Fonte: cei.washington.edu/
Cos'è una perovskite?
Una perovskite è un materiale che ha la stessa struttura cristallina del minerale calcio titanio ossido, il primo cristallo di perovskite scoperto. Generalmente, i composti di perovskite hanno una formula chimica ABX3, dove 'A' e 'B' rappresentano i 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. Usando 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 nelle macchine a ultrasuoni, nei chip di memoria e ora nelle celle solari.
Schema di una struttura cristallina di perovskite. (Wikimedia Commons)
Applicazioni di energia pulita delle perovskiti
Tutte le celle solari fotovoltaiche si basano su semiconduttori, materiali a metà strada 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 sin dagli anni '50, poiché le sue proprietà di semiconduttore 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 in più fasi che utilizza molta energia. Nella ricerca di un'alternativa, gli scienziati hanno sfruttato la sintonizzabilità delle perovskiti per creare semiconduttori con proprietà simili al silicio. Le celle solari in 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 stabile in perovskite a film sottile con efficienze di conversione da fotone a elettrone di oltre il 10%, utilizzando perovskiti di alogenuro di piombo come strato che assorbe la luce. Da allora, l'efficienza di conversione della luce solare in energia elettrica delle celle solari in perovskite è salita alle stelle, con il record di laboratorio pari al 25,2%. I ricercatori stanno anche combinando celle solari in perovskite con celle solari in 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 in silicio convenzionali) e stanno aumentando rapidamente. Con questo rapido aumento dell'efficienza delle celle, le celle solari in perovskite e le celle solari tandem in perovskite potrebbero presto diventare alternative economiche e altamente efficienti alle celle solari convenzionali in silicio.
Una sezione trasversale di una cella solare perovskite. (Istituto per l'energia pulita)
Quali sono alcuni obiettivi di ricerca attuali?
Mentre le celle solari di perovskite, inclusa la perovskite su tandem di silicio, vengono commercializzate da dozzine 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 sulla perovskite continuano a promuovere l'efficienza di conversione caratterizzando i difetti nella perovskite. Mentre i semiconduttori di perovskite sono notevolmente tolleranti ai difetti, i difetti continuano a influenzare negativamente le prestazioni, specialmente quelli che si verificano sulla superficie dello strato attivo. Altri ricercatori stanno esplorando nuove formulazioni chimiche di perovskite, sia per mettere a punto le loro proprietà elettroniche per applicazioni specifiche (come pile di celle in tandem), sia per migliorarne ulteriormente la stabilità e la durata.
I ricercatori stanno anche lavorando a 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 sull'invecchiamento accelerato per prevedere come dureranno le celle solari di perovskite sui tetti. Altri stanno rapidamente esplorando una varietà di processi di produzione, incluso come adattare gli "inchiostri" alla perovskite a metodi di stampa di soluzioni su larga scala consolidati. Infine, mentre le perovskiti più performanti sono oggi realizzate con una piccola quantità di piombo, i ricercatori stanno anche esplorando composizioni alternative e nuove strategie di incapsulamento, al fine di mitigare i problemi associati alla tossicità del piombo.
In che modo la CEI fa avanzare le perovskiti?
I cristalli di perovskite mostrano spesso difetti su scala atomica che possono ridurre l'efficienza di conversione solare. David Ginger, Chief Scientist della CEI e professore di chimica, ha sviluppato tecniche di "passivazione", trattando le perovskiti con diversi composti chimici per guarire questi difetti. Ma quando i cristalli di perovskite vengono assemblati nelle celle solari, gli elettrodi che raccolgono corrente possono creare ulteriori difetti. Nel 2019, Ginger e i collaboratori di Georgia Tech hanno ricevuto finanziamenti dall'Ufficio per le tecnologie dell'energia solare (SETO) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti per sviluppare nuove strategie di passivazione e nuovi materiali per la raccolta della carica, consentendo alle celle solari di perovskite di raggiungere il loro pieno potenziale di efficienza pur rimanendo compatibili. con 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, aggirando il limite teorico della conversione del 33% per le celle di silicio convenzionali. Gamelin e il suo team hanno sviluppato punti quantici di perovskite - minuscole particelle migliaia di volte più piccole di un capello umano - che possono assorbire fotoni ad alta energia ed emettere il doppio di fotoni a bassa energia, un processo chiamato "taglio quantico". Ogni fotone assorbito da una cella solare genera un elettrone, quindi il rivestimento a punti quantici di perovskite potrebbe aumentare notevolmente l'efficienza di conversione.
Gamelin e il suo team hanno formato una società spin-off chiamata BlueDot Photonic per commercializzare la tecnologia. Con il finanziamento di SETO, Gamelin e BlueDot stanno sviluppando tecniche di deposizione per creare film sottili di materiali in 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 sulle perovskiti. Usando la fotoluminescenza catturata da video ad alta velocità, Hillhouse e il suo gruppo stanno testando una varietà di perovskiti ibride 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 degrado per le celle solari di perovskite. Questo modello può aiutarli a ottimizzare la composizione chimica e la struttura di una cella solare in perovskite per la stabilità a lungo termine, una barriera chiave alla 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 a perovskite. Utilizzando la stampante roll to roll presso i Testbed, gli inchiostri perovskite possono essere stampati a basse temperature su substrati flessibili. Direttore tecnico banchi di provaJ. Devin MacKenzie, un 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 bassa impronta di carbonio. Uno dei progetti più attivi del suo gruppo, finanziato anche da SETO, è lo sviluppo di 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 Centro congiunto per lo sviluppo e Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), il gruppo di MacKenzie sta anche utilizzando la stampante con la più alta risoluzione al mondo per sviluppare nuovi elettrodi per estrarre la corrente elettrica dalle celle solari di perovskite senza impedire alla luce solare di entrare nella cella.
Il direttore tecnico di Washington Clean Energy Testbeds J. Devin MacKenzie dimostra la stampante roll-to-roll multistadio dei Testbeds per l'elettronica flessibile. (Istituto per l'energia pulita)
