I ricercatori sull'energia solare dell'Oregon State University stanno puntando i riflettori scientifici sui materiali con una struttura cristallina scoperta quasi due secoli fa.

Non tutti i materiali con la struttura, note come perovskiti, sono semiconduttori. Ma le perovskiti basate su un metallo e un alogeno sono, e hanno un enorme potenziale come celle fotovoltaiche che potrebbero essere molto meno costose da realizzare rispetto alle celle a base di silicio che hanno posseduto il mercato sin dal suo inizio negli anni '50.

abbastanza potenziale, dicono i ricercatori, forse un giorno incidere significativamente nella quota dei combustibili fossili del settore energetico.

John Labram dell'OSU College of Engineering è l'autore corrispondente di due recenti articoli sulla stabilità della perovskite, in Fisica delle comunicazioni e il Journal of Physical Chemistry Letters , e ha anche contribuito a un articolo pubblicato oggi in Scienza .

Lo studio in Scienza , guidato da ricercatori dell'Università di Oxford, ha rivelato che un additivo molecolare, un sale basato sul composto organico piperidina, migliora notevolmente la longevità delle celle solari a perovskite.

I risultati delineati in tutti e tre gli articoli approfondiscono la comprensione di un promettente semiconduttore che deriva da una scoperta molto tempo fa di un mineralogista russo. Negli Urali nel 1839, Gustav Rose si imbatté in un ossido di calcio e titanio con un'intrigante struttura cristallina e lo chiamò in onore del nobile russo Lev Perovski.

Perovskite ora si riferisce a una gamma di materiali che condividono il reticolo cristallino dell'originale. L'interesse per loro ha iniziato ad accelerare nel 2009 dopo che uno scienziato giapponese, Tsutomu Miyasaka, scoperto che alcune perovskiti sono efficaci assorbitori di luce.

"A causa del loro basso costo, le celle solari in perovskite hanno il potenziale per ridurre i combustibili fossili e rivoluzionare il mercato dell'energia, " Labram ha detto. "Un aspetto poco compreso di questa nuova classe di materiali, però, è la loro stabilità sotto illuminazione costante, un problema che rappresenta un ostacolo alla commercializzazione."

Negli ultimi due anni, Il gruppo di ricerca di Labram presso la School of Electrical Engineering and Computer Science ha costruito un apparato sperimentale unico per studiare i cambiamenti nella conduttanza dei materiali solari nel tempo.

"Collaborando con l'Università di Oxford, abbiamo dimostrato che l'instabilità indotta dalla luce si verifica per molte ore, anche in assenza di contatto elettrico, " ha detto. "I risultati aiutano a chiarire risultati simili osservati nelle celle solari e rappresentano la chiave per migliorare la stabilità e la fattibilità commerciale delle celle solari in perovskite".

L'efficienza della cella solare è definita dalla percentuale di energia dalla luce solare che colpisce una cella che viene convertita in energia elettrica utilizzabile.

Sette decenni fa, Bell Labs ha sviluppato la prima cella solare pratica. Aveva un modesto per gli standard odierni, efficienza del 6% ed era costoso da realizzare, ma ha trovato una nicchia nell'alimentare i satelliti lanciati durante i nascenti giorni della corsa allo spazio.

Col tempo, i costi di produzione sono diminuiti e le efficienze sono aumentate, anche se la maggior parte delle celle non è cambiata molto, sono ancora costituite da due strati di silicio quasi puro drogato con un additivo. Assorbe la luce, usano l'energia da esso per creare una corrente elettrica attraverso la giunzione tra di loro.

Nel 2012, uno dei collaboratori di Labram, Henry Snaith di Oxford, ha fatto la scoperta rivoluzionaria che le perovskiti potrebbero essere utilizzate come componente principale nelle celle solari, piuttosto che solo come sensibilizzante. Ciò ha portato a una tempesta di attività di ricerca e alla pubblicazione di migliaia di articoli scientifici ogni anno sull'argomento. Otto anni di ricerche dopo, le celle di perovskite possono ora funzionare con un'efficienza del 25%, rendendole almeno in laboratorio, alla pari con le celle al silicio commerciali.

Le celle di perovskite possono essere fabbricate a buon mercato da prodotti chimici e metalli industriali comunemente disponibili e possono essere stampate su pellicole flessibili di plastica e prodotte in serie. Cellule di silicio, al contrario, sono rigidi e realizzati con fette sottili di silicio quasi puro in un costoso, processo ad alta temperatura.

Un problema con le perovskiti è la loro tendenza ad essere in qualche modo instabili quando le temperature aumentano, e un altro è una vulnerabilità all'umidità, una combinazione che può far decomporre le cellule. Questo è un problema per un prodotto che deve durare due o tre decenni all'aria aperta.

"Generalmente, poter vendere un pannello solare negli Stati Uniti e in Europa richiede una garanzia di 25 anni, " Labram ha detto. "Ciò che significa in realtà è che la cella solare dovrebbe mostrare non meno dell'80% delle sue prestazioni originali dopo 25 anni. La tecnologia attuale, silicio, è abbastanza buono per quello. Ma il silicio deve essere prodotto in modo costoso a temperature superiori a 2, 000 gradi Celsius in condizioni controllate, per formare perfetto, cristalli privi di difetti, quindi funzionano correttamente."

Le perovskiti, d'altra parte, sono altamente tolleranti ai difetti, ha detto Labram.

"Si possono sciogliere in un solvente, poi stampato a temperatura ambiente, " ha detto. "Ciò significa che potrebbero eventualmente essere prodotti a una frazione del costo del silicio, e quindi sottosquadro i combustibili fossili. Però, perché questo accada, devono essere certificabili con una garanzia di 25 anni. Questo ci richiede di comprendere e migliorare la stabilità di questi materiali".

Un percorso verso il mercato è una cella tandem fatta sia di silicio che di perovskite che potrebbe trasformare più spettro della luce solare in energia. I test di laboratorio su celle tandem hanno prodotto efficienze del 28%, e le efficienze a metà degli anni '30 sembrano realistiche, ha detto Labram.

"Le celle tandem potrebbero consentire ai produttori di pannelli solari di offrire prestazioni superiori a qualsiasi cosa possa raggiungere il solo silicio, " ha detto. "Il duplice approccio potrebbe aiutare a rimuovere la barriera all'ingresso delle perovskiti nel mercato, sulla strada per le perovskiti che alla fine agiscono come cellule autonome".

Semi trasparente, le pellicole di perovskite potranno un giorno essere utilizzate anche su finestre, o nelle serre, convertire parte della luce solare in entrata in elettricità lasciando passare il resto.

"Quando si tratta di generazione di energia, il costo è il fattore più importante, " Labram ha detto. "Silicio e perovskiti ora mostrano più o meno la stessa efficienza. A lungo termine, però, Le celle solari in perovskite hanno il potenziale per essere realizzate a una frazione del costo delle celle solari in silicio. E mentre la storia ci ha mostrato che l'azione politica sul cambiamento climatico è in gran parte inefficace, se puoi generare elettricità da fonti rinnovabili a un costo inferiore rispetto ai combustibili fossili, tutto quello che devi fare è realizzare il prodotto, poi il mercato farà il resto".