Ricercatori della Northern Illinois University e del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) a Golden, Colorado, riportano oggi (19 febbraio) sul giornale Natura su una potenziale svolta nello sviluppo di celle solari ibride a perovskite.

Considerati astri nascenti nel campo dell'energia solare, Le celle solari in perovskite convertono la luce in elettricità. Sono potenzialmente più economici e più semplici da produrre rispetto alle tradizionali celle solari a base di silicio e, almeno su piccola scala in ambienti di laboratorio, hanno dimostrato livelli di efficienza comparabili. Ma rimangono sfide chiave prima che possano diventare una tecnologia commerciale competitiva.

Una delle principali sfide è l'uso del piombo. La maggior parte delle celle solari ibride a perovskite ad alte prestazioni contiene piombo solubile in acqua, sollevando preoccupazioni per potenziali perdite dalle cellule danneggiate.

Guidati da Tao Xu di NIU e Kai Zhu di NREL, un team di scienziati ha sviluppato una tecnica per sequestrare il piombo utilizzato per realizzare celle solari in perovskite e ridurre al minimo le potenziali perdite tossiche applicando pellicole che assorbono il piombo sulla parte anteriore e posteriore della cella solare.

"Il problema della tossicità del piombo è stato uno dei più fastidiosi, sfide dell'ultimo miglio nel campo delle celle solari a perovskite, " disse Xu, un professore di chimica della NIU. "Pensiamo di avere un rimedio molto promettente a questo problema e potrebbe essere un punto di svolta.

"In caso di cellula danneggiata, il nostro dispositivo cattura la grande maggioranza del piombo, impedendogli di penetrare nelle acque sotterranee e nel suolo. Le pellicole che usiamo sono insolubili in acqua".

In condizioni di grave danno alle celle solari in un ambiente di laboratorio, i film assorbenti il ​​piombo hanno sequestrato il 96% delle perdite di piombo, hanno detto gli scienziati. I loro esperimenti indicano inoltre che gli strati che assorbono il piombo non influiscono negativamente sulle prestazioni delle celle o sulla stabilità operativa a lungo termine.

Le celle solari perovskite sono così chiamate perché utilizzano una classe di strutture cristalline simile a quella che si trova nel minerale noto come perovskite. Il composto strutturato in perovskite all'interno di queste celle solari è più comunemente un materiale ibrido a base di alogenuro di piombo organico-inorganico.

Gli scienziati hanno iniziato a studiare queste strutture cristalline da utilizzare nelle celle solari solo circa dieci anni fa e hanno rapidamente aumentato la loro efficienza di conversione dell'energia solare. Mentre le tradizionali celle solari al silicio sono prodotte con processi precisi che utilizzano alte temperature, le perovskiti possono essere prodotte utilizzando soluzioni chimiche a temperatura ambiente.

Il nuovo "approccio di sequestro su dispositivo" può essere facilmente incorporato con le attuali configurazioni delle celle solari in perovskite, ha detto Xu.

Una pellicola trasparente assorbente il piombo viene applicata a un vetro conduttore sulla parte anteriore della cella solare. Il film di sequestro contiene forti gruppi di acido fosfonico che legano il piombo ma non ostacola la cattura cellulare della luce. Un film polimerico meno costoso miscelato con agenti chelanti del piombo viene utilizzato sull'elettrodo metallico posteriore, che non ha bisogno di trasparenza.

"I materiali sono standard, ma non sono mai stati usati per questo scopo, " disse Xu. "La luce deve entrare nella cellula per essere assorbita dallo strato di perovskite, e la pellicola frontale agisce effettivamente come un agente antiriflesso, migliorando un po' la trasparenza".

I test per le perdite di piombo includevano il martellamento e la frantumazione del vetro del lato anteriore delle celle da 2,5 x 2,5 cm, e graffiare la parte posteriore delle celle solari con una lametta, prima di immergerli in acqua. Le pellicole possono assorbire la stragrande maggioranza del piombo nelle cellule gravemente danneggiate a causa dell'ingresso di acqua.

"Vale la pena notare che l'approccio di sequestro del piombo dimostrato è applicabile anche ad altre tecnologie a base di perovskite come l'illuminazione a stato solido, applicazioni di visualizzazione e sensore, " disse Zhu, uno scienziato senior al NREL.