Perovskite: un nuovo tipo di tecnologia solare apre la strada a celle abbondanti, economiche e stampabili

Senior Research Officer presso lo SPECIFIC Innovation and Knowledge Centre, Swansea University

David Beynon riceve finanziamenti dall'EPSRC e dal governo gallese. In precedenza ha lavorato a progetti di ricerca finanziati dal Fondo europeo di sviluppo regionale, Tata Steel, Power Roll Ltd e European Union Horizon.

L'Università di Swansea fornisce finanziamenti come membro di The Conversation UK.

Visualizza tutti i partner

Le celle solari al silicio sono una tecnologia consolidata per la generazione di elettricità dal sole. Ma richiedono molta energia per essere prodotti, sono rigidi e possono essere fragili.

Tuttavia, una nuova classe di celle solari sta eguagliando le loro prestazioni. Inoltre, ora può essere stampato con inchiostri speciali e avvolto in modo flessibile su superfici irregolari.

Abbiamo sviluppato la prima cella solare al mondo arrotolabile e completamente stampabile, realizzata in perovskite, un materiale molto meno costoso da produrre rispetto al silicio. Se riusciamo anche a migliorarne l’efficienza, ciò indica la possibilità di produrre celle solari più economiche su una scala molto più ampia che mai.

Le celle solari al silicio che sono così riconoscibili per noi hanno una limitazione significativa. Se ne venissero prodotti abbastanza per coprire le nostre esigenze, potremmo esaurire i materiali per realizzarli entro il 2050. Quindi, abbiamo bisogno di qualcosa di nuovo, e in abbondanza. La cella solare in perovskite sta emergendo per colmare questa lacuna.

La perovskite è una struttura cristallina realizzata con componenti inorganici e organici, che prende il nome da Lev Perovski, un esperto di minerali russo del XVII e XVIII secolo.

Le celle solari in perovskite sono apparse per la prima volta nei laboratori di ricerca nel 2012 e hanno attirato l'attenzione dei ricercatori per due fattori: la loro capacità di convertire la luce solare in elettricità e il potenziale per crearle da una combinazione di inchiostri.

Nei laboratori di ricerca, utilizzando metodi di produzione altamente controllati in ambienti in cui l’ossigeno e l’acqua sono completamente rimossi, le celle solari alla perovskite possono ora eguagliare la generazione di elettricità delle celle solari al silicio. Questo è un risultato notevole.

Ma le celle solari a base di perovskite a buon mercato che eliminano il silicio devono ancora essere prodotte su scala commerciale. E se questi materiali potessero essere prodotti utilizzando gli stessi tipi di processi che utilizziamo per la stampa degli imballaggi ordinari?

I miei colleghi ed io abbiamo recentemente dimostrato che un rotolo di pellicola di plastica può essere caricato in una macchina da stampa e dall'altra parte emergono celle solari di perovskite funzionanti. Tuttavia, non è così semplice come versare l'inchiostro nella stampante desktop.

Per prima cosa, gli scienziati hanno scoperto che per raggiungere efficienze record, gli strati di semiconduttore e perovskite in questa nuova forma di cella solare devono essere estremamente sottili – tra 50 e 500 nanometri (circa 500 volte più piccoli di un capello umano).

Inoltre, gli inchiostri utilizzati per stamparli richiedevano solventi altamente tossici. Ma, dopo molti anni di sforzi, ora abbiamo formulato inchiostri senza solventi tossici che sono compatibili con il processo di rivestimento slot-die, una tecnica industriale consolidata originariamente utilizzata per la produzione di pellicole fotografiche.

Lo strato di perovskite stampato genera elettroni liberi dall'energia fornita dalla luce che lo colpisce. Il semiconduttore impedisce quindi alla perovskite di riassorbire questi elettroni con una buona efficienza di conversione della potenza (il rapporto tra potenza ottica in entrata e potenza elettrica in uscita).

Rimaneva un problema: come estrarre la carica elettrica. In passato, ciò era stato ottenuto riscaldando l’oro nel vuoto finché non evaporava e catturando il vapore sulla cella solare di perovskite per formare elettrodi.

Abbiamo adottato un approccio diverso, creando un inchiostro al carbonio compatibile sia con il materiale perovskite che con il processo di rivestimento con slot-die. Il risultato sono grandi volumi di celle solari flessibili e arrotolabili che escono dalla macchina da stampa pronte per generare energia.

Le celle solari in perovskite hanno dimostrato prestazioni elevate nei laboratori di ricerca e ora si sono dimostrate in grado di fare il salto verso la produzione in grandi volumi. Ma il lavoro non è ancora del tutto finito.