Celle solari: passo avanti nelle celle a perovskiti ne fa avvicinare l’uso di massa

Gli ingegneri della Rice University hanno dimostrato che la produzione di celle solari ad alta efficienza con strati di perovskiti 2D e 3D può essere semplificata da solventi che consentono la deposizione in soluzione di uno strato senza distruggere l’altro. Il lavoro ha risolto un enigma di lunga data nella realizzazione di pannelli solari stabili ed efficienti con perovskiti di alogenuri. Lo sforzo è stato quello di trovare il giusto design del solvente per applicare uno strato superiore 2D della composizione e dello spessore desiderati senza distruggere quello inferiore 3D (o viceversa). Una cella di questo tipo trasformerebbe la luce solare in elettricità in misura maggiore rispetto a uno dei due strati da solo, con una migliore stabilità.

L’ingegnere chimico e biomolecolare Aditya Mohite e il suo laboratorio della Rice’s George R. Brown School of Engineering hanno riportato su Science il successo ottenuto nella costruzione di sottili celle solari 3D/2D che offrono un’efficienza di conversione di potenza del 24,5%.

Si tratta di un’efficienza pari a quella della maggior parte delle celle solari disponibili in commercio, ha dichiarato Mohite.

Mohite ha osservato: “Questo è davvero ottimo per le celle flessibili e bifacciali in cui la luce entra da entrambi i lati e anche per le celle a contatto posteriore”. Le perovskiti 2D assorbono i fotoni blu e visibili, mentre il lato 3D assorbe il vicino infrarosso”. Il nuovo progresso elimina in gran parte l’ultimo grande ostacolo alla produzione commerciale, ha aggiunto.

Le perovskiti sono cristalli con reticoli cubici, noti per essere efficienti sfruttatori di luce, ma i materiali tendono a essere stressati dalla luce, dall’umidità e dal calore. Mohite e molti altri hanno lavorato per anni per rendere pratiche le celle solari in perovskite.

Mohite ha spiegato: “Si tratta di un risultato significativo a più livelli. Uno è che è fondamentalmente difficile realizzare un bilayer processato in soluzione quando entrambi gli strati sono dello stesso materiale. Il problema è che entrambi si dissolvono negli stessi solventi. Quando si mette uno strato 2D sopra uno strato 3D, il solvente distrugge lo strato sottostante. Il nostro nuovo metodo risolve questo problema”.

Mohite ha spiegato che le celle di perovskite 2D sono stabili, ma meno efficienti nella conversione della luce solare. Le perovskiti 3D sono più efficienti ma meno stabili. La loro combinazione incorpora le migliori caratteristiche di entrambe. “Questo porta a efficienze molto elevate perché ora, per la prima volta sul campo, siamo in grado di creare strati con un enorme controllo. Questo ci permette di controllare il flusso di carica e di energia non solo per le celle solari, ma anche per i dispositivi optoelettronici e i LED”.

L’efficienza delle celle di prova esposte all’equivalente di laboratorio del 100% di luce solare per oltre 2.000 ore “non si degrada nemmeno dell’1%”. Senza contare il substrato di vetro, le celle avevano uno spessore di circa 1 micron.

La lavorazione in soluzione è ampiamente utilizzata nell’industria e incorpora una serie di tecniche – spin coating, dip coating, blade coating, slot die coating e altre – per depositare materiale su una superficie in un liquido. Quando il liquido evapora, rimane il rivestimento puro.

La chiave è l’equilibrio tra due proprietà del solvente stesso: la sua costante dielettrica e il numero donatore di Gutmann. La costante dielettrica è il rapporto tra la permeabilità elettrica del materiale e il suo spazio libero. Determina la capacità di un solvente di sciogliere un composto ionico. Il numero di donatori è una misura della capacità di donare elettroni delle molecole del solvente.

“Se si trova la correlazione tra loro, si scopre che ci sono circa quattro solventi che permettono di sciogliere le perovskiti e di rivestirle senza distruggere lo strato 3D”, ha detto Mohite.

La loro scoperta dovrebbe essere compatibile con la produzione roll-to-roll, che in genere produce 30 metri di celle solari al minuto abbattendo notevolmente i costi i produzione, elemento ancora essenziale nello sviluppo dell’utilizzo dell’energia solare.

Il coautore Jacky Even, professore di fisica presso l’Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia di Rennes, in Francia, ha dichiarato: “Questa scoperta sta portando, per la prima volta, a eterostrutture di dispositivi di perovskite contenenti più di uno strato attivo. Il sogno di progettare architetture complesse di semiconduttori con le perovskiti sta per diventare realtà. I prossimi passi saranno le nuove applicazioni e l’esplorazione di nuovi fenomeni fisici”.

Avere  rotoli di celle a perovskiti significa avere un materiale fotovoltaico efficiente e a basso prezzo, utilizzabile su larga scala.