Qual è il grosso problema che le doppie celle solari di Perovskite possano rivaleggiare con il silicio

Un nuovo design per celle solari che utilizza materiali economici e comunemente disponibili potrebbe rivaleggiare e persino superare le celle convenzionali in silicio.

Gli scienziati hanno utilizzato lo stagno e altri elementi abbondanti per creare nuove forme di perovskite, un materiale cristallino fotovoltaico più sottile, più flessibile e più facile da produrre rispetto ai cristalli di silicio. Riferiscono la loro ricerca sulla rivista Scienze.

"I semiconduttori di Perovskite hanno mostrato grandi promesse per la realizzazione di celle solari ad alta efficienza a basso costo", afferma il coautore dello studio Michael McGehee, professore di scienza dei materiali e ingegneria presso la Stanford University. "Abbiamo progettato un dispositivo robusto, all-perovskite che converte la luce solare in energia elettrica con un'efficienza di 20.3 per cento, un tasso paragonabile alle celle solari al silicio presenti oggi sul mercato."

Doppia pila di perovskite

Il nuovo dispositivo è costituito da due celle solari di perovskite impilate in tandem. Ogni cella è stampata su vetro, ma la stessa tecnologia potrebbe essere utilizzata per stampare le celle su plastica.

"Le celle tandem all-perovskite che abbiamo dimostrato delineano chiaramente una roadmap per le celle solari a film sottile per fornire un'efficienza percentuale di 30", dice il coautore Henry Snaith, professore di fisica alla Oxford University. "Questo è solo l'inizio."


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Studi precedenti hanno dimostrato che l'aggiunta di uno strato di perovskite può migliorare l'efficienza delle celle solari al silicio. Ma un dispositivo tandem costituito da due cellule all-perovskite sarebbe più economico e meno energivoro da costruire, dicono gli scienziati.

"Un pannello solare in silicio inizia convertendo la silice in cristalli di silicio attraverso un processo che coinvolge temperature superiori a 3,000 gradi Fahrenheit (1,600 gradi Celsius)", afferma l'autore del colead Tomas Leijtens, uno studioso postdottorato a Stanford. "Le cellule di perovskite possono essere processate in laboratorio da materiali comuni come piombo, stagno e bromo, quindi stampate su vetro a temperatura ambiente."

Una sfida difficile

Ma costruire un dispositivo tandem all-perovskite è stata una sfida difficile. Il problema principale è la creazione di materiali perovskite stabili in grado di catturare abbastanza energia dal sole per produrre una tensione decente.

Una tipica cellula di perovskite raccoglie fotoni dalla parte visibile dello spettro solare. I fotoni ad alta energia possono far sì che gli elettroni nel cristallo di perovskite saltino attraverso un "gap energetico" e creino una corrente elettrica.

Una cella solare con un piccolo spazio energetico può assorbire la maggior parte dei fotoni ma produce una tensione molto bassa. Una cella con un gap energetico maggiore genera una tensione più alta, ma i fotoni a energia più bassa passano proprio attraverso di essa.

Un efficiente apparato tandem consisterebbe in due cellule perfettamente abbinate, afferma Giles Eperon, co-autore principale, uno studioso postdottorato di Oxford attualmente all'Università di Washington.

"La cella con il più ampio gap energetico assorbirebbe i fotoni di energia più alta e generare una tensione aggiuntiva", dice Eperon. "La cella con il divario energetico più piccolo può raccogliere fotoni che non vengono raccolti dalla prima cella e produrre ancora una tensione".

Problema di stabilità

Il divario minore ha dimostrato di essere la sfida più grande per gli scienziati. Lavorando insieme, Eperon e Leijtens hanno usato una combinazione unica di stagno, piombo, cesio, iodio e materiali organici per creare una cella efficiente con un piccolo intervallo energetico.

"Abbiamo sviluppato un nuovo perovskite che assorbe la luce a infrarossi a bassa energia e offre un'efficienza di conversione percentuale 14.8", afferma Eperon. "L'abbiamo poi combinato con una cella di perovskite composta da materiali simili ma con un gap energetico più ampio".

Il risultato: un dispositivo tandem costituito da due cellule perovskite con un'efficienza combinata di 20.3 per cento.

"Ci sono migliaia di possibili composti per perovskiti", dice Leijtens, "ma questo funziona molto bene, un po 'meglio di qualsiasi altro prima di esso."

Il trucco 'Colla' aumenta le celle solari di perovskite più grandi

Una preoccupazione per i perovskiti è la stabilità. I pannelli solari sul tetto in silicio durano tipicamente 25 anni o più. Ma alcuni perovskiti si degradano rapidamente se esposti a umidità o luce. In esperimenti precedenti, le perovskiti prodotte con stagno si sono rivelate particolarmente instabili.

Per valutare la stabilità, il team di ricerca ha sottoposto entrambe le cellule sperimentali a temperature di 212 gradi Fahrenheit (100 gradi Celsius) per quattro giorni.

"Fondamentalmente, abbiamo scoperto che le nostre cellule esibiscono un'eccellente stabilità termica e atmosferica, senza precedenti per le perovskiti a base di stagno", scrivono gli autori.

"L'efficienza del nostro dispositivo tandem è già molto superiore alle migliori celle solari tandem realizzate con altri semiconduttori a basso costo, come le piccole molecole organiche e il silicio microcristallino", afferma McGehee. "Chi vede il potenziale si rende conto che questi risultati sono sorprendenti."

Il passo successivo è ottimizzare la composizione dei materiali per assorbire più luce e generare una corrente ancora più elevata, afferma Snaith.

"La versatilità delle perovskiti, il basso costo dei materiali e della produzione, ora accoppiati con il potenziale per ottenere altissime efficienze, saranno trasformativi per l'industria fotovoltaica una volta dimostrata la producibilità e la stabilità accettabile", afferma.

Altri ricercatori di Stanford, Oxford, Hasselt University in Belgio e SunPreme Inc. sono coautori dello studio.

I finanziamenti provenivano da Graphene Flagship, The Leverhulme Trust, UK Engineering and Physical Sciences Research Council, European Union Seventh Framework Programme, Horizon 2020, US Office of Naval Research e Global Climate and Energy Project a Stanford.

Fonte: Università di Stanford

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