Cella solare perovskite

Che cos’è una perovskite?

Una perovskite è un materiale che ha la stessa struttura cristallina dell’ossido di titanio di calcio minerale, il primo cristallo di perovskite scoperto. Generalmente, i composti di perovskite hanno una formula chimica ABX3, dove ‘ A ‘ e ‘ B ‘ rappresentano cationi e X è un anione che si lega ad entrambi. Un gran numero di elementi diversi possono essere combinati insieme per formare strutture di perovskite. Utilizzando questa flessibilità compositiva, gli scienziati possono progettare cristalli di perovskite per avere un’ampia varietà di caratteristiche fisiche, ottiche ed elettriche. I cristalli di perovskite si trovano oggi in macchine ad ultrasuoni, chip di memoria e ora – celle solari.

Applicazioni di energia pulita di perovskiti

Tutte le celle solari fotovoltaiche si basano su semiconduttori-materiali nella via di mezzo tra isolanti elettrici come il vetro e conduttori metallici come il rame — per trasformare l’energia dalla luce in elettricità. La luce del sole eccita gli elettroni nel materiale semiconduttore, che fluiscono negli elettrodi conduttori e producono corrente elettrica.

Il silicio è stato il materiale semiconduttore primario utilizzato nelle celle solari dal 1950, poiché le sue proprietà semiconduttive si allineano bene con lo spettro dei raggi solari ed è relativamente abbondante e stabile. Tuttavia, i grandi cristalli di silicio utilizzati nei pannelli solari convenzionali richiedono un costoso processo di produzione multi-step che utilizza molta energia. Nella ricerca di un’alternativa, gli scienziati hanno sfruttato la sintonizzazione delle perovskiti per creare semiconduttori con proprietà simili al silicio. Le celle solari perovskite possono essere prodotte utilizzando semplici tecniche di deposizione additiva, come la stampa, per una frazione del costo e dell’energia. A causa della flessibilità compositiva delle perovskiti, possono anche essere sintonizzate per adattarsi idealmente allo spettro del sole.

Nel 2012, i ricercatori hanno scoperto per la prima volta come realizzare una cella solare perovskite a film sottile stabile con efficienze di conversione fotone-elettrone superiori al 10%, utilizzando perovskiti ad alogenuri di piombo come strato di assorbimento della luce. Da allora, l’efficienza di conversione da luce solare a energia elettrica delle celle solari perovskite è salita alle stelle, con il record di laboratorio al 25,2%. I ricercatori stanno anche combinando celle solari perovskite con celle solari al silicio convenzionali: le efficienze record per queste celle tandem” perovskite su silicio ” sono attualmente del 29,1% (superando il record del 27% per le celle al silicio convenzionali) e aumentano rapidamente. Con questo rapido aumento dell’efficienza delle celle, le celle solari perovskite e le celle solari tandem perovskite potrebbero presto diventare alternative economiche e altamente efficienti alle celle solari al silicio convenzionali.

Quali sono alcuni obiettivi di ricerca attuali?

Mentre le celle solari perovskite, tra cui tandem perovskite su silicio, vengono commercializzate da decine di aziende in tutto il mondo, ci sono ancora sfide scientifiche e ingegneristiche di base da affrontare che possono migliorare le loro prestazioni, affidabilità e producibilità.

Alcuni ricercatori di perovskite continuano a spingere l’efficienza di conversione caratterizzando i difetti nella perovskite. Mentre i semiconduttori di perovskite sono notevolmente tolleranti ai difetti, i difetti influenzano ancora negativamente le prestazioni, specialmente quelle che si verificano sulla superficie dello strato attivo. Altri ricercatori stanno esplorando nuove formulazioni chimiche perovskite, sia per sintonizzare le loro proprietà elettroniche per applicazioni specifiche (come pile di cellule tandem), o migliorare ulteriormente la loro stabilità e durata.

I ricercatori stanno anche lavorando su nuovi progetti di celle, nuove strategie di incapsulamento per proteggere le perovskiti dall’ambiente e per comprendere i percorsi di degradazione di base in modo da poter utilizzare studi di invecchiamento accelerato per prevedere come le celle solari perovskite dureranno sui tetti. Altri stanno rapidamente esplorando una varietà di processi di produzione, incluso il modo di adattare gli “inchiostri” di perovskite ai metodi di stampa su larga scala stabiliti. Infine, mentre i perovskiti più performanti sono oggi realizzati con una piccola quantità di piombo, i ricercatori stanno anche esplorando composizioni alternative e nuove strategie di incapsulamento, al fine di mitigare le preoccupazioni associate alla tossicità del piombo.

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Come sta CEI avanzando perovskiti?

I cristalli di perovskite presentano spesso difetti di scala atomica che possono ridurre l’efficienza di conversione solare. CEI Chief Scientist e professore di chimica David Ginger ha sviluppato tecniche di “passivazione”, trattando perovskiti con diversi composti chimici per guarire questi difetti. Ma quando i cristalli di perovskite sono assemblati in celle solari, gli elettrodi di raccolta della corrente possono creare ulteriori difetti. In 2019, Ginger e collaboratori di Georgia Tech hanno ricevuto finanziamenti dagli Stati Uniti L’Ufficio Tecnologie per l’energia solare del Dipartimento dell’Energia (SETO) ha sviluppato nuove strategie di passivazione e nuovi materiali di raccolta delle cariche, consentendo alle celle solari perovskite di raggiungere il loro pieno potenziale di efficienza pur rimanendo compatibili con la produzione a basso costo.

Il professore di chimica Daniel Gamelin e il suo gruppo mirano a modificare le celle solari al silicio con rivestimenti in perovskite per raccogliere fotoni ad alta energia di luce blu in modo più efficiente, bypassando il limite teorico del 33% di conversione per le celle di silicio convenzionali. Gamelin e il suo team hanno sviluppato punti quantici perovskite-minuscole particelle migliaia di volte più piccole di un capello umano-in grado di assorbire fotoni ad alta energia ed emettere il doppio di fotoni a bassa energia, un processo chiamato “taglio quantistico.”Ogni fotone assorbito da una cella solare genera un elettrone, quindi il rivestimento a punti quantici perovskite potrebbe aumentare drasticamente l’efficienza di conversione.

Gamelin e il suo team hanno formato una società spinoff chiamata BlueDot Photonics per commercializzare la tecnologia. Con il finanziamento di SETO, Gamelin e BlueDot stanno sviluppando tecniche di deposizione per creare film sottili di materiali perovskite per celle solari di grandi dimensioni e per migliorare le celle solari al silicio convenzionali.

Il professore di ingegneria chimica Hugh Hillhouse sta usando algoritmi di apprendimento automatico per aiutare la ricerca di perovskiti. Utilizzando fotoluminescenza catturato da video ad alta velocità, Hillhouse e il suo gruppo stanno testando una varietà di perovskiti ibridi per la stabilità a lungo termine. Questi esperimenti generano enormi set di dati, ma utilizzando l’apprendimento automatico, mirano a generare un modello predittivo di degradazione per le celle solari perovskite. Questo modello può aiutarli a ottimizzare la composizione chimica e la struttura di una cella solare perovskite per la stabilità a lungo termine-una barriera chiave per la commercializzazione.

Al Washington Clean Energy Testbeds, un laboratorio ad accesso aperto gestito da CEI, ricercatori e imprenditori possono utilizzare attrezzature all’avanguardia per sviluppare, testare e scalare tecnologie come le celle solari perovskite. Utilizzando la stampante roll to roll sui banchi di prova, gli inchiostri perovskite possono essere stampati a basse temperature su substrati flessibili. Il direttore tecnico di Testbeds J. Devin MacKenzie, professore di scienza dei materiali & ingegneria e ingegneria meccanica presso UW, è un esperto di materiali e tecniche per la produzione ad alto rendimento e a basso impatto di carbonio. Uno dei progetti più attivi del suo gruppo, finanziato anche da SETO, sta sviluppando strumenti in situ in grado di misurare la crescita dei cristalli di perovskite mentre vengono rapidamente depositati durante la stampa roll-to-roll. Con il supporto del Joint Center for the Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), il gruppo di MacKenzie sta anche utilizzando la stampante a più alta risoluzione al mondo per sviluppare nuovi elettrodi per estrarre corrente elettrica dalle celle solari in perovskite senza bloccare l’ingresso della luce solare nella cella.