Celle solari di perovskite e alternative

Cosa sono le celle solari di perovskite

Le celle solari di perovskite si basano su una classe unica di materiali che condividono il nome della struttura cristallina del materiale. La sua formula chimica conferisce alla perovskite proprietà uniche di assorbimento della luce. La struttura è semplice e si presta a metodi a basso costo per la trasformazione in celle solari funzionanti. In laboratorio, queste celle hanno raggiunto tassi di conversione di energia notevoli. Secondo gli scienziati, la struttura della perovskite aiuta ad assorbire un'ampia gamma di lunghezze d'onda della luce solare. Questo, a sua volta, è uno dei fattori chiave per catturare più energia solare.

Queste celle sono state oggetto di attenzione perché possono essere preparate con un processo in soluzione. Ciò significa che per la produzione sono necessari macchinari più piccoli e meno energia. Il processo di produzione presenta analogie concettuali con le tecniche di stampa utilizzate in altri settori. Il processo può essere eseguito rapidamente in un ambiente controllato. La tecnica utilizza materiali poco costosi. Tuttavia, rispetto ai pannelli di silicio, il metodo della perovskite è ancora in fase di maturazione. Sono in corso ricerche per risolvere problemi come il degrado ambientale e la durata a lungo termine.

Rispetto alle opzioni tradizionali, le celle solari in perovskite hanno un costo di produzione molto più basso. Anche se in fase iniziale, le efficienze realizzate sono vicine a quelle osservate nelle celle solari al silicio. Questo ha suscitato l'interesse di molti ingegneri e ricercatori. Numerosi casi di studio hanno dimostrato la fattibilità dell'uso di materiali di perovskite in combinazione con la tecnologia esistente. I primi test sul campo, condotti in climi miti, si sono rivelati promettenti.

Confronto con le celle solari al silicio

Le celle solari al silicio sono state per lungo tempo la spina dorsale della produzione di energia solare. Hanno una storia di prestazioni costanti e di affidabilità a lungo termine. Le differenze principali sono le seguenti:

- Efficienza: Le celle solari di perovskite, nelle condizioni ideali dell'ambiente di laboratorio, eguagliano o addirittura superano le celle solari di silicio. Gli scienziati hanno riportato tassi di efficienza superiori al 25% in alcuni esperimenti. Questi numeri sono incoraggianti per la prossima fase di sviluppo delle celle solari.

- Costi di produzione: In termini di costi, il vantaggio apparente è detenuto dalle celle solari di perovskite. La possibilità di stampare o rivestire queste celle con attrezzature semplici suggerisce costi di allestimento e produzione inferiori. I pannelli a base di silicio hanno requisiti energetici elevati e strutture costose per la loro produzione.

- Stabilità: I pannelli al silicio sono sul mercato da decenni. Le loro prestazioni a lungo termine sono state dimostrate in un'ampia varietà di condizioni ambientali. Al contrario, le celle solari in perovskite sono ancora sensibili all'umidità e all'illuminazione prolungata. La maggiore sensibilità ambientale riduce gli attuali impieghi delle celle solari di perovskite all'esterno. Per ovviare a questi difetti sono in corso di realizzazione interventi di incapsulamento e modifiche chimiche da parte di diversi ricercatori.

- Materiale e scalabilità: L'industria del silicio è stata perfezionata nel corso degli anni con enormi catene di approvvigionamento. Il silicio è ampiamente disponibile e conosciuto. I materiali di perovskite, invece, sono ancora in fase di sperimentazione per la produzione su larga scala. Per poter scalare sono necessari ulteriori progressi nel controllo dei processi, nell'uniformità della qualità e nel miglioramento della durata.

La promessa generale di un'elevata efficienza, insieme ai bassi costi delle celle solari in perovskite, rende questa tecnologia molto interessante. Tuttavia, la diffusione pratica deve essere all'altezza della stabilità e della robustezza dei materiali delle soluzioni al silicio. Gli ingegneri attendono con ansia il giorno in cui le celle di perovskite potranno essere utilizzate con sicurezza su tutti i tetti e i parchi solari.

Confronto con le celle solari a film sottile

Altre alternative sono le celle solari a film sottile, che hanno già visto numerosi impieghi in diverse applicazioni. Soprattutto, sono facili da installare e hanno applicazioni flessibili. Ora facciamo un confronto con le celle solari a perovskite:

- Materiali utilizzati: In genere, le celle solari a film sottile sono realizzate in tellururo di cadmio o seleniuro di rame, indio e gallio. Questi materiali devono essere maneggiati in modo controllato. Le celle di perovskite, invece, utilizzano precursori chimici molto semplici e disponibili in commercio. Questa semplicità può tradursi in costi di produzione inferiori se prodotte in massa.

- Efficienza: Questo aspetto è di solito evidente in vari test in cui le celle solari a film sottile tendono a mostrare efficienze inferiori rispetto alle celle solari in perovskite. Pur non catturando la luce solare con la stessa efficienza delle perovskiti, le loro prestazioni rimangono costanti per lunghi periodi. Gli ingegneri hanno notato che le celle di perovskite possono talvolta superare le celle a film sottile in termini di efficienza di conversione energetica, soprattutto in condizioni di laboratorio. Questo può essere un'indicazione del fatto che le perovskiti hanno un vantaggio se i problemi legati alla stabilità vengono mitigati.

- Produzione: Le tecniche di fabbricazione delle celle a film sottile sono consolidate. Hanno beneficiato di molti anni di miglioramenti e possono essere ottimizzate per la produzione su larga scala. La fabbricazione della perovskite è ancora in fase di perfezionamento. La scalabilità a livelli industriali rimane un'area di ricerca attiva. L'ottimizzazione dei processi e il miglioramento delle tecniche di produzione sono necessari per renderli competitivi con i metodi a film sottile consolidati.

Sebbene l'efficienza delle celle solari a film sottile sia inferiore, la loro robustezza e i metodi di produzione maturi le rendono più interessanti. D'altra parte, la cella di perovskite offre una visione allettante di un futuro in cui alta efficienza e basso costo di produzione andranno di pari passo. Gli ingegneri e i ricercatori stanno anche discutendo su quale tecnologia sarà più adatta per quale applicazione. Per esempio, i dispositivi flessibili potrebbero richiedere la tecnologia a film sottile, mentre per i tetti delle case private in futuro i pannelli di perovskite potrebbero conferire vantaggi.

Celle solari organiche: Un confronto

Le celle solari organiche appartengono a un altro campo di materiali che assorbono la luce. Impiegano polimeri organici e piccole molecole per catturare la luce solare. Alcuni punti a confronto con le celle di perovskite:

- Efficienza: Le celle di perovskite sono, in generale, più efficienti delle celle solari organiche. I dati di laboratorio dimostrano che i dispositivi di perovskite superano le celle organiche nel convertire rapidamente la luce solare in elettricità. Anche quando il design creativo si rivela promettente per le celle organiche, la loro efficienza assoluta è vincolata dalle proprietà intrinseche del materiale.

- Stabilità e durata: Le celle solari organiche hanno generalmente una durata inferiore. I loro materiali tendono a degradarsi più rapidamente con l'esposizione agli agenti atmosferici e alla luce ultravioletta. Le celle a perovskite sono più promettenti in questo campo. Con metodi di incapsulamento migliori, le celle di perovskite potrebbero durare più a lungo della maggior parte di quelle organiche. Gli esperimenti hanno dimostrato che le celle di perovskite ben protette possono mantenere le prestazioni per periodi più lunghi.

- Costi e produzione: Sia le celle solari organiche che quelle in perovskite possono essere processate in soluzione. In generale, entrambi i processi di lavorazione richiedono meno attrezzature rispetto alla produzione di celle al silicio. Tuttavia, le celle di perovskite hanno un vantaggio in questo senso. In molti casi di test mostrano un miglior rapporto efficienza/costo. I ricercatori hanno notato che le celle organiche richiedono spesso additivi o metodi di stratificazione complessi, che fanno lievitare i costi senza ottenere guadagni comparabili in termini di prestazioni.

La flessibilità delle celle solari organiche ha portato ad applicazioni pratiche per dispositivi portatili e a bassa potenza. In futuro, la tecnologia della perovskite potrebbe svolgere un ruolo più ampio nello sviluppo dell'energia solare, grazie alla sua maggiore efficienza e al potenziale di produzione a basso costo. Molti studi pilota hanno indicato che le perovskiti potrebbero presto diventare competitive per l'elettronica di consumo, per il fotovoltaico integrato negli edifici e persino per la produzione di energia su larga scala, se si risolvono i problemi di stabilità.

Conclusioni

Le celle solari al silicio offrono durata e tecnologia comprovata, le celle a film sottile offrono maturità produttiva e flessibilità progettuale, le celle organiche si rivolgono a mercati di nicchia con le loro forme leggere, mentre le celle solari a perovskite promettono un'elevata efficienza a bassi costi di produzione.

Domande frequenti

F: Qual è il vantaggio più significativo nell'utilizzo delle celle solari in perovskite?

D: Offrono un'elevata efficienza, con bassi costi di produzione rispetto alle celle al silicio convenzionali.

F: Qual è l'attuale sfida delle celle di perovskite?

R: Sono soggette a degrado ambientale, il che ne limita l'uso a lungo termine all'aperto.

F: Come si collocano le celle di perovskite rispetto alle celle solari organiche?

D: Di solito presentano un'efficienza più elevata e una migliore stabilità a lungo termine rispetto alle celle organiche.