Le perovskiti promettono la creazione di pannelli solari che potrebbero essere facilmente depositati sulla maggior parte delle superfici, comprese quelle flessibili e strutturate. Questi materiali sarebbero anche leggeri, economici da produrre ed efficienti quanto i principali materiali fotovoltaici di oggi, che sono principalmente silicio. Sono oggetto di ricerche e investimenti crescenti, ma le aziende che cercano di sfruttare il loro potenziale devono affrontare alcuni ostacoli rimanenti prima che le celle solari a base di perovskite possano essere commercialmente competitive.

Il termine perovskite non si riferisce a un materiale specifico, come il silicio o il tellururo di cadmio, altri concorrenti leader nel campo del fotovoltaico, ma a un'intera famiglia di composti. La famiglia di materiali solari perovskite prende il nome dalla sua somiglianza strutturale con un minerale chiamato perovskite, scoperto nel 1839 e intitolato al mineralogista russo L.A. Perovski.

La perovskite minerale originale, che è ossido di calcio e titanio (CaTiO₃ ), ha una caratteristica configurazione cristallina. Ha una struttura in tre parti, i cui componenti sono stati etichettati come A, B e X, in cui sono intrecciati i reticoli dei diversi componenti. La famiglia delle perovskiti è costituita dalle molte possibili combinazioni di elementi o molecole che possono occupare ciascuno dei tre componenti e formare una struttura simile a quella della perovskite originaria stessa. (Alcuni ricercatori addirittura piegano un po' le regole nominando altre strutture cristalline con elementi simili "perovskiti", sebbene questo sia disapprovato dai cristallografi.)

"Puoi mescolare e abbinare atomi e molecole nella struttura, con alcuni limiti. Ad esempio, se provi a inserire una molecola troppo grande nella struttura, la distorcerai. Alla fine potresti causare la separazione del cristallo 3D in una struttura a strati 2D, o perdere del tutto la struttura ordinata", afferma Tonio Buonassisi, professore di ingegneria meccanica al MIT e direttore del Photovoltaics Research Laboratory. "Le perovskiti sono altamente sintonizzabili, come un tipo di struttura cristallina "costruisci la tua avventura", afferma.

Quella struttura di reticoli intrecciati è costituita da ioni o molecole cariche, due di esse (A e B) caricate positivamente e l'altra (X) caricata negativamente. Gli ioni A e B sono in genere di dimensioni abbastanza diverse, con l'A che è più grande.

All'interno della categoria generale delle perovskiti, ci sono un certo numero di tipi, comprese le perovskiti di ossido di metallo, che hanno trovato applicazioni nella catalisi e nell'accumulo e conversione di energia, come nelle celle a combustibile e nelle batterie metallo-aria. Ma un obiettivo principale dell'attività di ricerca per più di un decennio è stato sulle perovskiti agli alogenuri di piombo, secondo Buonassisi.

All'interno di quella categoria, c'è ancora una legione di possibilità, e i laboratori di tutto il mondo stanno correndo attraverso il noioso lavoro di cercare di trovare le variazioni che mostrano le migliori prestazioni in termini di efficienza, costo e durata, che è stata finora la più impegnativa dei tre.

Molti team si sono anche concentrati su varianti che eliminano l'uso del piombo, per evitarne l'impatto ambientale. Buonassisi osserva, tuttavia, che "coerentemente nel tempo, i dispositivi a base di piombo continuano a migliorare nelle loro prestazioni e nessuna delle altre composizioni si è avvicinata in termini di prestazioni elettroniche". Il lavoro continua sull'esplorazione di alternative, ma per ora nessuna può competere con le versioni agli alogenuri di piombo.

Uno dei grandi vantaggi offerti dalle perovskiti è la loro grande tolleranza ai difetti nella struttura, dice. A differenza del silicio, che richiede una purezza estremamente elevata per funzionare bene nei dispositivi elettronici, le perovskiti possono funzionare bene anche con numerose imperfezioni e impurità.

Cercare nuove promettenti composizioni candidate per le perovskiti è un po' come cercare un ago in un pagliaio, ma recentemente i ricercatori hanno escogitato un sistema di apprendimento automatico in grado di semplificare notevolmente questo processo. Questo nuovo approccio potrebbe portare a uno sviluppo molto più rapido di nuove alternative, afferma Buonassisi, coautore di quella ricerca.

Mentre le perovskiti continuano a mostrare grandi promesse e diverse aziende si stanno già attrezzando per iniziare una produzione commerciale, la durabilità rimane l'ostacolo più grande che devono affrontare. Mentre i pannelli solari al silicio conservano fino al 90 percento della loro potenza dopo 25 anni, le perovskiti si degradano molto più velocemente. Sono stati compiuti grandi progressi:i campioni iniziali sono durati solo poche ore, poi settimane o mesi, ma le formulazioni più recenti hanno durate utilizzabili fino a pochi anni, adatte per alcune applicazioni in cui la longevità non è essenziale.

Dal punto di vista della ricerca, dice Buonassisi, un vantaggio delle perovskiti è che sono relativamente facili da produrre in laboratorio:i costituenti chimici si assemblano facilmente. Ma questo è anche il loro aspetto negativo:"Il materiale si unisce molto facilmente a temperatura ambiente", dice, "ma si sfalda anche molto facilmente a temperatura ambiente. Facile, facile!"

Per affrontare questo problema, la maggior parte dei ricercatori si concentra sull'utilizzo di vari tipi di materiali protettivi per incapsulare la perovskite, proteggendola dall'esposizione all'aria e all'umidità. Ma altri stanno studiando i meccanismi esatti che portano a quel degrado, nella speranza di trovare formulazioni o trattamenti che siano intrinsecamente più robusti. Una scoperta chiave è che un processo chiamato autocatalisi è in gran parte responsabile del guasto.

Nell'autocatalisi, non appena una parte del materiale inizia a degradarsi, i suoi prodotti di reazione agiscono come catalizzatori per iniziare a degradare le parti vicine della struttura e inizia una reazione incontrollata. Un problema simile esisteva nelle prime ricerche su alcuni altri materiali elettronici, come i diodi organici a emissione di luce (OLED), e alla fine è stato risolto aggiungendo ulteriori fasi di purificazione alle materie prime, quindi una soluzione simile può essere trovata nel caso di perovskiti, suggerisce Buonassisi.

Buonassisi e i suoi co-ricercatori hanno recentemente completato uno studio che mostra che una volta che le perovskiti raggiungono una vita utile di almeno un decennio, grazie al loro costo iniziale molto più basso che sarebbe sufficiente a renderle economicamente valide come sostituto del silicio in grandi utenze, scala di parchi solari.

Nel complesso, i progressi nello sviluppo delle perovskiti sono stati impressionanti e incoraggianti, afferma. Con solo pochi anni di lavoro, ha già raggiunto efficienze paragonabili a livelli che il tellururo di cadmio (CdTe), "che esiste da molto più tempo, sta ancora lottando per raggiungere", afferma. "La facilità con cui queste prestazioni più elevate vengono raggiunte in questo nuovo materiale sono quasi stupefacenti." Confrontando la quantità di tempo impiegato nella ricerca per ottenere un miglioramento dell'efficienza dell'1%, afferma, i progressi sulle perovskiti sono stati tra 100 e 1000 volte più veloci di quelli su CdTe. "Questo è uno dei motivi per cui è così eccitante", dice.