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Il cristallo che cattura il sole

 By Amanda Saint

Ricercatori della University of Cambridge (Regno Unito) e del Politecnico di Milano (Italia), hanno rivelato di aver quantificato la velocità a cui dovranno operare le future celle solari al fine di estendere quello che oggi viene visto come il limite naturale alla loro efficienza di conversione dell’energia. E si tratta in effetti di una velocità estremamente elevata…

Il team di ricercatori ha pubblicato i risultati sulla rivista Nature in un articolo intitolato: “Ultrafast carrier thermalization in lead iodide perovskite probed with two-dimensional electronic spectroscopy” (Termalizzazione ultraveloce in perovskite allo ioduro di piombo valutata tramite spettroscopia elettronica bidimensionale).
In un comunicato stampa, Johannes Richter, un dottorando del Gruppo di Optoelettronica del Cavendish Laboratory presso la University of Cambridge, autore principale dell’articolo, ha dichiarato: “La tempistica che abbiamo calcolato rappresenta ora il limite temporale entro cui dobbiamo operare se vogliamo creare apparecchi solari hot carrier super efficienti”.

Nuovi materiali per l’energia solare

Nello studio il team ha analizzato apparecchi fotovoltaici basati su un nuovo tipo di materiali chiamati perovskiti, che si prevede sostituiranno il silicio nei futuri pannelli fotovoltaici.
Queste perovskiti hanno già quasi eguagliato l’efficienza energetica del silicio e i risultati dello studio suggeriscono che con ulteriori sviluppi potranno raggiungere livelli senza precedenti di super-efficienza. Questo risultato è possibile in parte in conseguenza delle dimensioni, essendo molto più sottili delle celle di silicio che hanno generalmente uno spessore di un millimetro. Viceversa le celle a perovskite hanno uno spessore di circa un micrometro. Per avere un termine di paragone, si tratta di uno spessore cento volte inferiore rispetto a quello di un capello umano.
Un altro vantaggio di queste celle è la loro altissima flessibilità. Il team ritiene che ciò implichi la possibilità di usarle per applicazioni diverse dalla generazione di energia e che un giorno potranno essere impiegate su oggetti come tende e abiti. Si prevede che potranno essere usate nella prossima generazione di batterie per veicoli elettrici, sensori e laser.

Cristalli di perovskite (Rob Lavinsky, Wikimedia)

Conversione solare veloce

In che modo le perovskiti raggiungeranno questi nuovi livelli di super-efficienza? I ricercatori dichiarano che per ottenere questi risultati sarà necessario trasformare la luce solare in elettroni e poi estrarre questi ultimi come carica elettrica entro pochi quadrilionesimi di secondo.
I ricercatori prevedono che muovere gli elettroni a queste altissime velocità consentirà di creare celle solari hot carrier in grado di generare elettricità in modo molti più efficiente. Il risultato viene ottenuto sfruttando l’energia cinetica di cui sono dotati gli elettroni per un breve momento subito dopo che vengono creati e sono in movimento ad alta velocità.
In base ai risultati ottenuti dal team di ricercatori, la quantità di energia elettrica che può essere estratta da una cella solare hot carrier può consentire di ottenere un tasso di efficienza del 30 percento, mentre le normali celle al silicio presentano un’efficienza che è più vicina al 20 percento.
Cosa significa tutto ciò per l’industria solare? Potenzialmente significa che in futuro l’industria potrà creare più energia a un costo inferiore, un bel vantaggio in un mondo che vuole liberarsi dai combustibili fossili. Ma quali sono gli svantaggi?

Celle solari in perovskite (University of Oxford Press Office, Flickr)

Creare le perovskiti

Anche se si prevede che la maggiore efficienza porterà a una diminuzione del costo complessivo dell’energia solare, al momento uno dei fattori che frena la commercializzazione su vasta scala delle perovskiti è il costo.
Secondo il portale Perovskite-Info, lanciato nel 2015 subito dopo la scoperta delle perovskiti, il materiale utilizzato con maggiore frequenza come elettrodo nelle celle solari a perovskite è l’oro — e questo le rende costose da produrre. È possibile produrre le celle a un costo minore sostituendo all’oro altri materiali ma le celle solari a perovskite più economiche hanno una vita minore e quindi è necessario produrne di più.
Il portale, che rappresenta un centro informativo per professionisti e appassionati della perovskite, rivela anche che le celle solari a perovskite si deteriorano rapidamente in presenza di umidità e che questo processo provoca la produzione di un sottoprodotto che attacca gli elettrodi metallici. È possibile aggirare questo problema inserendo la perovskite in un materiale protettivo, ma in questo modo aumentano costo o peso delle celle.
Sempre il portale sottolinea come un’altra importante sfida è rappresentata dall’aumento di scala e come gli elevati livelli di efficienza ottenuti utilizzando piccole celle sono validi solo in un ambiente di laboratorio, dato che le celle sono troppo piccole per poter essere utilizzate in pannelli solari.
Per finire viene sollevato il problema della tossicità. Uno dei prodotti della scissione della perovskite è una sostanza denominata PbI, di cui è nota la tossicità e che potrebbe anche essere cancerogena. Resta inoltre il fatto che molte celle a perovskite utilizzano il piombo, che ha un impatto ambientale negativo nelle fasi di estrazione e lavorazione e che può provocare avvelenamento da piombo negli esseri umani sovraesposti a tale materiale.
Ci sono numerose sfide significative da affrontare prima che le perovskiti possano dispiegare le loro immense potenzialità. Ma quando sarà raggiunto questo risultato l’industria solare potrà ottenere molto di più, per molto meno, e contribuirà a tagliare le emissioni globali di carbonio ancor più di quanto già oggi sia riuscita a conseguire.

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