L’energia solare fotovoltaica, che consiste nel catturare l’energia solare per essere convertita in elettricità, ha subito una grande rivoluzione negli ultimi due decenni con l’uso massiccio di un materiale chiamato perovskite.
Attualmente siamo alla quarta generazione di celle solari; Così vengono chiamati i dispositivi o pannelli solari in campo scientifico.
La prima generazione di celle solari è basata su silicio cristallino o policristallino, con un’efficienza massima del 22%.
Nella seconda generazione vengono utilizzate le cosiddette celle a strato sottile, a base di elementi come selenio, zinco, gallio, indio, cadmio e stagno.
Nella terza generazione, i materiali nanometrici sono stati utilizzati per la prima volta per catturare la radiazione solare. Utilizza composti organici che assorbono la luce (celle solari coloranti) insieme a celle solari polimeriche in cui vengono utilizzati polimeri conduttivi.
La quarta generazione è caratterizzata da celle solari a base di 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 che assorbe la 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 fu solo l’inizio di una folle corsa verso quella che oggi è una realtà promettente. In poco più di un decennio è stata raggiunta un’efficienza di conversione del 25,5%.
Questo materiale ha fatto avanzare in soli tredici anni ciò che il silicio ha impiegato cinquant’anni per raggiungere. La sua stabilità contro gli agenti esterni come umidità e ossigeno è stata notevolmente migliorata e la perovskite non si degrada più nel giro di poche ore. Tuttavia, è ancora necessario migliorare l’incapsulamento finale delle celle solari per garantire una lunga vita utile del prodotto finale.
Struttura e composizione
Le perovskiti sono materiali con struttura chimica ABX₃, dove A è un catione organico ingombrante come il metilammonio o inorganico come il cesio, B è un elemento metallico come piombo o stagno e X è un elemento alogenato, con bromo e cloro che sono i più comuni.
La perovskite ci ha permesso di ridurre i costi di produzione. La sua sintesi è semplice e velocissima, e vengono utilizzati anche materiali abbondanti ed economici. Non è necessario utilizzare temperature di lavorazione elevate come avviene nelle celle solari al silicio e nelle celle solari a film sottile (celle solari di prima e seconda generazione).
Tutte queste caratteristiche sintetiche consentono alla produzione di un pannello solare in perovskite di essere molto più economica di un pannello solare in silicio.
Inoltre, sono materiali multifunzionali, assorbono la luce e sono in grado di trasportare sia elettroni che lacune. Sono molto grati, poiché con piccole modifiche sintetiche le loro proprietà possono essere facilmente modificate. A tutto questo bisogna aggiungere i grandi sforzi che si stanno facendo per renderli stabili e durevoli.
Pezzo chiave del cambiamento energetico
La perovskite è un materiale economico e, poiché il suo processo di fabbricazione non richiede temperature elevate, è possibile produrre celle solari anche su substrati flessibili.
Trattandosi di nanomateriali con un’elevata capacità di assorbire la radiazione solare, i dispositivi finali sono leggeri e semitrasparenti, poiché non è necessario uno spesso strato di materiale. E grazie all’elevata efficienza di conversione energetica, anche in condizioni di scarsa illuminazione possono essere utilizzate come finestre intelligenti in architettura e in interni per fornire elettricità ai dispositivi mobili che utilizziamo così tanto oggi, come smartphone, laptop, ecc.
E come se tutto questo non bastasse, la perovskite ci ha sorpreso ancora una volta. Non si presenta solo come un sostituto del silicio, ma anche come un alleato. Combinando entrambi i materiali è stato possibile ottenere un’efficienza di conversione del 29,15% e più di 300 ore di funzionamento, molto vicine al limite teorico del 33%.
Questa combinazione consente di aumentare l’efficienza, poiché ogni materiale assorbe le onde luminose a lunghezze diverse; il silicio assorbe nel rosso e nell’infrarosso e la perovskite principalmente nel verde, nel blu e nell’ultravioletto. Per questo motivo la loro combinazione sfrutta praticamente tutta la radiazione solare che dal Sole raggiunge la Terra.
Attualmente i pannelli solari commerciali, che si vedono sempre più spesso sui tetti delle nostre case, sono a base di silicio cristallino o arseniuro di gallio, che hanno un prezzo elevato. Questi materiali continuano a predominare perché il ridimensionamento industriale delle celle solari in perovskite (per la produzione di pannelli solari) non è ancora completamente sviluppato.
Tuttavia, le celle solari in perovskite giocheranno un ruolo cruciale nel necessario cambiamento energetico che la società sta attualmente affrontando.
Autore
Eva Mª Barea Berzosa, Universitat Jaume I
