Le celle solari in perovskite completamente inorganiche sono costruite in diversi strati. Lo strato inferiore è di vetro, che ha uno spessore di diversi millimetri. Il secondo strato è un materiale conduttivo trasparente chiamato FTO. Poi arriva uno strato sensibile agli elettroni fatto di ossido di titanio. Il quarto strato è la perovskite fotoattiva. Finalmente, lo strato superiore è in carbonio. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Le nuove celle solari in perovskite completamente inorganiche affrontano tre sfide chiave nella tecnologia delle celle solari:efficienza, stabilità, e costo.
Sfruttando l'energia del sole, che emette energia immensamente potente dal centro del sistema solare, è uno degli obiettivi chiave per raggiungere un approvvigionamento energetico sostenibile.
L'energia luminosa può essere convertita direttamente in elettricità utilizzando dispositivi elettrici chiamati celle solari. Ad oggi, la maggior parte delle celle solari sono fatte di silicio, un materiale che è molto bravo ad assorbire la luce. Ma i pannelli di silicio sono costosi da produrre.
Gli scienziati hanno lavorato su un'alternativa, realizzati con strutture di perovskite. Vera perovskite, un minerale trovato nella terra, è composto da calcio, titanio e ossigeno in una disposizione molecolare specifica. I materiali con la stessa struttura cristallina sono chiamati strutture perovskite.
Le strutture di perovskite funzionano bene come strato attivo di raccolta della luce di una cella solare perché assorbono la luce in modo efficiente ma sono molto più economiche del silicio. Possono anche essere integrati in dispositivi utilizzando apparecchiature relativamente semplici. Ad esempio, possono essere sciolti in solvente e spruzzati direttamente sul supporto.
Le celle solari perovskite non sono ancora state prodotte su scala commerciale. Attualmente, le nuove celle solari in perovskite dell'OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit sono abbastanza piccole da permettere al dottor Liu di tenerle nel palmo della sua mano. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
I materiali realizzati con strutture di perovskite potrebbero potenzialmente rivoluzionare i dispositivi a celle solari, ma hanno un grave inconveniente:sono spesso molto instabili, deteriorandosi per esposizione al calore. Ciò ha ostacolato il loro potenziale commerciale.
L'Unità per i materiali energetici e le scienze delle superfici presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), guidato dal Prof. Yabing Qi, ha sviluppato dispositivi utilizzando un nuovo materiale perovskite stabile, efficiente e relativamente economico da produrre, aprendo la strada al loro utilizzo nelle celle solari di domani. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato su Materiali energetici avanzati . Gli studiosi post-dottorato Dr. Jia Liang e Dr. Zonghao Liu hanno dato importanti contributi a questo lavoro.
Questo materiale ha diverse caratteristiche chiave. Primo, è completamente inorganico – un cambiamento importante, perché i componenti organici di solito non sono termostabili e si degradano con il calore. Poiché le celle solari possono diventare molto calde al sole, la stabilità al calore è fondamentale. Sostituendo le parti organiche con materiali inorganici, i ricercatori hanno reso le celle solari in perovskite molto più stabili.
"Le celle solari sono quasi invariate dopo l'esposizione alla luce per 300 ore, "dice il dottor Zonghao Liu, un autore sulla carta.
Dr. Longbin Qiu (a sinistra) e Dr. Zonghao Liu (a destra), entrambi ricercatori post-dottorato dell'Unità di materiali energetici e scienze delle superfici, contenere celle solari realizzate con il loro nuovo materiale perovskite. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Le celle solari in perovskite completamente inorganiche tendono ad avere un assorbimento di luce inferiore rispetto agli ibridi organico-inorganici, però. È qui che entra in gioco la seconda caratteristica:i ricercatori dell'OIST hanno drogato le loro nuove cellule con manganese per migliorare le loro prestazioni. Il manganese modifica la struttura cristallina del materiale, aumentando la sua capacità di raccolta leggera.
"Proprio come quando aggiungi sale a un piatto per cambiarne il sapore, quando aggiungiamo il manganese, cambia le proprietà della cella solare, "dice Liù.
In terzo luogo, in queste celle solari, gli elettrodi che trasportano la corrente tra le celle solari e i fili esterni sono in carbonio, piuttosto che del solito oro. Tali elettrodi sono significativamente più economici e più facili da produrre, in parte perché possono essere stampati direttamente sulle celle solari. Fabbricazione di elettrodi d'oro, d'altra parte, richiede alte temperature e attrezzature speciali come una camera a vuoto.
Immagine al microscopio elettronico di celle solari perovskite, mostrando i diversi strati. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Ci sono ancora una serie di sfide da superare prima che le celle solari in perovskite diventino commercialmente valide come le celle solari al silicio. Per esempio, mentre le celle solari in perovskite possono durare uno o due anni, le celle solari al silicio possono funzionare per 20 anni.
Qi e i suoi colleghi continuano a lavorare sull'efficienza e la durata di queste nuove celle, e stanno anche sviluppando il processo di fabbricazione su scala commerciale. Data la rapidità con cui la tecnologia si è sviluppata da quando è stata segnalata la prima cella solare a perovskite nel 2009, il futuro per queste nuove cellule sembra luminoso.
