La più grande fonte di energia pulita e inesauribile a nostra disposizione è il Sole. Per catturarlo utilizziamo pannelli fotovoltaici in grado di trasformarlo in energia elettrica. Ma il vero segreto di questa straordinaria trasformazione è nei materiali che compongono i pannelli.
Tra questi, il più popolare è il silicio. È un materiale semiconduttore che assorbe fotoni, particelle di luce, dalla radiazione solare. Una volta assorbite, producono cariche elettriche che vengono estratte nelle celle solari, ottenendo energia elettrica ad altissima efficienza.
Tuttavia, il silicio non è l’unico materiale in grado di eseguire questo processo. Attualmente abbiamo diverse alternative, già affermate o emergenti, che non hanno nulla da invidiare.
Materiali di terza generazione
Queste tecnologie sono divise in tre generazioni.
La prima generazione si concentra sul silicio cristallino, la seconda si suddivide in silicio multicristallino, calcogenuri – come tellururo di cadmio (CdTe) o rame indio gallio selenio (CIGS) – e materiali compositi costituiti da elementi dei gruppi III-V, come arseniuro di gallio (GaAs).
La prima e la seconda tecnologia sono già implementate in edifici, parchi fotovoltaici o anche nella tecnologia aerospaziale.
La terza generazione –e la meno conosciuta– è costituita da materiali emergenti come celle solari sensibilizzate con colorante, celle solari organiche e, infine, celle di perovskite, il cui utilizzo non è ancora diffuso.
La perovskite è più efficiente del silicio
Per confrontare le tecnologie fotovoltaiche dobbiamo guardare all’efficienza di conversione. Questo termine si riferisce al rapporto tra la potenza erogata dal dispositivo e l’energia della radiazione solare in entrata. I loro valori vengono utilizzati per confrontare le prestazioni tra celle solari e tra tecnologie fotovoltaiche.
Il National Renewable Energy Laboratory degli Stati Uniti confronta graficamente le massime efficienze certificate in ogni tipo di cella solare.
Se analizziamo attentamente il grafico sopra, vediamo che le celle solari in perovskite hanno raggiunto un’efficienza del 25,7%, superando le prestazioni delle celle solari in silicio multicristallino commerciali (efficienza del 23,3%).
Le perovskiti, dopo soli 15 anni dal loro primo utilizzo nelle celle solari nel 2009, quando ottenne solo il 3,8% di efficienza, sono riuscite ad essere la tecnologia fotovoltaica più promettente tra tutte le tecnologie emergenti e commerciali.
Cos’ha di speciale la perovskite?
Andiamo a vedere cos’è il materiale perovskite, le sue caratteristiche e le sue particolarità.
Il termine perovskite è legato alla scoperta nel XIX secolo del minerale triossido di calcio e titanio (CaTiO₃), la cui struttura cristallina è una rete tridimensionale formata dalla combinazione di elementi della forma ABX₃. Questa struttura fu chiamata perovskite in omaggio al mineralogista Lev Alekseyevich von Perovski e da allora tutti i materiali con questa struttura cristallina vengono chiamati con quel nome.
Esistono diverse famiglie con questa struttura cristallina, ad esempio a base di ossidi o alogenuri. I materiali di quest’ultima famiglia (alogenuri) sono i più promettenti per l’assorbimento efficiente dell’energia solare. Nello specifico si tratta di materiali ibridi organico-inorganici, formati dalla combinazione di:
- A: metilamonio, formamidinio o cesio.
- B: un metallo come piombo, stagno.
- X: un haluro como cloro, bromo o iodo.
Questi materiali ibridi presentano alcune affascinanti proprietà ottiche ed elettriche, come un assorbimento altamente efficiente della luce ultravioletta e visibile, la rapida dissociazione degli eccitoni – coppia buco-elettrone creata in un semiconduttore dopo l’assorbimento di fotoni di luce – in cariche libere dovute a la sua bassa energia di legame degli eccitoni e, infine, un’elevata lunghezza di diffusione di queste cariche libere per poter essere estratte nel dispositivo fotovoltaico.
Inoltre, modificando la composizione in A, B e/o X con composti chimici puri o combinazioni, possiamo modulare a piacimento le proprietà elettriche di questo materiale (le bande di energia e il loro corrispondente gap di banda) strettamente correlate alle proprietà ottiche di il materiale modulando la frazione della radiazione incidente che assorbirà.
Come sono fatti questi materiali?
Esistono molti modi per fabbricare perovskiti dissolvendo i precursori o mediante evaporazione termica degli stessi sotto vuoto, e con tecniche di laboratorio o industriali.
Lo spin-coating è una tecnica di laboratorio che consiste nell’aggiungere una piccola quantità di liquido a un substrato. Lo strato sottile viene creato ruotando rimuovendo il liquido in eccesso mediante centrifugazione.
Roll to roll (R2R) è un processo industriale in cui i substrati sono rotoli continui in cui lo strato sottile viene stampato utilizzando una rotativa, una tecnica ampiamente utilizzata nella stampa di giornali o brochure.
Questo materiale non richiede trattamenti termici ad alta temperatura, quindi è possibile produrre celle solari o tessuti flessibili. Ha anche un alto rendimento pur mantenendo una certa trasparenza, ideale per la sua possibile installazione in finestre. Inoltre, il basso costo dei precursori necessari per produrlo è un ulteriore incentivo allo sviluppo di questa nuova tecnologia fotovoltaica.
Quindi, quando potremo godere delle meravigliose proprietà della perovskite nella nostra vita quotidiana? Ci sono ancora alcuni aspetti da migliorare, come la presenza del piombo e la sua stabilità.
Il piombo è essenziale per ottenere l’alta efficienza desiderata e la sua quantità è minima nel dispositivo. Altri materiali di perovskite alternativi sono attualmente in fase di sviluppo con elementi come lo stagno che sostituisce il piombo.
Infine, il problema della stabilità può essere risolto utilizzando tecniche di incapsulamento in cui l’uso di un agente incapsulante (ad esempio la combinazione di una resina epossidica e vetro) impedirà l’ingresso di umidità e quindi la sua degradazione.
Autore
Maria Cristina Momblona Corner, Uaniversità di Saragozza
