Efficienza record, celle tandem al silicio e il futuro delle tecnologie solari ad alto rendimento
Perovskiti alogenate: materiali solari ad alto assorbimento (RDM-AI09_26)
Perovskiti alogenate: materiali solari ad alto assorbimento, bandgap regolabile e moduli leggeri; in tandem col silicio superano il 35% di efficienza
Le perovskiti alogenate stanno trasformando la produzione di energia solare grazie a proprietà optoelettroniche straordinarie: assorbimento della luce fino a 10 volte superiore al silicio, bandgap regolabile e processi produttivi a basse temperature ed economici. Con strati spessi pochi nanometri, queste strutture cristalline permettono la realizzazione di pannelli flessibili e ultraleggeri. In combinazione con il silicio nelle innovative celle tandem, la perovskite ha già superato la soglia del 35% di efficienza certificata, infrangendo i limiti teorici del fotovoltaico tradizionale.
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Ulteriore specifica sulle perovskiti utilizzate nel fotovoltaico e del loro futuro
Le perovskiti alogenate (o halide perovskites) sono una classe di materiali semiconduttori ionici caratterizzati da una specifica struttura cristallina definita dalla formula chimica generale ABX3
Cosa sono le perovskiti alogenate?
Le perovskiti alogenate sono una classe di materiali semiconduttori caratterizzati dalla formula chimica generale ABX3. La loro architettura molecolare è costituita da una rete tridimensionale di ottaedri BX6 collegati tra loro per i vertici
Sito A: ospita un catione di grandi dimensioni, che può essere organico (come il metilammonio CH3NH3+) oppure inorganico (come il cesio Cs+).
Sito B: un catione metallico bivalente più piccolo, tipicamente piombo (Pb2+) o stagno (Sn2+).
Sito X: è rappresentato da un anione alogenuro (ioduro I-, bromuro Br-, cloruro Cl- o loro miscele)
Grazie a questa particolare struttura cristallina, l'impiego delle celle solari in perovskiti ha rivoluzionato il settore energetico per via dell'elevatissimo assorbimento ottico e dell'efficiente trasporto di carica. La possibilità di depositare questi materiali in strati sottilissimi consente di realizzare un pannello fotovoltaico di nuova generazione ad altissima efficienza, leggero e flessibile
Perché sono così importanti?
Le perovskiti alogenate rappresentano un'innovazione fondamentale per l'optoelettronica e l'energia solare. Esse offrono diversi vantaggi chiave.
Proprietà ottiche ed elettroniche eccezionali
Assorbimento di luce elevatissimo: Hanno un coefficiente di assorbimento della luce fino a 10 volte superiore a quello del silicio. Bastano strati sottilissimi di appena 300–500 nanometri per catturare la stessa quantità di luce che nel silicio richiede spessori di centinaia di micrometri.
Bandgap regolabile (tunable): Variando la composizione di alogenuri (es. la percentuale di iodio, bromo o cloro) o dei cationi, è possibile sintonizzare la banda proibita tra 1,1 eV e 2,3 eV per assorbire porzioni specifiche dello spettro solare.
Trasporto di carica e tolleranza ai difetti: Garantiscono lunghe distanze di diffusione dei portatori di carica, elevata mobilità e lunghi tempi di vita degli elettroni. Inoltre, mantengono un'alta efficienza energetica anche in presenza di difetti strutturali o impurità nel reticolo cristallino
Produzione economica e a bassa temperatura
A differenza del silicio cristallino, che richiede processi di fusione e purificazione a temperature superiori a 1400 °C, le perovskiti alogenate si sintetizzano a basse temperature (sotto i 150–200 °C) da soluzioni liquide. Ciò consente l'uso di tecniche di stampa veloci ed economiche (roll-to-roll, slot-die, spray-coating) con consumi energetici ridotti.
Leggerezza, flessibilità e versatilità
La possibilità di depositarle su substrati deformabili (plastica, tessuti) permette di realizzare moduli ultra-leggeri, flessibili e semitrasparenti. Trovano applicazione nell'integrazione architettonica (BIPV), nell'elettronica indoor per dispositivi IoT e nel settore aerospaziale.
Rivoluzione nel fotovoltaico (Celle Tandem)
L'efficienza delle celle solari a giunzione singola in perovskite è cresciuta a ritmi senza precedenti, passando da meno del 4% a oltre il 26-27%.
Sovrapponendo uno strato di perovskite ad una cella al silicio (celle tandem), la perovskite assorbe la luce blu/UV ad alta energia mentre il silicio cattura la luce infrarossa a bassa energia. Questa sinergia consente di superare il limite teorico di Shockley-Queisser del silicio a singola giunzione, raggiungendo record di efficienza certificata del 35,0%
Differenze tra perovskite alogenate, perovskiti classiche e silicio
Le differenze tra perovskiti alogenate, perovskiti classiche e silicio risiedono nella loro composizione chimica, nella struttura fisica e nelle proprietà optoelettroniche che ne determinano l'impiego industriale
Perovskiti Convenzionali (Ossidi)
Prendono il nome dal minerale naturale titanato di calcio, scoperto nel 1839 sui Monti Urali da Gustav Rose e intitolato al mineralogista Lev Perovski. Seguono la formula chimica generale ABX3, dove nell'accezione classica l'anione X è rappresentato dall'ossigeno, il quale forma con il catione metallico B una rete di ottaedri BX6 condivisi per i vertici.
Nel reticolo, il sito A ospita un catione metallico di grandi dimensioni (es. Ca2+, Ba2+) e il sito B un catione metallico più piccolo (es. Ti4+).
Non vengono impiegate direttamente come assorbitori solari a banda diretta nelle celle fotovoltaiche.
Perovskiti Alogenate (Halide Perovskites)
Costituiscono una specifica famiglia sintetica con formula generalizzata ABX3, in cui l'anione X è sostituito da un alogenuro (ioduro, bromuro, cloruro o loro miscele). Il sito B è occupato da un metallo bivalente (tipicamente piombo Pb2+ o stagno Sn2+), mentre il sito A contiene cationi organici (come il metilammonio) o inorganici Cs+.
A differenza del silicio e degli ossidi classici, le perovskiti alogenate possiedono una banda proibita (bandgap) diretta e sintonizzabile tra 1,1 eV e 2,3eV, un coefficiente di assorbimento della luce estremamente elevato, lunghe distanze di diffusione dei portatori di carica e un'elevata tolleranza ai difetti
Si sintetizzano a basse temperature da soluzioni liquide tramite tecniche di stampa o rivestimento. Sono necessari strati di appena 300–500 nanometri per assorbire la luce solare, consentendo la realizzazione di dispositivi leggeri e flessibili.
Mostrano instabilità chimico-fisica di fronte a umidità, calore e raggi UV, e pongono sfide di tossicità legate alla presenza del piombo
Silicio Cristallino
È il semiconduttore inorganico solido tradizionale, caratterizzato da una banda proibita indiretta e da un bandgap fisso a 1,1 eV non modificabile chimicamente.
La sua fabbricazione richiede processi di fusione e purificazione ad altissimo consumo energetico con temperature superiori a 800 – 1400 °C. Essendo l'assorbimento meno intenso rispetto alle perovskiti alogenate, richiede wafer spessi 150–200 micrometri, risultando rigido e pesante.
Il suo principale vantaggio è la straordinaria stabilità operativa, garantita commercialmente per 25–30 anni
Le nuove frontiere del fotovoltaico
Le ricerche più recenti nel campo delle perovskiti per applicazioni fotovoltaiche identificano diverse direzioni emergenti fondamentali per superare i limiti attuali di stabilità, tossicità e riproducibilità su larga scala
Perovskiti ad Alta Entropia (High-Entropy Perovskites - HEP)
Le perovskiti ad alta entropia sono materiali innovativi in cui diversi tipi di ioni vengono mescolati nello stesso reticolo cristallino. Questo “disordine controllato” rende la struttura più stabile e resistente: impedisce che i componenti si separino, riduce il movimento degli ioni e migliora la tenuta termica e chimica. In pratica, permette di regolare insieme bandgap, tolleranza ai difetti e rigidità del reticolo, ottenendo stabilità intrinseca senza dover aggiungere strati protettivi esterni.
Progettazione assistita da Apprendimento Automatico (Machine Learning e DFT)
La progettazione assistita da apprendimento automatico unisce due strumenti potenti: la DFT (Teoria del Funzionale della Densità) e il Machine Learning. La DFT calcola al computer le proprietà atomiche dei materiali — come struttura elettronica, stabilità e capacità di assorbire luce — prima di costruirli in laboratorio. Il Machine Learning, invece, impara dai dati e riconosce schemi tra composizione e prestazioni, così può prevedere rapidamente quali materiali saranno più efficienti o stabili. Insieme, questi metodi permettono di scoprire nuovi materiali fotovoltaici in modo molto più veloce e preciso, riducendo i tentativi sperimentali.
Caratterizzazione Operando Avanzata
Per capire davvero come funziona una cella mentre lavora e come si degrada nel tempo, i ricercatori usano tecniche di misura in tempo reale, direttamente durante il funzionamento del dispositivo.
Si utilizzano strumenti che osservano la cella mentre è sotto luce, calore, umidità o campo elettrico come la diffrazione a raggi X operando (operando XRD), la voltometria o fototensione di superficie (SPV), la fotoluminescenza e la spettroscopia di impedenza.
Queste misurazioni forniscono informazioni immediate sulle transizioni di fase, sulla migrazione ionica, sull'accumulo di trappole di difetti e sui cambiamenti strutturali indotti simultaneamente da illuminazione, calore, umidità e campi elettrici. Ciò permette di stabilire una correlazione diretta tra i meccanismi microscopici di degrado e il calo delle prestazioni macroscopiche del dispositivo.
Scalabilità Industriale e Fabbricazione di Moduli
Per passare dalle celle di laboratorio ai moduli fotovoltaici reali, serve usare tecniche di produzione veloci, precise e adatte alle grandi superfici.
Per produrre moduli grandi e uniformi si usano processi industriali come il blade coating, la deposizione slot-die, la stampa roll-to-roll o la co-evaporazione sotto vuoto. Sono tecniche che permettono di stendere i materiali in modo rapido e controllato, su superfici molto più grandi rispetto ai test di laboratorio.
Il film deve essere omogeneo, senza difetti o piccoli fori, anche quando viene depositato su ampie superfici o su substrati di silicio testurizzati (nelle configurazioni tandem).
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