La perovskite promette di essere meno costosa e più efficiente del silicio e diverse aziende affermano di essere vicine alla produzione su larga scala.
di Casey Crownhart
Testare le celle solari in perovskite in laboratorio richiedeva un paio di scarpe da corsa decenti. I materiali si sono sfaldati così rapidamente che gli scienziati sarebbero dovuti correre da dove hanno fabbricato le cellule a dove le hanno testate, cercando di misurare le loro prestazioni prima che le cellule si degradassero, di solito entro un paio di minuti.
Le perovskiti hanno a lungo incantato i ricercatori con la promessa di produrre celle solari poco costose e ultra efficienti e diverse aziende stanno facendo grandi passi avanti verso la produzione di celle solari commerciali con questo materiale su larga scala. Ma l’instabilità dei materiali ha minacciato di limitare il loro uso ai tetti e alle centrali elettriche. Sebbene alcune aziende affermino di aver risolto la sfida, almeno abbastanza bene da portare i prodotti preliminari sul mercato entro l’anno, alcuni ricercatori sono ancora scettici.
“La richiesta è di un prodotto efficiente”, afferma Joseph Berry, che guida il programma di ricerca sulla perovskite al US National Renewable Energy Laboratory. “Una parte di me ci crede, ma come scienziato devo ammettere di non avere dati sufficienti a conferma.
Le soluzioni sono diverse
Le perovskiti sono materiali sintetici, poco costosi e relativamente semplici da produrre anche in grandi quantità. Le perovskiti comuni utilizzate nel fotovoltaico sono in genere qualcosa come l’alogenuro di piombo di metilammonio, ma la famiglia delle perovskiti comprende migliaia di materiali che condividono la stessa struttura cristallina. Rivestiti su una base flessibile, possono produrre celle solari a film sottile che sono leggere e pieghevoli.
Anche se negli ultimi decenni sono emersi diversi nuovi materiali fotovoltaici, nessuno ha messo in discussione il predominio del mercato da parte del silicio, che si trova in circa il 95 per cento delle celle solari esistenti. Alcuni produttori di perovskite, come Saule Technologies, a Varsavia, stanno cercando di abbandonare del tutto il silicio.
L’azienda, fondata nel 2014, ha sviluppato un processo di stampa a getto d’inchiostro per la produzione di celle solari in perovskite racchiuse in una plastica flessibile. Un pannello contenente le cellule di Saule pesa circa un decimo di un pannello di silicio delle stesse dimensioni.
A maggio, Saule ha aperto uno stabilimento in grado di produrre circa 40.000 metri quadrati di pannelli all’anno. È sufficiente per generare circa 10 megawatt di potenza (alcune fabbriche che producono celle di silicio sono centinaia di volte più grandi). Mentre le perovskiti hanno il potenziale per raggiungere efficienze elevate (il record mondiale per una cella di sola perovskite è di poco superiore al 25 per cento), la maggior parte delle celle di perovskite con le migliori prestazioni oggi sono minuscole, grandi intorno ai 2,5 cm.
Il ridimensionamento rende più difficile raggiungere i potenziali limiti di efficienza. In questo momento, i pannelli di Saule, larghi un metro, raggiungono un’efficienza di circa il 10 per cento. Poco in confronto ai pannelli di silicio commerciali di dimensioni simili, che in genere raggiungono un’efficienza di circa il 20 per cento.
Olga Malinkiewicz, fondatrice e chief technology officer di Saule, afferma che l’obiettivo dell’azienda era quello di ottenere una cella solare di sola perovskite e che le efficienze inferiori non contano se la tecnologia è abbastanza economica. L’azienda sta cercando di andare dove i pannelli solari in silicio non lo faranno: sui tetti che non possono sopportare il peso dei pesanti pannelli rivestiti in vetro, o su applicazioni più specializzate, come le tende a energia solare, in via di sperimentazione.
Mentre Saule sta lanciando prodotti a film sottile per applicazioni più di nicchia, altre aziende sperano di battere il silicio, magari con l’unione. Oxford PV, con sede nel Regno Unito, sta incorporando perovskiti in celle combinate dei due materiali. Poiché il silicio assorbe la luce verso l’estremità rossa dello spettro visibile e le perovskiti possono essere sintonizzate per assorbire diverse lunghezze d’onda, il rivestimento di uno strato di perovskite sopra le celle di silicio consente alle celle combinate di raggiungere efficienze più elevate rispetto al solo silicio.
Le celle combinate di Oxford PV sono pesanti e rigide, come le celle di solo silicio. Ma dal momento che hanno le stesse dimensioni e forma, le nuove celle possono essere facilmente inserite nei pannelli per gli array sul tetto o le fattorie solari.
Chris Case, chief technology officer di Oxford PV, afferma che l’azienda è focalizzata sulla riduzione del costo livellato dell’elettricità, un tipo di misura che tiene conto dell’installazione di un sistema e dei costi di funzionamento a vita. A suo parere, mentre la stratificazione di perovskiti sopra il silicio aumenta il costo di produzione, il costo livellato della cella combinata dovrebbe scendere al di sotto del silicio nel tempo perché queste nuove celle sono più efficienti. Oxford ha stabilito diversi record mondiali di efficienza per questo tipo di celle negli ultimi anni, raggiungendo di recente il 29,5 per cento.
Anche Microquanta Semiconductor, un’azienda cinese di perovskite con sede a Hangzhou, prende spunto dalle celle solari al silicio. L’azienda produce pannelli da celle rigide con rivestimento in vetro realizzati con perovskite. La fabbrica pilota di Microquanta è stata aperta nel 2020 e dovrebbe raggiungere i 100 megawatt di capacità entro la fine dell’anno, afferma Buyi Yan, chief technology officer dell’azienda. L’azienda ha pannelli dimostrativi installati su diversi edifici e parchi solari in tutta la Cina.
In cerca di stabilità
La stabilità delle perovskiti è migliorata da minuti a mesi nell’arco di pochi anni. Ma la maggior parte delle celle al silicio installate oggi ha una garanzia di circa 25 anni, un obiettivo difficile da raggiungere per le perovskiti che sono particolarmente sensibili all’ossigeno e all’umidità, e che possono interferire con i legami nel cristallo, impedendo agli elettroni di muoversi efficacemente attraverso il materiale.
I ricercatori hanno lavorato per migliorare la durata del materiale, sia sviluppando tipi di perovskite meno reattive sia trovando modi migliori per confezionarle.
Oxford PV, Microquanta e Saule affermano di aver risolto il problema della stabilità, almeno abbastanza bene da vendere i loro primi prodotti. La stima delle prestazioni a lungo termine delle celle solari viene solitamente effettuata mediante test accelerati, mettendo le celle o i pannelli in condizioni estremamente stressanti per simulare anni di usura. La suite di test più comune per le celle al silicio per esterni è una serie chiamata IEC 61215.
Oxford e Microquanta hanno superato i test di questa serie relativi alle prestazioni delle celle. Saule ha superato alcuni dei test, ma sta ancora lavorando su altri, come il test dell’umidità, afferma Malinkiewicz. Il superamento della serie completa di solito significa che un pannello solare in silicio durerà almeno 25 anni, anche se i ricercatori non possono essere sicuri che la stessa correlazione sia vera per nuovi materiali come le perovskiti.
Oxford PV ha esaminato alcune delle migliaia di composti che compongono la famiglia delle perovskite per trovare formulazioni più stabili. L’azienda ha rifiutato di rivelare i dettagli sulle prestazioni, anche se Case afferma che si aspetta “assolutamente” che i loro prodotti abbiano una durata simile alle celle di silicio.
Oxford ha installato pannelli di prova su un tetto in Europa centrale nel dicembre del 2019 e Case afferma che finora i pannelli contenenti le loro celle a strati di perovskite mostrano la stessa degradazione dei pannelli di silicio commerciali che hanno installato per il confronto.
Yan di Microquanta afferma che l’azienda ha installato celle di prova all’aperto nel febbraio del 2020 che raggiungono ancora oggi la stessa potenza di picco di quando sono state installate. Per migliorare la stabilità dei suoi prodotti, Saule ha apportato modifiche ai contatti metallici nella cella, nonché allo strato di perovskite.
La prima generazione di celle di perovskite con rivestimento in plastica di Saule avrà una garanzia minima di 10 anni sulle prestazioni, afferma Malinkiewicz. Sebbene le celle al silicio durino più a lungo, spera che il prezzo più basso e la facilità di installazione convincano i clienti ad accettare una vita del prodotto più breve.
Alcuni ricercatori non sono convinti da queste affermazioni. “I problemi di stabilità, per quanto ne so, non sono stati risolti”, afferma Letian Dou, ricercatore di perovskiti presso la Purdue University in Indiana. Dou afferma che è difficile dire cosa stiano facendo queste aziende poiché tengono segreti i loro sviluppi di materiali, anche se aggiunge che il superamento di test esterni come lo standard IEC 61215 è promettente.
Il laboratorio di Dou è uno dei tanti che è stato recentemente selezionato per ricevere finanziamenti dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per cercare di risolvere alcuni dei problemi rimanenti della tecnologia. Nel marzo del 2021, il dipartimento ha annunciato 40 milioni di dollari in sovvenzioni per sostenere la ricerca sulle perovskiti, principalmente per progetti incentrati sul miglioramento della stabilità di questi materiali e della fase produttiva.
Anche se le celle di perovskite stanno ricevendo più finanziamenti e attenzione, solo il tempo dirà se possono competere o coesistere con il silicio. Tuttavia, i ricercatori sono ottimisti sulla prospettiva di fornire energia solare più economica e più accessibile. “I segnali sono tutti positivi”, afferma Berry al National Renewable Energy Laboratory.
(rp)
foto: Saule Technologies
