscito ad innalzare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici battendo tutti i record precedenti. Riusciremo un giorno a sfruttare a pieno l’energia del nostro Sole?
Come tutti ben sappiamo l’energia solare è una fonte rinnovabile e pulita – fino ad un certo punto, stiamo comunque trascurando l’impatto della produzione dei pannelli fotovoltaici che può essere anche abbastanza elevato – tuttavia è affetta da un grande problema intrinseco che impedisce la sua adozione in numerosi ambiti pratici ovvero l’efficienza dei pannelli fotovoltaici. Ad oggi con la tecnologia a silicio si raggiungono al massimo, nei prodotti commerciali testati a 25 °C, rendimenti compresi tra il 19% e il 21%. Questo significa che del totale dell’energia proveniente dal Sole che irraggia il pannello, solo un quinto al massimo viene trasformata in energia elettrica utilizzabili; la restante viene dissipata nell’ambiente sotto forma di calore.
Risultati più promettenti arrivano dall’uso della perovskite per aumentare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici. Riportiamo di seguito alcune interessanti nozioni sui pannelli fotovoltaici che ci aiuteranno a comprendere meglio i risultati di questo nuovo studio.
Pannelli fotovoltaici: principio di funzionamento
I pannelli fotovoltaici si basano sull’effetto fotovoltaico, un caso particolare di effetto fotoelettrico che valse il Nobel per la Fisica ad Albert Einstein nel 1921. Essenzialmente ai tempi esso fu una prova determinante per dimostrare la natura quantistica della radiazione elettromagnetica, ma oggi gioca invece un ruolo fondamentale nell’efficienza dei pannelli fotovoltaici.
L’effetto fotoelettrico può essere descritto in maniera molto semplice, partendo dal modello atomico per bande di energia (in poche parole gli elettroni vengono classificati in base all’energia che possiedono: se hanno una certa energia, si trovano in una determinata banda e possono fare certe cose): quanto una radiazione elettromagnetica colpisce un elettrone, esso acquista energia e può passare dalla banda di valenza a quella di conduzione – ovvero può allontanarsi dal suo atomo originale e correre lungo il reticolo cristallino generando una corrente. In realtà poi le cose cono abbastanza complesse: ad esempio l’energia che l’elettrone deve assorbire varia molto a seconda del materiale, ma è proprio questo l’elemento chiave per aumentare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici. Fino si sono utilizzati soprattutto i semiconduttori e nello specifico il silicio. Se qualcuno mastica un po’ di elettronica l’idea è quella di creare un diodo polarizzato inversamente che grazie all’effetto fotoelettrico genera portatori maggioritari che possono essere sfruttati semplicemente connettendo anodo e catodo.
Comunque sia il problema è che un singolo materiale tende ad assorbire solo una banda stretta dello spettro luminoso. Per spingere sull’efficienza dei pannelli solari si possono creare le cosiddette celle tandem che tentano di unire diversi materiali per aumentare lo spettro di assorbimento. E qui entro in gioco la nostra perovskite.
Effetto fotoelettrico
Perovskite: una buona idea
Quando Gustave Rose nel 1840 scoprì la perovskite – nome coniato in onore di Lev Perovskij, grande collezionista di minerali e Ministro della Corte Imperiale russa – si faceva riferimento ad un doppio ossido di calcio e titanio (CaTiO3). Successivamente si scoprì che questa particolare struttura cristallina poteva ospitare una grande quantità di elementi diversi, dando origine ad una intera classe di minerali tutti correlati alla perovskite che hanno una enorme variabilità di proprietà fisiche. Forse anche un ampio spettro di assorbimento della luce. Proprio quello che serviva. Vediamo quindi più nel dettaglio cos’hanno fatto i ricercatori.
Un minerale di perovskite grezzo
Efficienza pannelli fotovoltaici: la svolta della perovskite
un team di ricerca congiunto della Nanjing University in Cina e della University of Toronto in Canada ha recentemente fabbricato una cella solare tandem completamente realizzata con delle strutture in perovskite. Lo studio pubblicato su Nature Energy punta a migliorare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici del futuro. Già i primi risultati hanno battuto tutti i record di rendimento. Hairen Tan, il ricercatore responsabile dello studio, ha dichiarato a TechXplore:
L’idea iniziale di questa ricerca era quella di realizzare celle solari in tandem con la perovskite che potrebbero aumentare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici realizzati con perovskite a giunzione singola.
I minerali con la stessa struttura della perovskite vengono chiamati perovskiti. Negli ultimi anni, diversi team di ricerca in tutto il mondo hanno cercato di sviluppare celle solari utilizzando questo materiale, utilizzando tipicamente perovskiti a banda larga (~ 1,8 eV) o a banda stretta (~ 1,2 eV). La fabbricazione delle celle solari in perovskite combina minerali della classe delle perovskiti a banda larga con quelli a banda stretta – infatti alcune lunghezze d’onda tendono ad essere assorbite con meno efficienza e quindi possono essere ricatturate da uno strato di materiale successivo – portando ad una maggiore efficienza dei pannelli fotovoltaici, senza aumentare i costi di produzione. Per costruire questo nuovo tipo di cella solare, tuttavia, i ricercatori hanno dovuto trovare un modo per migliorare le prestazioni di ciascuna sottoclasse di materiali, integrando al contempo sinergicamente le celle a banda larga e banda stretta. Tan spiega:
Sfortunatamente, celle solari perovskite a banda stretta Pb-Sn precedentemente studiate hanno mostrato bassa efficienza (PCE Power Conversion Efficiency ~ 18-20 percento) e bassa densità di corrente di cortocircuito (Jsc ~ 28-30 mA / cm2 ). Questi valori sono ben al di sotto del reale potenziale e al di sotto delle prestazioni delle migliori cellule di perovskite a singola giunzione basate su Pb.
La nuova cella tandem sviluppata
Il motivo principale delle scarse prestazioni osservate nelle celle solari a banda stretta precedentemente sviluppate è che uno dei loro componenti chiave, noto come Sn 2+ , si ossida facilmente in Sn 4+ . Di conseguenza il materiale risultano risultante presenta elevate densità di trappole ovvero ostacoli alla propagazione della corrente, tipicamente sono ioni nel reticolo cristallino con elevata carica elettrica, e questo limita l’efficienza dei pannelli fotovoltaici. Nel loro studio, Tan e i suoi colleghi volevano identificare soluzioni che potessero aiutare a superare questa limitazione. Tan spiega:
Il nostro obiettivo principale in questo lavoro è avviare una strategia per allargare la diffusione delle celle solari perovskite a banda stretta e quindi ottenere celle solari in tandem meglio eseguite. Le lacune di Sn sono in genere causati dall’incorporazione di Sn 4+ (un prodotto dell’ossidazione di Sn 2+ ) nei perovskiti Pb-Sn misti. Abbiamo ritenuto che una nuova strategia per prevenire l’ossidazione di Sn 2+ nella soluzione precursore potrebbe migliorare notevolmente la lunghezza di diffusione dei portatori di carica.
Sostanzialmente i ricercatori hanno lavorato per permettere ai portatori di carica di propagarsi il più a lungo possibile lungo il materiale, abbastanza da raggiungere in quantità notevoli il circuito esterno. Tan e i suoi colleghi hanno raggiunto una lunghezza di diffusione di 3 μm; un risultato notevole che consente alle nuove celle di aumentare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici. Tan prosegue nella spiegazione:
Abbiamo raggiunto questo obiettivo sviluppando una strategia di soluzione precursore a stagno ridotto che restituisce Sn 4+ (un prodotto di ossidazione di Sn 2+ ) a Sn 2+ tramite una reazione di sproporzione nella soluzione precursore.
L’ossidazione delle perovskiti contenenti stagno è stato un problema cruciale per lo sviluppo di celle solari con un componente di perovskite, poiché può influire negativamente sulle loro prestazioni e quindi ostacolarne l’applicazione in una varietà di ambienti. Il nuovo approccio chimico introdotto da Tan e dai suoi colleghi fornisce una via alternativa per fabbricare celle solari in tandem usando perovskite a banda stretta contenente stagno, che porta a celle più stabili ed efficienti.
Schema semplificato di celle solari tandem utilizzate per aumentare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici
Nel loro studio, Tan e i suoi colleghi hanno usato il loro approccio chimico per fabbricare cellule tandem monolitiche di perovskite e poi hanno testato le loro prestazioni. Hanno scoperto che le loro celle in tandem hanno ottenuto impressionanti PCE con certificazione indipendente del 24,8 percento per dispositivi di piccole aree (0,049 cm2 ) e del 22,1 percento per dispositivi di grandi aree (1,05 cm2 ). Inoltre, le celle hanno mantenuto il 90 percento delle loro prestazioni dopo aver funzionato per oltre 400 ore al loro punto di massima potenza in piena illuminazione solare. In futuro, l’approccio introdotto da questo team di ricercatori potrebbe informare lo sviluppo di dispositivi ad energia solare più efficienti ed economici. Tan conclude:
Il nostro lavoro evidenzia anche che la qualità elettronica delle perovskiti contenenti stagno può essere paragonabile a quella delle perovskiti agli alogenuri di piombo che ha dimostrato un’efficienza simile alle celle di silicio cristallino. Non abbiamo dubbi sul fatto che il nostro approccio tandem ci offrirà finalmente una strada per dispositivi solari molto economici ma altamente efficienti. Ora abbiamo in programma di migliorare ulteriormente l’efficienza della conversione di energia delle celle solari in tandem all-perovskite oltre il 28%. Il primo modo possibile per raggiungere questo obiettivo sarà ridurre la perdita di fotovoltaggio nella cella solare perovskite a banda larga. Un’altra possibilità è ridurre le perdite ottiche nella giunzione di ricombinazione del tunneling.
Celle solari più efficienti ed economiche consentirebbero una maggiore diffusione dell’energia pulita ed a basso costo, da integrare in ogni abitazione e perfino in smart device. Dalla sezione scienze è tutto! Speriamo di portare presto la luce nel mondo dell’efficienza dei pannelli fotovoltaici!
Lascia un commento