Un approccio innovativo applicato alla struttura delle celle solari supera i record di efficienza
I livelli di efficienza dati dalla trasformazione della luce solare in elettricità sono passati dal 3,8 % al 25 % in dispositivi a perovskite di piccola area (inferiore a 1 cm2): dati utili come prova di concetto, ma non per somministrare energia. I livelli utili di efficienza a dimensione di modulo sono rimasti indietro, raggiungendo solo il 16,1 %. I pannelli in silicio disponibili in commercio hanno un’efficienza di circa il 20 %, con i migliori dispositivi per piccole aree che arrivano al 26 %.
A caccia dell’efficienza
«Le perovskiti possiedono il potenziale per essere molto più economiche e inoltre possono spalancare le porte a nuovi mercati per un’energia solare leggera e versatile», afferma Giles Eperon, ricercatore capo nell’ambito del progetto Crystal Tandem Solar, finanziato dall’UE, nonché cofondatore e direttore scientifico della start-up a capo del progetto, Swift Solar. Tuttavia, come spiega, per competere con il silicio, l’efficienza del modulo deve essere simile o superiore del 20 %. Esiste un limite all’efficienza che può essere raggiunto dal punto di vista pratico utilizzando celle solari a perovskite (PSC, perovskite solar cells) a singola giunzione, costituite da un unico strato di semiconduttore di assorbimento della luce. In pratica, si tratta di circa il 27 %. «La ricerca attuale si sta avvicinando a questo dato, siamo a circa il 25 %, ma i progressi stanno diventando più difficili man mano che ci avviciniamo al limite, quindi i passi avanti compiuti dalla ricerca stanno rallentando. Il grafico dell’efficienza del National Renewable Energy Laboratory lo illustra chiaramente», afferma Eperon. Il progetto Crystal Tandem Solar ha tentato di oltrepassare questo limite impiegando due strati di semiconduttore di assorbimento della luce in una struttura «tandem». Come spiega Eperon: «Ciò spinge molto più in alto il limite di efficienza pratico e contribuirà a ottenere livelli di efficienza che possono competere con quelli forniti dai pannelli in silicio». Il piano originale prevedeva di utilizzare tandem di silicio e perovskite nel progetto. Tuttavia, c’è stata una svolta poco prima dell’inizio del progetto dovuta alla dimostrazione che i tandem realizzati con due strati di perovskite potevano risultare molto efficienti. «Abbiamo quindi iniziato a lavorare su questa entusiasmante tecnologia poiché aveva il potenziale per una cella solare ancora più economica che avrebbe conservato i vantaggi delle perovskiti, essendo particolarmente flessibili e leggere», afferma Eperon. Ciò comportava nuove difficoltà. «Con il silicio, avremmo potuto semplicemente immergere il disco solare nella soluzione da cui cresce la perovskite. Se avessimo eseguito la stessa operazione utilizzando due perovskiti, la prima perovskite si sarebbe dissolta appena esposta alla soluzione». Per ovviare a questo problema, Eperon, che ha condotto la sua ricerca grazie al sostegno dell’UE tramite il programma d’azione Marie Skłodowska-Curie, si è concentrato in particolare sulla realizzazione di uno strato intermedio che fosse robusto e protettivo. «Riuscire a creare questo strato ci ha permesso di processare una perovskite sopra l’altra senza incorrere in alcun danno. Questo strato era composto da strati di ossidi depositati tramite deposizione di strati atomici e polverizzazione catodica», spiega Eperon. Rendendo lo strato di perovskite monocristallino, il progetto si prefiggeva di eliminare totalmente le perdite energetiche dai bordi di grano per aumentarne l’efficienza. Non sono purtroppo riusciti a ottenere questo, ma Eperon è stato in grado di crescere dei cristalli grandi, sottili e simili a piastre di forma controllata apportando variazioni sulla sintesi di nanocristalli. Egli ha prodotto lo strato intermedio per permettere la crescita in cima al primo substrato. Il lavoro compiuto ha portato all’affermazione di nuovi record mondiali per quanto riguarda i dispositivi tandem perovskite-perovskite. «Sulla scia di questo lavoro e dopo il completamento del progetto, mi è stato offerto un posto di lavoro presso il National Renewable Energy Lab in Colorado, negli Stati Uniti, per portare avanti questo filone di ricerca. Ciò ha condotto a ulteriori scoperte e a un altro record di efficienza per i tandem perovskite-perovskite. Durante il progetto, ho co-fondato la start-up Swift Solar insieme a dei collaboratori, con lo scopo di commercializzare la tecnologia tandem perovskite-perovskite su cui ho lavorato nel progetto. Grazie al sempre più crescente bisogno di trovare soluzioni energetiche pulite, questo tipo di tecnologia sta prendendo slancio».
Parole chiave
Crystal Tandem Solar, celle solari perovskitiche, Swift Solar, dispositivi tandem perovskite-perovskite
