Le attuali tecnologie solari non sono abbastanza buone. Antonio Garcia su Unsplash, FAL

La domanda di elettricità più economica e più verde significa che il panorama energetico sta cambiando più velocemente che in qualsiasi altro momento della storia. Ciò è particolarmente vero per elettricità a energia solare ed conservazione della batteria. Il costo di entrambi è sceso a tassi senza precedenti negli ultimi dieci anni e le tecnologie ad alta efficienza energetica come Illuminazione a LED si sono anche espansi.

L'accesso all'energia solare economica e onnipresente e allo stoccaggio trasformerà il modo in cui produciamo e utilizziamo l'energia, consentendo l'elettrificazione del settore dei trasporti. Esiste un potenziale per nuove economie basate sulla chimica in cui noi immagazzinare energia rinnovabile come combustibilee supportare nuovi dispositivi che costituiscono un "Internet delle cose".

Ma le nostre attuali tecnologie energetiche non ci porteranno a questo futuro: presto raggiungeremo limiti di efficienza e costi. Il potenziale per future riduzioni nel costo dell'elettricità da solare al silicio, ad esempio, è limitato. La produzione di ogni pannello richiede una discreta quantità di energia e le fabbriche lo sono costoso da costruire. E sebbene il costo di produzione possa essere spremuto un po 'di più, i costi di un impianto solare lo sono ora dominato dagli extra - installazione, cablaggio, elettronica e così via.

Ciò significa che è improbabile che gli attuali sistemi di energia solare soddisfino la frazione richiesta dei nostri requisiti energetici globali di 30 TeraWatt (TW) (oggi producono meno di 1 TW) abbastanza veloce per affrontare questioni come il cambiamento climatico.

Allo stesso modo, le nostre attuali tecnologie di illuminazione e display a LED sono troppo costose e non hanno una qualità del colore sufficientemente buona per sostituire realisticamente l'illuminazione tradizionale in un lasso di tempo sufficientemente breve. Questo è un problema, come l'illuminazione rappresenta attualmente 5% delle emissioni mondiali di carbonio. Sono necessarie nuove tecnologie per colmare questa lacuna, e rapidamente.

Perovskiti alogenuri

Il nostro laboratorio a Cambridge, Inghilterra, sta lavorando con una nuova promettente famiglia di materiali nota come perovskiti alogenuri. Sono semiconduttori, che conducono cariche quando stimolati dalla luce. Gli inchiostri perovskite vengono depositati su vetro o plastica per creare film estremamente sottili - circa un centesimo della larghezza di un capello umano - costituiti da metallo, alogenuri e ioni organici. Quando sono inseriti tra i contatti degli elettrodi, questi film producono celle solari o dispositivi LED.

Sorprendentemente, il colore della luce che assorbono o emettono può essere modificato semplicemente modificando la loro struttura chimica. Modificando il modo in cui li coltiviamo, possiamo adattarli per essere più adatti ad assorbire la luce (per un pannello solare) o emettere luce (per un LED). Questo ci consente di realizzare celle solari di colore diverso e LED che emettono luce dall'ultravioletto, fino al visibile e al vicino infrarosso.

Nonostante la loro lavorazione economica e versatile, questi materiali hanno dimostrato di essere notevolmente efficienti sia come celle solari che come emettitori di luce. Colpite le celle solari in perovskite 25.2% di efficienza nel 2019, sulla scia delle celle di silicio cristallino al 26.7%, ei LED perovskite lo sono già si avvicina prestazioni del diodo organico a emissione di luce (OLED) standard.

Queste tecnologie sono rapidamente commercializzato, in particolare sul fronte delle celle solari. Oxford Photovoltaics, con sede nel Regno Unito, ha ha costruito una linea di produzione e sta riempiendo i suoi primi ordini di acquisto nei primi mesi del 2021. La società polacca Saule Technologies ha rilasciato prototipi di prodotti alla fine del 2018, tra cui un pilota di facciata solare in perovskite. Il produttore cinese Microquanta Semiconductor prevede di produrre più di 200,000 metri quadrati di pannelli nella sua linea di produzione prima della fine dell'anno. Swift Solar (un'azienda che ho co-fondato) con sede negli Stati Uniti è all'avanguardia Alte prestazioni cellule con proprietà leggere e flessibili.

Inchiostri a perovskite colorati che emettono luce che possono essere colati in film sottili. © Sandep Pathak, Autore previsto

Tra queste e altre società, si stanno compiendo rapidi progressi.

Finestre solari e pannelli flessibili

A differenza delle celle di silicio convenzionali, che devono essere molto uniformi per un'elevata efficienza, le pellicole di perovskite sono composte da mosaico "grani" di dimensioni altamente variabili (da nanometri a millimetri) e chimica - eppure hanno prestazioni quasi altrettanto buone oggi delle migliori celle di silicio. Inoltre, piccole macchie o difetti nei film di perovskite non portano a perdite di potenza significative. Tali difetti sarebbero catastrofici per un pannello di silicio o un LED commerciale.

Sebbene stiamo ancora cercando di capirlo, questi materiali stanno costringendo la comunità a riscrivere il libro di testo per quello che consideriamo un semiconduttore ideale: possono avere proprietà ottiche ed elettroniche molto buone nonostante - o forse anche a causa di - disordine.

Potremmo ipoteticamente utilizzare questi materiali per realizzare celle solari colorate "di design" che si integrano con edifici o case, o finestre solari che sembrano vetro colorato ma generano energia.

Ma la vera opportunità è sviluppare celle altamente efficienti oltre l'efficienza delle celle al silicio. Ad esempio, possiamo sovrapporre due diversi film di perovskite colorati insieme in un file Cella solare “tandem”. Ogni strato raccoglierebbe diverse regioni dello spettro solare, aumentando l'efficienza complessiva della cella.

Un altro esempio è ciò che Oxford PV sta sperimentando: l'aggiunta di uno strato di perovskite sopra una cella di silicio standard, aumentando l'efficienza della tecnologia esistente senza significativi costi aggiuntivi. Questi approcci di stratificazione tandem potrebbero creare rapidamente un file aumento dell'efficienza di pannelli solari oltre il 30%, il che ridurrebbe sia i costi del pannello che del sistema riducendo anche i impronta energetica.

Questi strati di perovskite sono anche in fase di sviluppo per produrre pannelli solari flessibili che possono essere lavorati in rotoli come carta da giornale, ulteriormente riduzione dei costi. Il solare leggero e ad alta potenza apre anche la possibilità di alimentare veicoli elettrici e satelliti di comunicazione.

Prototipo di cella solare flessibile in perovskite. Plamen Petkov per Scientific American

Per i LED, le perovskiti possono ottenere risultati fantastici qualità del colore che potrebbe portare ad avanzato tecnologie di visualizzazione flessibili. Le perovskiti potrebbero anche fornire una qualità più economica e superiore illuminazione bianca rispetto ai LED commerciali odierni, con la "temperatura colore" di un globo in grado di essere fabbricato per fornire luce bianca fredda o calda o qualsiasi tonalità desiderata nel mezzo. Stanno anche generando eccitazione come elementi costitutivi per futuri computer quantistici, così come Rilevatori di raggi X. per imaging medico e di sicurezza a dosi estremamente basse.

Sebbene i primi prodotti stiano già emergendo, ci sono ancora delle sfide. Una questione chiave sta dimostrando stabilità a lungo termine. Ma la ricerca è promettente e, una volta risolti, i perovskiti alogenuri potrebbero davvero spingere la trasformazione della nostra produzione e consumo di energia.

L'autore

Sam Stranks, docente di Energy and Royal Society University Research Fellow, Università di Cambridge

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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