La nuova frontiera del Fotovoltaico: la Perovskite “Stabile” di Cambridge sfida i limiti teorici e record cinesi

Da anni sentiamo parlare della perovskite come del “Sacro Graal” dell’energia solare. Una promessa affascinante: materiali più economici del silicio, più efficienti e versatili. Tuttavia, come spesso accade nel mondo delle tecnologie emergenti, tra il dire e il fare c’è di mezzo la fisica, o meglio, la chimica. La grande debolezza di questi materiali è sempre stata la loro instabilità; tendono a degradarsi rapidamente appena messi il naso fuori dal laboratorio.

Ebbene, qualcosa sta cambiando. E questa volta non si tratta solo di annunci sensazionalistici, ma di una solida ricerca che arriva dall’Università di Cambridge, destinata a scuotere un mercato dominato quasi interamente dai colossi asiatici.

La rivoluzione Atomica di Cambridge

Il problema storico della perovskite è la sua fragilità strutturale quando esposta agli agenti atmosferici. I ricercatori di Cambridge, guidati dal Professor Sam Stranks, hanno deciso di affrontare il problema alla radice, lavorando su una scala inimmaginabilmente piccola. Hanno sviluppato una nuova perovskite agli alogenuri, molto più stabile delle varianti convenzionali, perfezionandola a livello atomico.

La tecnica utilizzata è affascinante e ricorda la costruzione di un edificio, ma su scala nanometrica:

• Deposizione a vapore: I ricercatori hanno utilizzato una tecnica basata sul vapore per creare perovskiti bidimensionali e tridimensionali.

• Precisione Angstrom: Sono riusciti a determinare lo spessore dei film fino a frazioni di un atomo (un decimo di nanometro), impilando meticolosamente gli strati uno sopra l’altro.

• Allineamento perfetto: Gli atomi sono stati allineati in modo tale da permettere agli elettroni e alle “lacune” (le cariche positive opposte) di muoversi liberamente.

In termini pratici, questi strati agiscono come autostrade a senso unico che guidano le cariche, impedendo loro di disperdere energia sotto forma di calore inutile. Il risultato è tecnico ma sbalorditivo: la durata della vita di elettroni e lacune è stata estesa a oltre 10 microsecondi. Può sembrare un battito di ciglia, ma nel mondo dei semiconduttori è un’eternità che permette di ottenere un’efficienza energetica nettamente superiore.

Il confronto impietoso con il Silicio

Perché tanto accanimento sulla perovskite? Perché il silicio, il re indiscusso dei pannelli solari attuali, sta raggiungendo il suo limite fisico.

Ecco un rapido confronto delle potenzialità:

La perovskite, grazie alla sua struttura cristallina con elevata superconduttività e ferroelettricità, può assorbire luce da una varietà più ampia di lunghezze d’onda. Se il silicio è un motore diesel affidabile ma limitato, la perovskite è un motore di Formula 1 che, fino a ieri, tendeva a rompersi dopo pochi giri. La scoperta di Cambridge potrebbe aver appena risolto il problema dell’affidabilità del motore.

La corsa industriale: la Cina non sta a guardare

Mentre in Europa si festeggiano i risultati di laboratorio, in Asia si macinano record industriali. È fondamentale osservare il contesto economico: la tecnologia è inutile se non diventa prodotto, e qui la competizione è feroce.

Longi, il gigante cinese del fotovoltaico, ha recentemente annunciato di aver raggiunto un’efficienza di conversione energetica del 34,6% per una cella solare tandem perovskite-silicio.

• Hanno battuto il loro precedente record del 33,9% stabilito solo nel novembre 2023.

• I risultati sono stati certificati dall’European Solar Test Installation (ESTI), quindi non sono propaganda.

• Hanno superato il limite teorico di Shockley-Queisser (33,7%) per le celle a singola giunzione.

Longi ha ottenuto questo risultato ottimizzando il processo di deposizione del film sottile e utilizzando materiali di passivazione dei difetti ad alta efficienza. In parole povere: sanno come produrre meglio e con meno scarti.

La perovskite è flessibile come un film plastico

L’Approccio Coreano e la Questione del “Suolo”

Dall’altra parte del Mar Giallo, Qcells (sussidiaria del conglomerato sudcoreano Hanwha) sta puntando su una strategia diversa ma altrettanto interessante dal punto di vista economico: l’efficienza su celle di grandi dimensioni.

Qcells ha stabilito un record del 28,6% su una cella commerciale di grandi dimensioni (nota come M10). Perché è importante? Perché l’efficienza del laboratorio è una cosa, ma l’efficienza su un pannello che devi montare su un tetto o in un campo è un’altra. I pannelli in silicio tradizionali si fermano al 21-22%.⁶

Danielle Merfeld, Chief Technology Officer di Qcells, ha riassunto perfettamente il vantaggio economico:

“Se hai 100 pannelli solari sul campo, ma puoi ottenere la stessa potenza con solo 60 o 80 di essi, allora stai scavando meno buchi, usando meno guide metalliche e hai bisogno di meno manodopera per l’installazione.”

Questo ci porta a un punto cruciale, spesso ignorato dalla narrazione ecologista superficiale: il consumo di suolo.

Efficienza Energetica vs Consumo di Territorio

L’aumento dell’efficienza non è solo un vezzo tecnologico, ma una necessità logistica e ambientale. I progetti solari richiedono estensioni di terra enormi.⁷

Prendiamo l’esempio del Solar Star Project in California:

• Vanta 1,7 milioni di pannelli.

• Si estende su 3.000 acri (oltre 1.200 ettari).

• È una delle strutture più grandi al mondo.

Per fare un confronto brutale ma necessario: una centrale a gas naturale situata a 100 miglia di distanza produce la stessa quantità di energia occupando appena 122 acri.

Siamo di fronte a un rapporto di utilizzo del suolo estremamente sfavorevole per il solare. Ecco perché la scoperta di Cambridge e i record di Longi e Qcells sono vitali: se non aumentiamo drasticamente l’efficienza per metro quadro, la transizione energetica rischia di diventare un problema di gestione territoriale insostenibile.

Tra Laboratorio e Mercato

Il lavoro del Professor Stranks a Cambridge dimostra che possiamo manipolare la materia per creare semiconduttori che un giorno potrebbero rivoluzionare l’elettronica a basso costo. Tuttavia, la velocità con cui aziende come Longi stanno infrangendo i record mondiali suggerisce che la partita si giocherà sulla capacità di industrializzare queste scoperte.

L’Europa ha la scienza, ma l’Asia ha le fabbriche. La nuova perovskite stabile è un passo avanti monumentale verso un solare che sia non solo “verde”, ma anche economicamente competitivo con le fonti fossili senza dover ricoprire l’intero pianeta di pannelli. Resta da vedere se questa tecnologia rimarrà un brevetto accademico o se diventerà la base per una rinascita industriale occidentale nel settore.

Domande e risposte

Qual è la principale innovazione introdotta dai ricercatori di Cambridge?

La principale innovazione risiede nella creazione di una struttura di perovskite agli alogenuri molto più stabile rispetto al passato. Utilizzando una tecnica di deposizione a vapore con precisione atomica, i ricercatori sono riusciti a impilare strati sottilissimi allineando perfettamente gli atomi. Questo permette un flusso migliore degli elettroni e riduce la dispersione di energia, risolvendo il problema storico della rapida degradazione della perovskite.

In che modo questa scoperta impatta sui costi dell’energia solare?

L’impatto economico è duplice. Primo, la perovskite è potenzialmente molto più economica da produrre rispetto al silicio, richiedendo meno energia per la lavorazione.8 Secondo, e più importante, l’aumento dell’efficienza (dal 21% del silicio commerciale verso il 30% e oltre) significa che serve meno spazio e meno materiale di supporto (cavi, strutture, manodopera) per produrre la stessa quantità di elettricità, abbattendo i costi totali dell’impianto.

Come si posiziona questa tecnologia rispetto ai record cinesi attuali?

Mentre Cambridge ha lavorato sulla stabilità e sulla scienza dei materiali a livello fondamentale, i giganti cinesi come Longi stanno già ottenendo record di efficienza su celle “tandem” (perovskite + silicio), raggiungendo il 34,6%. La scoperta di Cambridge è fondamentale perché fornisce la “ricetta” per rendere queste celle durevoli nel tempo, un tassello che mancava per trasformare i record di efficienza cinesi o coreani in prodotti commerciali garantiti per 20 o 30 anni.

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