Le celle solari convenzionali sono ancora costituite da silicio. Credito:unsplash
La perovskite a semiconduttore è vista come una nuova speranza per portare il prezzo di produzione delle celle solari al di sotto di quello del silicio utilizzato finora. Empa sta sviluppando nuovi processi di produzione per rendere le celle solari in perovskite non solo più economiche ma anche più veloci da produrre e renderle pronte per l'uso industriale.
Dallo sviluppo della prima cella solare a perovskite nel 2009, la sua efficienza è ora pari a quella di una cella al silicio convenzionale. Però, aveva ancora dei punti deboli all'inizio; Per esempio, per la sua struttura e i materiali utilizzati, è molto sensibile all'umidità, ossigeno, calore, Luce UV e stress meccanico. Questo rende la cella meno resistente. Michael Grätzel e Hongwei Han hanno trovato una soluzione a questo problema nel 2014, quando i due ricercatori dell'EPFL hanno sviluppato una cellula con una struttura mesoporosa di ossidi e carbonio. Ma questa idea non era ancora commerciabile.
Almeno fino ad ora:Frank Nüesch, Responsabile del Dipartimento Polimeri Funzionali dell'Empa, e il suo team hanno lavorato intensamente negli ultimi anni su nuovi processi di produzione proprio per queste celle solari al fine di produrle non solo più velocemente ma anche più economiche. A tal fine, i ricercatori hanno collaborato con Solaronix SA, una società con sede nella Svizzera occidentale, nell'ambito di un progetto dell'Ufficio federale dell'energia (UFE). Insieme hanno prodotto una cella di perovskite funzionale su scala di laboratorio con una superficie di 10x10 cm.
Sezione trasversale attraverso i diversi strati della cella solare perovskite al microscopio elettronico a scansione:i singoli strati sono sottilissimi, e i materiali porosi sono stati "riempiti" con perovskite nella fase finale. Credito:Empa
Slot-die invece della serigrafia
Per la produzione di questa nuova cella di perovskite, viene utilizzato il cosiddetto processo slot-die. Qui, lo strato di materiale viene applicato su un substrato di vetro e quindi strutturato rimuovendo il materiale in eccesso con un laser. "Con il nuovo processo di verniciatura, non solo possiamo rivestire più velocemente, ma anche determinare lo spessore degli strati in modo più flessibile, " dice Nüesch. In futuro, il processo slot-die consentirà di rivestire nastri lunghi un metro in modo relativamente facile e veloce. La velocità di rivestimento è poi anche l'elemento centrale in una possibile industrializzazione della produzione di celle di perovskite.
Un totale di cinque strati di materiali diversi, compreso l'ossido di titanio, zirconia e grafite, sono necessari per una tale cella. Considerando che nel processo di serigrafia utilizzato finora, gli strati devono essere essiccati e sinterizzati (cioè compattati) individualmente, il che richiede molto tempo ed energia, nel processo della matrice a fessura tutti gli strati possono essere applicati direttamente uno dopo l'altro e sinterizzati insieme. "Con questo nuovo processo possiamo 'stampare' sette volte più velocemente rispetto al precedente metodo di serigrafia, " spiega Nüesch. La cella solare perovskite ottiene il suo tocco finale applicando l'assorbitore di perovskite mediante stampa a getto d'inchiostro nel "Coating Competence Center" dell'Empa, la cosiddetta infiltrazione. Qui la perovskite non viene più applicata al substrato come uno strato solido , ma filtra attraverso tutti gli strati porosi della cella solare fino al fondo.
Lo slot die applica uno strato di carbonio al substrato di vetro. Ciò consente di applicare uno dopo l'altro tutti e cinque gli strati della cella solare e di asciugarli insieme. Con il tradizionale processo di serigrafia, ogni strato doveva essere asciugato separatamente per almeno un'ora. Credito:Empa
Una collaborazione di successo
Nello sviluppo del nuovo processo, il team Empa ha lavorato a stretto contatto con gli esperti di Solaronix. Sono la fonte degli "inchiostri":conduttori su nanoscala, semiconduttori e isolanti, per stampare l'individuo, strati sottilissimi della cella solare. La difficoltà per i ricercatori dell'Empa è stata quella di preparare questo inchiostro in modo che fosse adatto al processo di slot-die. Le varie impostazioni dell'unità di verniciatura, come la velocità dello slot-die, la portata e la distanza tra lo slot-die e il substrato, doveva anche essere coordinato per ottenere un risultato ottimale. Ora sono riusciti a fare proprio questo.
Un ulteriore vantaggio delle celle solari in perovskite prodotte utilizzando questo nuovo processo è una maggiore durata rispetto alle precedenti celle in perovskite. In un passaggio successivo, seguiranno prove sul campo:a fine 2020, le celle solari in perovskite saranno montate sul tetto dell'edificio NEST nel campus Empa a Dübendorf, dove dovranno mettersi alla prova nell'uso quotidiano.
