Perovskite, il nostro grande alleato nella lotta ai cambiamenti climatici

L’energia solare fotovoltaica, che consiste nella cattura dell’energia solare per convertirla in elettricità, ha vissuto una grande rivoluzione negli ultimi due decenni grazie all’uso massiccio di un materiale chiamato perovskite.

Attualmente siamo nella quarta generazione di celle solari, come vengono definiti nel campo scientifico questi dispositivi o pannelli solari.

La prima generazione di celle solari si basa sul silicio cristallino o policristallino, con un’efficienza massima del 22%.

Nella seconda generazione vengono utilizzate le cosiddette celle a film sottile, basate su elementi come selenio, zinco, gallio, indio, cadmio e stagno.

Nella terza generazione sono stati introdotti per la prima volta materiali nanometrici per catturare la radiazione solare. In questa generazione si utilizzano composti organici assorbitori di luce (celle solari a coloranti) insieme a celle solari polimeriche, che impiegano polimeri conduttori.

La quarta generazione si distingue per l’uso di celle solari basate sulla perovskite.

L’ascesa delle perovskiti

L’uso massiccio di questo materiale è iniziato nel 2009 in Giappone, quando un gruppo di ricercatori dell’Università di Tokyo ha utilizzato una perovskite come materiale assorbitore di luce. Già nel primo esperimento, gli scienziati hanno ottenuto una buona efficienza di conversione della luce solare in elettricità del 3,8%. Nonostante il valore sia basso, per un primo test è più che accettabile.

Nonostante l’ottimo risultato iniziale, hanno riscontrato che la stabilità era molto bassa. Tuttavia, quello è stato solo l’inizio di una corsa frenetica verso ciò che oggi è una realtà promettente. In poco più di un decennio, si è raggiunta un’efficienza di conversione del 25,5%.

Questo materiale ha compiuto in appena tredici anni progressi che il silicio ha impiegato cinquanta anni a raggiungere. Sono stati fatti molti miglioramenti nella sua stabilità contro agenti esterni come l’umidità e l’ossigeno, e la perovskite non si degrada più in poche ore. Tuttavia, è ancora necessario migliorare l’incapsulamento finale delle celle solari per garantire una lunga durata del prodotto finale.

Struttura e composizione delle perovskiti

Le perovskiti sono materiali con struttura chimica ABX₃, dove A è un catione organico voluminoso, come il metilammonio, o inorganico, come il cesio; B è un elemento metallico come il piombo o lo stagno; e X è un elemento alogeno, con bromo e cloro come i più comuni.

Le perovskiti ci hanno permesso di ridurre i costi di produzione. La loro sintesi è semplice e molto rapida, e inoltre si utilizzano materiali abbondanti e poco costosi. Non è necessario impiegare alte temperature di processo come accade con le celle solari in silicio e quelle a film sottile (prima e seconda generazione di celle solari).

Tutte queste caratteristiche di sintesi permettono che la fabbricazione di un pannello solare in perovskite sia molto più economica rispetto a un pannello solare in silicio.

Inoltre, sono materiali multifunzionali, in grado di assorbire la luce e trasportare sia elettroni sia lacune. Sono estremamente versatili, poiché con piccole modifiche alla sintesi si possono alterare facilmente le loro proprietà. A tutto ciò si aggiungono i grandi sforzi per renderle stabili e durevoli.

Un elemento chiave per il cambiamento energetico

La perovskite è un materiale economico e, poiché nel suo processo di fabbricazione non sono necessarie alte temperature, è possibile produrre le celle solari persino su substrati flessibili.

Essendo nanomateriali con una grande capacità di assorbire la radiazione solare, i dispositivi finali risultano leggeri e semitrasparenti, dato che non è necessaria una spessa pellicola di materiale. Grazie alla loro alta efficienza di conversione energetica, anche in condizioni di bassa luminosità possono essere utilizzati come finestre intelligenti in architettura e interni, per alimentare dispositivi mobili come smartphone, laptop, ecc.

E se tutto ciò non fosse già abbastanza, la perovskite ci ha sorpreso ancora una volta. Non solo si presenta come un sostituto del silicio, ma anche come un alleato. Unendo i due materiali si è riusciti a raggiungere un’efficienza di conversione del 29,15% e oltre 300 ore di funzionamento, molto vicino al limite teorico del 33%.

Questa combinazione consente di aumentare l’efficienza, poiché ogni materiale assorbe onde di luce a diverse lunghezze d’onda; il silicio assorbe nel rosso e nell’infrarosso, mentre la perovskite prevalentemente nel verde, blu e ultravioletto. Per questo motivo, la loro combinazione permette di sfruttare praticamente tutta la radiazione solare che arriva sulla Terra dal Sole.

Attualmente i pannelli solari commerciali, sempre più presenti sui tetti delle nostre case, si basano sul silicio cristallino o sull’arseniuro di gallio, che hanno un costo elevato. Questi materiali predominano ancora perché la produzione industriale su larga scala delle celle solari in perovskite non è ancora pienamente sviluppata.

Tuttavia, le celle solari in perovskite giocheranno un ruolo cruciale nel necessario cambiamento energetico che la società deve affrontare oggi.