L'energia solare è stata a lungo considerata l'opzione più sostenibile per sostituire la nostra dipendenza dai combustibili fossili, ma le tecnologie per convertire l'energia solare in elettricità devono essere sia efficienti che poco costose.

Gli scienziati dell'Energy Materials and Surface Sciences Unit dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) credono di aver trovato una formula vincente in un nuovo metodo per fabbricare celle solari ad alta efficienza a basso costo. Il Prof. Yabing Qi e il suo team dell'OIST in collaborazione con il Prof. Shengzhong Liu della Shaanxi Normal University, Cina, sviluppato le cellule utilizzando i materiali e i composti che imitano la struttura cristallina della perovskite minerale naturale. Descrivono la loro tecnica in uno studio pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

In quello che il prof. Qi chiama "il triangolo d'oro, " Le tecnologie delle celle solari devono soddisfare tre condizioni per essere commercializzate:il loro tasso di conversione della luce solare in elettricità deve essere elevato, devono essere poco costosi da produrre, e devono avere una lunga durata. Oggi, la maggior parte delle celle solari commerciali sono realizzate in silicio cristallino, che ha un'efficienza relativamente alta di circa il 22%. Sebbene il silicio, la materia prima per queste celle solari, è abbondante, la lavorazione tende ad essere complessa e fa lievitare i costi di produzione, rendendo costoso il prodotto finito.

Perovskite offre una soluzione più conveniente, dice il prof. Qi. La perovskite è stata utilizzata per la prima volta per realizzare celle solari nel 2009 dal team di ricerca del Prof. Tsutomu Miyasaka presso la Toin University di Yokohama, Giappone, e da allora sta rapidamente acquisendo importanza. "La ricerca sulle cellule di perovskite è molto promettente. In soli nove anni, l'efficienza di queste celle è passata dal 3,8% al 23,3%. Altre tecnologie hanno impiegato oltre 30 anni di ricerca per raggiungere lo stesso livello, " spiega il prof. Qi. Il metodo di fabbricazione che lui e il suo gruppo di ricerca hanno sviluppato produce celle solari in perovskite con un'efficienza paragonabile alle celle in silicio cristallino, ma è potenzialmente molto più economico rispetto alla produzione di celle solari al silicio.

Per creare le nuove celle, i ricercatori hanno rivestito substrati conduttivi trasparenti con pellicole di perovskite che assorbono la luce solare in modo molto efficiente. Hanno utilizzato una tecnica basata sulla reazione gas-solido in cui il substrato viene prima rivestito con uno strato di triioduro di idrogeno piombo incorporato con una piccola quantità di ioni cloro e gas di metilammina, consentendo loro di realizzare in modo riproducibile pannelli uniformi di grandi dimensioni, ciascuno costituito da più celle solari.

Nello sviluppo del metodo, gli scienziati si sono resi conto che lo spessore dello strato di perovskite di 1 micron aumentava significativamente la vita utile della cella solare. "Le celle solari sono quasi invariate dopo aver lavorato per 800 ore, "dice il dottor Zonghao Liu, uno studioso post-dottorato nell'unità di ricerca del Prof. Qi presso l'OIST e il primo autore dello studio. Inoltre, un rivestimento più spesso non solo ha aumentato la stabilità delle celle solari, ma ha anche facilitato i processi di fabbricazione, abbassando così i suoi costi di produzione. "Lo strato assorbente più spesso garantisce una buona riproducibilità della fabbricazione delle celle solari, che è un vantaggio chiave per la produzione di massa in un ambiente realistico su scala industriale, "dice il dottor Liu.

La grande sfida che il Prof. Qi e il suo team devono affrontare ora è aumentare le dimensioni della loro cella solare di nuova concezione dal prototipo di 0,1 mm2 a grandi pannelli di dimensioni commerciali che possono essere lunghi diversi piedi. Questo è dove l'industria può aiutare. "Esiste un grande divario tra i risultati in laboratorio e la realtà, e l'industria non è sempre pronta a coprire l'intera lacuna da sola. Così, i ricercatori devono fare un ulteriore passo necessario oltre i loro laboratori e incontrare l'industria a metà strada, " dice il Prof. Qi.

Per fare quel passo, Il Prof. Qi e il team hanno ricevuto una generosa sovvenzione dal Centro per lo sviluppo e l'innovazione della tecnologia dell'OIST, nell'ambito del loro programma Proof of Concept. Con quel finanziamento, il team ha costruito un modello funzionante dei loro nuovi moduli solari in perovskite costituiti da più celle solari su substrati di 5 cm × 5 cm, con un'area attiva di 12 cm2- molto più grande del loro prototipo sperimentale ma più piccola di quanto richiesto per scopi commerciali. Sebbene il processo di upscaling abbia ridotto l'efficienza delle celle dal 20% al 15%, i ricercatori sono ottimisti sul fatto che saranno in grado di migliorare il loro modo di lavorare nei prossimi anni e di commercializzare con successo il loro uso.