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Fotovoltaico in perovskite: come funzionano le celle solari del futuro

Il futuro del fotovoltaico sta nelle celle solari perovskitiche che prenderanno il posto dei classici pannelli solari al sicilio. Vediamo cosa sono le celle solari in perovskite, come funzionano, i limiti di utilizzo attuali e a che punto si trova la ricerca, con le ultime novità made in Italy.

È la frontiera del nuovo fotovoltaico senza silicio, promette alto rendimento, flessibilità d’uso e prezzo basso. Il fotovoltaico in perovskite ci sta aspettando nel futuro prossimo, anche se ancora è in fase di sperimentazione. Le celle solari in perovskite (perovskite solar cell) sono destinate a prendere il posto dei classici pannelli solari al silicio. Già oggi possiamo testare le potenzialità della cosiddetta cella solare tandem, ossia di pannelli solari ad alta efficienza realizzati in perovskite e silicio. Ma la sfida è riuscire a sviluppare una tecnologia sempre più stabile e disponibile su larga scala a basso costo, a base di perovskite. Una tecnologia innovativa che faccia crollare drasticamente il prezzo del fotovoltaico e lo renda fruibile per tutti. Intanto vediamo cos’è la perovskite, come funziona e le applicazioni commerciali possibili su cui i ricercatori si stanno concentrando, anche in Italia.

Cos’è la perovskite?

Minerale perovskite usato per i pannelli solari del futuro
Foto Shutterstock | vvoe

La perovskite è un minerale a struttura cristallina cubica formato da titanato di calcio (CaTiO3). Gli elementi che compongono questo minerale possiedono proprietà fisiche peculiari. Come il fatto di essere ottimi assorbenti della luce e particolarmente efficienti conduttori di energia.

Come funziona la cella solare a perovskite

Le celle perovskitiche sono delle specifiche celle solari fotovoltaiche che hanno la particolarità di assorbire la luce molto più efficacemente del silicio. La sua composizione chimica permette all’energia generata dalla luce di essere catturata e restare per un periodo maggiore all’interno del pannello fonoassorbente, rispetto alla cella di silicio. Questo si traduce facilmente in un maggior accumulo di energia, quindi una maggiore efficienza energetica.

Fotovoltaico in perovskite a prezzo basso

Perché le celle solari in perovskite sono a basso costo? Per tre motivazioni:

  • Prima di tutto perché il minerale è facile da reperire in natura;
  • Poi perché sono semplici da processare;
  • Infine perché occorre davvero poco materiale minerale per produrre le celle fotovoltaiche.

Per fare un piccolo esempio possiamo paragonarli ai pannelli solari in silicio che vengono attualmente usati. Mentre questi sono spessi circa 180 micrometri, le celle solari in perovskite non arrivano nemmeno a un micrometro e le prestazioni sono identiche, ossia catturano la stessa quantità di luce solare.

Il futuro prossimo del fotovoltaico

Il futuro è nelle celle solari in perovskite perché hanno tanti vantaggi. Sono poco costose da produrre e questo potrebbe portare a una drastica riduzione del costo della produzione corrente elettrica da energia solare. Sono anche molto leggere in confronto a un pannello solare di silicio convenzionale. E sono circa 500 volte più sottili dei pannelli al silicone, con cui vengono costruite le celle sin dal 1950. Inoltre sono così flessibili che possono essere arrotolate e trasportate praticamente ovunque sia necessario. Questa enorme capacità di flessibilità significa anche che possono essere applicate all’esterno di edifici non perfettamente piatti, e non solo sui tetti. Questo apre inevitabilmente nuove possibilità per applicazioni fotovoltaiche integrate direttamente negli immobili.

A che punto è la ricerca sul fotovoltaico in perovskite

Un gruppo di 14 ricercatori dell’Università di Sydney e dell’Università del Nuovo Galles del Sud guidati dalla professoressa Anita Ho-Baillie ha pubblicato uno studio sulla rivista Science. Sono riusciti a incapsulare la perovskite in un bozzolo di vetro e poliisobutilene, una gomma sintetica utilizzata per realizzare finestre con doppi vetri. E questo ha consentito al minerale di sopravvivere al calore e all’umidità molto più a lungo che mai.

Il team ha ideato la camera di vetro e gomma sintetica che circonda le celle, quindi le ha sottoposte a tre serie di test standard internazionali che includono ripetutamente il ciclo delle celle attraverso temperature da -40° C a 85° C, oltre a esporle a livelli di umidità elevati. Questo è un risultato importante che dimostra il potenziale di questa nuova tecnologia per ridurre ulteriormente i già bassi costi del fotovoltaico. Un passo importante per arrivare alla commercializzazione di questo tipo di celle fotovoltaiche. La speranza è di poter davvero comprare presto finestre fotovoltaiche da montare direttamente in casa.

Quando compreremo i super pannelli fotovoltaici?

Nonostante le promettenti ricerche sull’uso di celle fotovoltaiche in perovskite sparse in tutto il mondo, gli studiosi hanno sperimentato alcuni aspetti negativi che devono essere risolti per poter passare alla produzione in serie di questi super pannelli fotovoltaici. Le celle solari perovskitiche presentano problemi di degrado. Non sono cioè particolarmente durevoli. Sebbene abbiano raggiunto tassi di conversione solari fino al 25-26% in laboratorio, non possono resistere a lungo alle condizioni esterne. Arrivano a perdere anche l’80% dell’efficienza iniziale nelle prime 500 ore di utilizzo. Oltre a questo, vi sono anche altre problematiche come la presenza del piombo e la difficoltà di formare strati molto estesi.

Ad ogni modo la ricerca, che è stata sostenuta dall’Agenzia australiana per le energie rinnovabili, ha portato a una dimostrazione chiara, sostenuta anche da Klaus Weber, professore associato presso la Australian National University. Che al The Guardian ha dichiarato: “Una delle preoccupazioni chiave della stabilità limitata di questo tipo di tecnologia, può essere affrontata con una buona ingegneria”.

Cella solare tandem: la ricerca made in Italy sul fotovoltaico in perovskite

Per rendere più adatte le celle di perovskite per applicazioni commerciali, anche l’Italia si è messa di buona lena per cercare soluzioni adeguate ad alta efficienza. È proprio dai laboratori italiani che arriva la cella solare tandem. I nuovi pannelli in perovskite e silicio sono frutto di un lavoro dei ricercatori ENEA del Laboratorio di Tecnologie Fotovoltaiche, Università di Roma “Tor Vergata” (centro CHOSE). Insieme agli scienziati dell’IIT – Istituto Italiano di Tecnologia (con Graphene Labs e il suo spin-off BeDimensional).

Come funziona la cella tandem in perovskite e silicio?

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista scientifica Joule. La cella tandem funziona così: due celle solari sono abbinate in maniera meccanica così da poter lavorare in tandem: quella frontale (perovskite con grafene) converte in maniera efficace la luce “blu” e “verde”. E consente alla luce solare “rossa” e agli infrarossi di passare oltre e toccare la cella posteriore (silicio a eterogiunzione con film amorfi). Il tutto offre un’efficienza energetica del 26,3%. Ma la prospettiva in futuro è quella di superare la soglia del 30%.

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