Pannelli solari in perovskite: come migliorarne l’efficienza

Due studi innovativi della Sapienza individuano i punti di forza e le criticità delle celle fotovoltaiche basate su perovskiti ibride per aumentarne le prestazioni.

Corso Progettazione Fotovoltaico

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Le perovskiti ibride organiche/inorganiche di piombo e alogenuri sono dei nuovi materiali utilizzati per realizzare celle fotovoltaiche e dispositivi optoelettronici, ossia strumenti che trasformano la luce in corrente, nel primo caso, e dispositivi che fanno da interfaccia tra il dominio elettrico e quello ottico, nel secondo. Tra gli aspetti maggiormente interessanti di questi materiali spiccano la straordinaria Power Conversion Efficiency, ovvero la quantità di luce convertita in corrente, che nelle ultime applicazioni del fotovoltaico ha superato il 23%, e l’elevata Photoluminesce Quantum Yield, che corrisponde alla quantità di fotoni assorbiti che vengono riemessi. Un ulteriore vantaggio di queste perovskiti risiede nel semplice ed economico meccanismo di deposizione del film di perovskite, un processo simile a quello per la produzione delle vecchie pellicole fotografiche.

Due nuove ricerche, coordinate da Simone Meloni del Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale della Sapienza, hanno svelato il “comportamento” delle perovskiti, in termini di efficienza, quando sono esposte a fattori esterni potenzialmente stressanti. I risultati dei lavori sono stati pubblicati sulla rivista Journal of Materials Chemistry A.

Nel primo studio, che ha visto il coinvolgimento di dieci laboratori di otto diverse nazioni, i ricercatori hanno dimostrato che già nel processo di fabbricazione la presenza di impurezze, come ioni di bismuto (Bi3+) anche in bassissime concentrazioni (fino a 10 ppm), è in grado di ridurre significativamente le prestazioni delle celle fotovoltaiche. Questo accade perché il bismuto (Bi3+) può sostituire il piombo (Pb2+) nella struttura cristallina e, a causa della sua maggiore carica positiva, determina la formazione di difetti sia superficiali, che provocano una riduzione della corrente di corto circuito, sia profondi, che comportano una diminuzione della differenza di potenziale di circuito aperto della cella.

Inoltre, uno dei problemi che finora ha limitato lo sviluppo di tecnologie basate su perovskiti è stata la loro elevata sensibilità a temperatura, luce e umidità: la prolungata esposizione a questi agenti infatti ne riduce l’efficienza fino a inibirne completamente le funzionalità.

In realtà, questa debolezza può esser trasformata in un punto di forza. A rivelarlo sono i risultati del secondo studio, condotto presso il Centro di ricerca interdipartimentale sulle nanotecnologie applicate all’ingegneria della Sapienza, in collaborazione col gruppo di Michael Grätzel dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne e l’Istituto Officina dei Materiali (Iom) del CNR.

Gli studiosi in questo caso hanno sviluppato un protocollo nel quale, grazie a una breve esposizione a un’atmosfera calibrata al 60-80% di umidità relativa, si migliora la qualità del film cristallino.

L’applicazione di questo protocollo si traduce in una maggior conversione dei reagenti in perovskite e in una crescita nel film di cristalliti più grandi e più resistenti agli agenti perturbativi che assorbono ed emettono una maggior quantità di luce.

“Questi studi – spiega Meloni – da una parte permettono di migliorare l’efficienza dei dispositivi basati sulle perovskiti con l’applicazione del nuovo protocollo; dall’altra suggeriscono che il passaggio dalla fase di studio elementare delle celle fotovoltaiche alla loro applicazione tecnologica richiederà di sviluppare nuove strategie per evitare l’effetto deleterio delle impurità”.

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