Cosa frena l'adozione di massa delle celle solari di perovskite?

Cosa c'è di speciale nelle celle solari di perovskite

Lecelle solari di perovskite sono una giovane classe di dispositivi fotovoltaici che hanno immediatamente attirato l'attenzione nel campo delle energie rinnovabili. Il loro nome deriva da una struttura cristallina comune a un gran numero di minerali. Queste nuove celle assorbono fortemente la luce e la convertono efficacemente in elettricità con un'elevata efficienza di conversione di potenza. Molti gruppi hanno dimostrato efficienze di conversione dell'energia competitive e persino superiori a quelle delle tradizionali celle solari al silicio. La loro promessa deriva dalla semplicità della composizione chimica e dal basso costo dei loro materiali.

Queste celle solari hanno suscitato interesse perché offrono un nuovo approccio. Le loro proprietà le rendono adatte all'integrazione in diversi ambienti. In laboratorio, le celle solari di perovskite sono state coltivate attraverso un processo di soluzione a bassa temperatura. La stessa tecnica potrebbe consentire la stampa roll-to-roll su substrati flessibili. Questo processo è simile alla stampa di giornali e apre la strada a una produzione economicamente vantaggiosa. In molti casi, queste celle possono essere realizzate su plastica anziché su vetro rigido. Ciò apre la strada a numerose applicazioni, dal fotovoltaico integrato negli edifici all'elettronica portatile. Tuttavia, rimangono delle sfide su come produrre questi film in modo affidabile su larga scala.

I principali vantaggi delle celle solari a perovskite

Tra i numerosi vantaggi, le celle solari di perovskite presentano diversi vantaggi unici rispetto alle tecnologie convenzionali.

- Alta efficienza di conversione di potenza: Presentano un'efficienza di conversione pari a quella delle celle a base di silicio. In alcuni test di laboratorio, queste celle hanno raggiunto un'efficienza vicina al 25%.

- Basso costo di produzione: Durante il processo di produzione si possono utilizzare metodi di lavorazione in soluzione e tecniche roll-to-roll. Il consumo di energia e gli scarti di materiale possono essere ridotti con questo processo rispetto alla produzione di silicio ad alta temperatura.

- Design flessibile e leggero: Gli strati sottili e flessibili li rendono adatti a essere inseriti nei materiali da costruzione e nell'elettronica portatile. Ad esempio, gli strati di perovskite sono già stati testati su finestre e superfici curve, indicando la facilità con cui possono adattarsi a molte condizioni particolari.

- Elevato assorbimento e proprietà di bandgap sintonizzabili: Il materiale di perovskite può essere facilmente ingegnerizzato per assorbire un'ampia gamma dello spettro solare. Questo migliora le prestazioni in diverse condizioni di luce.

Questi vantaggi hanno portato le celle solari di perovskite sotto i riflettori di ricercatori, investitori e industrie. Offrono il tipo di vantaggi che le tecnologie tradizionali delle celle solari a volte non sono in grado di eguagliare. Il loro impatto potenziale è grande se si considera la riduzione dei costi di produzione e l'applicazione delle celle in diversi scenari.

Principali sfide nella scalabilità delle celle solari di perovskite

Nonostante i promettenti vantaggi, la scalabilità delle celle solari di perovskite verso il mercato di massa è fortemente ostacolata da una serie di sfide.

- Stabilità e durata: Una delle sfide più discusse è che, sotto stress ambientale, le celle solari di perovskite si degradano. La presenza di umidità, temperature elevate e luce ultravioletta tende a ridurne la vita. Il problema della degradazione è simile a quello che si verifica in molti materiali sensibili che non hanno raggiunto livelli di produzione maturi.

- Tossicità del piombo: La maggior parte delle celle solari in perovskite contiene piombo. Ciò comporta preoccupazioni per l'ambiente e rappresenta un rischio nel caso in cui il piombo si disperda negli ecosistemi. L'uso del piombo comporta una maggiore cautela nella produzione, nel funzionamento e nell'eventuale riciclaggio delle celle.

- Riproducibilità e uniformità: è difficile produrre film di perovskite di grande superficie della stessa qualità. In laboratorio, i dispositivi più piccoli mostrano risultati molto promettenti. Tuttavia, quando i ricercatori cercano di preparare film più grandi e uniformi, di solito presentano difetti e variazioni nelle prestazioni.

- Sfide di produzione: L'integrazione delle celle solari di perovskite nelle linee di produzione esistenti non è un compito facile. Le nuove procedure che sono attuabili in laboratorio devono essere adattate alla produzione industriale. La costanza delle prestazioni su larga scala rimane una grande sfida per i produttori.

Queste sfide spiegano perché le celle solari di perovskite, pur essendo promettenti, non hanno ancora raggiunto un'ampia diffusione commerciale. Ognuno di questi punti richiede una seria ricerca e sperimentazione prima che la tecnologia lasci il laboratorio.

Ostacoli tecnologici e commerciali

Il percorso verso l'adozione sul mercato di massa è irto di sfide tecniche e di mercato.

- Progressi limitati nella stabilità operativa a lungo termine: Mentre le prestazioni a breve termine nei laboratori sono impressionanti, le installazioni nel mondo reale richiedono che le celle solari funzionino efficacemente per decenni. C'è ancora molto lavoro da fare per garantire l'affidabilità a lungo termine.

- Problemi di scalabilità della lavorazione delle soluzioni per i dispositivi di grande superficie: I processi che forniscono un'elevata efficienza su piccola scala non sono facilmente scalabili per pannelli molto più grandi. Questo divario è uno dei maggiori ostacoli per le aziende che vogliono investire nella produzione su larga scala.

- Il compromesso tra costi di produzione su larga scala e prestazioni: le prestazioni devono essere soppesate con i costi di produzione. In pratica, i miglioramenti in termini di stabilità ed efficienza possono comportare costi maggiori. Questo è l'importante equilibrio che darà alle celle un vantaggio competitivo rispetto alle tecnologie consolidate.

- Mancanza di infrastrutture per la commercializzazione: Non esiste ancora una catena di approvvigionamento o un impianto di produzione completamente sviluppato e dedicato a queste nuove celle solari. Questa lacuna influisce sul ritmo di integrazione delle celle nei mercati solari consolidati. Le industrie e gli investitori attendono una dimostrazione più solida di maturità tecnologica.

Queste sfide riflettono il motivo per cui sia il mondo accademico che l'industria procedono con cautela nel processo di commercializzazione delle celle solari di perovskite. I progressi devono essere graduali; ogni sfida deve essere gestita con cura per creare fiducia nella tecnologia.

Potenziali soluzioni e progressi

Non esiste un'unica risposta ai problemi di scalabilità delle celle solari di perovskite. I ricercatori stanno perseguendo diversi miglioramenti per superare le sfide.

Sono state implementate diverse tecniche, come l'incapsulamento e gli additivi, per rendere lo strato di perovskite resistente all'umidità e alla temperatura. Ad esempio, la pellicola protettiva proteggerebbe gli strati attivi dalle sollecitazioni ambientali.

- Alternative non tossiche alle perovskiti a base di piombo: È in corso la sostituzione del piombo con elementi meno tossici. I primi candidati utilizzano lo stagno o altri metalli. In generale, queste alternative di seconda generazione devono mantenere un'elevata efficienza, garantendo al contempo una notevole riduzione dei rischi ambientali.

- Progressi nelle tecnologie di stampa e nelle tecniche di produzione scalabili: Nuovi metodi di stampa e processi roll-to-roll sono in fase di perfezionamento. Diverse linee pilota hanno dimostrato che è possibile stampare dispositivi di grande superficie con prestazioni costanti.

- Perovskiti ibride e celle solari tandem: L'utilizzo di perovskiti in combinazione con altri materiali in tandem ha il potenziale per fornire stabilità e prestazioni più elevate. Alcuni prototipi dimostrano già che è possibile ottenere questo risultato con un approccio stratificato che combina le caratteristiche di diversi materiali.

La ricerca è in costante progresso e ogni nuovo studio porta le celle solari di perovskite un passo più vicino a soddisfare i criteri tecnici e commerciali. Il lavoro è consapevole e attento, in grado di bilanciare l'innovazione con considerazioni di sicurezza e di costo. Per ulteriori informazioni sulle celle solari di perovskite, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

F: Qual è il principale vantaggio delle celle solari a perovskite?

Possiedono il vantaggio di un'elevata efficienza e di un basso costo, trovando così applicazione in diversi campi.

F: Qual è la sfida più grande per scalare la loro produzione?

Garantire la stabilità e l'uniformità a lungo termine nella produzione su grandi superfici rimane una delle sfide più importanti.

F: Esistono modi per ridurre la tossicità del piombo nelle celle di perovskite?

D: Sì, ci sono ricerche su alternative non tossiche e tecniche di stabilizzazione per gestire i rischi ambientali.

Riferimenti:

[1] Mahapatra, Apurba & Prochowicz, Daniel & Tavakoli, Mohammad & Trivedi, Suverna & Kumar, Pawan & Yadav, Pankaj. (2019). Una rassegna sugli aspetti dell'ingegneria additiva nelle celle solari di perovskite. Journal of Materials Chemistry A. 8. 10.1039/C9TA07657C.