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Pannelli solari perovskite
Una sostanza nota agli scienziati da oltre cento anni, solo oggi, all'inizio del XXI secolo, si è rivelata un materiale molto promettente per la produzione di celle solari economiche ed efficaci. La perovskite, o titanato di calcio, trovata per la prima volta nella forma di un minerale dal geologo tedesco Gustav Rosa negli Urali nel 1839, e intitolata al conte Lev Alekseevich Perovsky, un glorioso statista e collezionista di minerali, l'eroe della guerra patriottica del 1812, si rivelò il contendente più adatto per il ruolo dell'alternativa al silicio nella produzione di celle solari.
Come sostanza, fino a poco tempo fa, il titanato di calcio era ampiamente usato solo come dielettrico per condensatori ceramici multistrato. E ora stanno provando ad applicarlo per costruire pannelli solari altamente efficienti, dal momento che si è scoperto che questo materiale assorbe perfettamente la luce.
Ordinario, lungo tradizionale pannelli solari al silicio con uno spessore di 180 micron, assorbono la stessa quantità di luce assorbita dalla perovskite con uno spessore di solo 1 micron. La perovskite, proprio come il silicio, è un semiconduttore e trasferisce la carica elettrica allo stesso modo sotto l'influenza della luce, ma lo spettro di luce convertito in elettricità nella perovskite è più ampio di quello del silicio.
La struttura della sostanza cristallina del titanato di calcio è identica alla struttura del minerale di perovskite, quindi il loro nome è lo stesso. Ed è questa sostanza che si trova oggi in uno dei posti principali nella classifica dei percorsi di ottimizzazione per l'energia solare.
Il fatto è che oggi i pannelli solari a base di silicio costano in media 75 centesimi per 1 kW e i pannelli solari a base di perovskite ridurranno il loro costo a 10-15 centesimi per 1 kW, ovvero la tecnologia solare perovskite in 5-7 volte più economico del silicio sia nella produzione di batterie che nel loro funzionamento, e la quantità di elettricità prodotta è la stessa.
E questo nonostante il fatto che gli analisti del settore energetico affermino che già a un costo di 50 centesimi per 1 kW, l'energia solare diventa competitiva con i combustibili fossili. Cioè, il passaggio alla perovskite su scala globale ridurrà il costo della produzione di elettricità a volte, mentre il processo di produzione dei pannelli stessi sarà molto semplice.
Studi per valutare e migliorare l'efficienza delle celle solari a base di perovskite sono stati condotti in molti paesi: in Australia, Martin Green, in Svizzera, Michael Gretzel, negli Stati Uniti, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day e Corea, Sok Sang Il. I ricercatori dichiarano all'unanimità il basso costo e l'elevata efficienza della tecnologia promettente.
Michael Gretzel sostiene che la sua efficienza del 15% può essere facilmente aumentata al 25% e che le celle solari economiche di quelle attualmente disponibili non raggiungono il 15%. Per la prima volta, nel 2009, quando stavano solo parlando delle possibilità di utilizzare la perovskite per l'energia solare, è stata ottenuta un'efficienza del 3,5% e le celle sono state di breve durata, poiché l'elettrolita liquido ha dissolto la perovskite e non appena gli scienziati hanno avuto il tempo di misurare, la batteria ha smesso di funzionare.
Tuttavia, dopo tre anni, l'elettrolita liquido è stato sostituito da uno solido, e le celle sono diventate più stabili, e l'efficienza prima è raddoppiata, quindi di nuovo raddoppiata. Diversi strati di substrato elettricamente conduttivi, uno dei quali è stato rivestito con un pigmento, ha risolto il problema e aperto la prospettiva. I passi per migliorare l'efficienza non si fermano ancora oggi, gli scienziati usano, tra le altre cose, metodi di ottimizzazione standard che sono serviti a migliorare i precursori del silicio.
Michael Gretzel è sicuro che un'efficienza del 25% porterà a una rivoluzione nell'energia solare.Un professore australiano, Martin Green, uno dei pionieri della ricerca, afferma che le batterie prive di silicio sono così semplici da produrre ed efficienti da funzionare che c'è sicuramente la fiducia che il futuro dei pannelli solari su Perovskite sia luminoso, perché le stime preliminari prevedono già un'enorme riduzione del prezzo - a 7 tempo.
Un gruppo di ricercatori coreani, guidato da Sok Sang Il, ha sviluppato la propria formula mescolando il bromuro di ammonio di piombo con lo ioduro di formamidina di piombo, gli scienziati hanno raggiunto una struttura di perovskite tale da determinare un'efficienza record del 17,9%. L'uso della miscela consentirà la stampa di celle solari e il loro costo sarà ulteriormente ridotto. Il problema rimane: il materiale si dissolve in acqua, inoltre, la dimensione delle celle nei test non ha superato i 10 mm quadrati, quindi la ricerca continua.
Il processo di produzione di celle solari perovskite sembra abbastanza semplice ai ricercatori. Il liquido viene semplicemente spruzzato sulla superficie o applicato sotto forma di vapore, che è molto semplice da implementare tecnologicamente. Diversi strati di materiali vengono applicati su lamina di metallo o vetro, uno dei quali è la perovskite.
Qui sono necessari altri materiali per facilitare il movimento degli elettroni all'interno dell'elemento. Il processo di produzione è vicino all'ideale. Il fisico Henry Saint dell'Università di Oxford, che lavora allo sviluppo di cellule di perovskite negli Stati Uniti, è fiducioso che gli strati del pannello solare verranno applicati facilmente come con una normale vernice su una superficie.
Nonostante le prospettive emergenti, gli scienziati sono stati divisi in due campi. Il primo sostiene il miglioramento delle batterie al silicio che sono già diventate tradizionali, mentre gli altri sostengono la creazione di batterie completamente nuove e più efficienti. Quindi, Martin Green ritiene che la perovskite possa essere utilizzata come aggiunta alle batterie al silicio combinando il silicio con la perovskite, riducendo così il costo di un watt di elettricità prodotta senza perdite significative per l'industria del silicio. Michael Gretzel, al contrario, è convinto che i nuovi sviluppi siano importanti e che il costo di aumentare l'efficienza delle nuove fotocellule pagherà molte volte.
Molte aziende stanno già lavorando all'implementazione commerciale del prodotto, perché nonostante le possibilità della perovskite stiano appena iniziando a essere realizzate, i principali esperti nel campo dell'energia solare hanno già rivolto la loro attenzione al futuro. Le società australiane e turche si sono avvicinate attivamente alla commercializzazione dei pannelli solari perovskite e, secondo le previsioni, entro il 2018 saranno presentate sul mercato mondiale.
Nonostante l'ottimismo di alcune aziende, l'esperienza dimostra che di solito ci vogliono dieci anni perché una nuova tecnologia passi dal laboratorio al mercato e, durante questo periodo, le batterie al silicio potrebbero superare la perovskite. Gretzel, a proposito, sta vendendo una licenza per le nuove tecnologie alle aziende che intendono seguire il tradizionale modo del silicio.
Anche la concorrenza nel mercato dell'energia solare è elevata e ogni nuovo attore si trova di fronte. Il costo dei pannelli di silicio è ridotto e, secondo alcuni analisti, può scendere a 25 centesimi per 1 kW, il che priva completamente i vantaggi della tecnologia perovskite.
La presenza di una piccola quantità di piombo nel pigmento, che è tossica, rimane un problema. Stanno arrivando studi sperimentali che riveleranno quanto sia tossica la perovskite. Vale la pena prestare attenzione allo smaltimento delle batterie usate, come nel caso delle batterie per auto di avviamento. Ma in linea di principio, al posto del piombo si può usare stagno o qualcosa di simile.
Nel frattempo, i ricercatori dell'Ohio, guidati da Leaming Dai, hanno iniziato a elettrizzare le auto elettriche utilizzando pannelli solari di perovskite. Hanno sviluppato la combinazione più vantaggiosa di pannelli solari con batterie per auto elettriche che mai.
Collegando quattro batterie perovskite a una batteria al litio, gli scienziati hanno raggiunto un'efficienza del 7,8% nella configurazione più efficiente fino ad oggi, che ha superato le precedenti soluzioni per combinare celle solari con supercondensatori e batterie.
I pannelli multistrato hanno aumentato la densità e la stabilità dell'energia ricevuta dal sole. I test hanno dimostrato che tre strati di perovskite vengono trasformati, se desiderato, in un film. Con un'area a cella singola non superiore a 10 mm quadrati, i ricercatori hanno raggiunto un'efficienza del 12,65% di un convertitore a dimensione di moneta, ma tenendo conto della conversione e della conservazione dell'energia, l'efficienza era del 7,8% in modalità ciclica.
Tali sistemi, secondo gli sviluppatori, saranno in futuro in grado non solo di caricare le auto elettriche, ma saranno anche installati sotto forma di un film flessibile sui corpi. La tecnologia sembra ideale per i veicoli elettrici.
Notevole è la capacità della perovskite di riemettere. Uno scienziato dell'Università di Cambridge, Felix Deschler, ha scoperto che la perovskite ha una proprietà unica. Quando la luce entra nel materiale, l'energia del fotone non viene semplicemente convertita in elettricità, parte della carica viene riconvertita in fotoni.
Se il pannello può riutilizzare questi fotoni, l'energia raccolta diventerà ancora maggiore. Il gruppo di Deshler ha condotto un esperimento in cui il raggio laser è stato concentrato su una sezione di perovskite spessa 0,5 micron e la luce è stata riemessa altrove nel campione. Il silicio, ad esempio, non ha la capacità di trasferire energia al suo interno e di emetterla nuovamente.
Pertanto, le prospettive per la perovskite sono enormi e, chissà, potrebbe essere proprio nel periodo in cui ogni casa e ogni macchina saranno dotate di batterie perovskite, poiché diventerà economicamente non redditizia e non consigliabile inquinare l'ambiente con prodotti di combustione di combustibili fossili.
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