Celle FV in perovskite, un rivestimento innovativo ne contrasta l'invecchiamento

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Un materiale ibrido, organico e inorganico, in grado di assorbire l’intero spettro solare e di trasportare la carica elettrica con elevatissima efficienza: la perovskite è l’ultima frontiera nel campo del fotovoltaico di nuova generazione, ancora poco studiata in Italia, ma subito con risultati molto rilevanti dal punto di vista scientifico.

Science, una delle più prestigiose riviste internazionali di divulgazione scientifica, ha pubblicato un lavoro di ricerca sperimentale sulle celle solari a perovskite, condotto dal Politecnico di Torino insieme all’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), al Politecnico di Milano e all’Istituto Italiano di Tecnologia, dal titolo “Improving efficiency and stability of perovskite solar cells with photocurable fluoropolymers”.

L’attività di ricerca, che vede come capofila il Politecnico di Torino, è stata condotta da Federico Bella del DISAT - Dipartimento Scienza Applicata e Tecnologia sotto la supervisione del professor Claudio Gerbaldi (coordinatore del Group for Applied Materials and Electrochemistry - GAME Lab, DISAT) e col supporto del professor Guido Saracco, coordinatore del Center for Sustainable Futures @PoliTO dell’Istituto Italiano di Tecnologia.

I primi risultati della ricerca sono talmente promettenti che si ipotizza un’applicazione su larga scala di questo materiale entro il 2020. Oltre alle proprietà uniche della perovskite, infatti, le celle fotovoltaiche basate su questa tecnologia possono essere fabbricate con tecnologie semplici e veloci, il che fa prospettare una sicura scalabilità a livello industriale.

I più importanti atenei e centri di ricerca mondiale stanno investendo un ingente numero di risorse umane ed economiche sullo sviluppo di celle solari a perovskite, e ciò ha portato a un vertiginoso incremento delle efficienze di conversione della luce solare attraverso questa tecnologia, più che quintuplicate (dal 4 al 22%) negli ultimi sei anni.

Chiaramente, ogni nuova tecnologia porta con sé una serie di limitazioni da superare prima di poter essere posta in commercio. In questo caso, le celle solari a perovskite sono soggette a notevoli perdite di efficienza quando esposte alla luce ultravioletta (presente al 5% nello spettro solare) e all’umidità atmosferica. Pioggia e sole, quindi, ne provocano il degrado e la completa perdita di funzionalità in pochissimo tempo, nei casi migliori dopo pochi giorni.

Su questo aspetto si concentra la ricerca pubblicata da Science, soprattutto se si considera che una delle principali applicazioni di questi dispositivi potrebbe essere quella a finestra nei nuovi edifici “intelligenti”.

Il team di ricerca del Politecnico di Torino, insieme a Gianmarco Griffini e Stefano Turri del Politecnico di Milano, ha quindi ideato e proposto un rivestimento realizzato in un materiale polimerico innovativo in grado di contrastare efficacemente l’invecchiamento delle celle solari a perovskite.

Il rivestimento

I ricercatori hanno realizzato un rivestimento fluorurato di spessore micrometrico - impercettibile, quindi, su un dispositivo poco più grande di un francobollo, come appunto una cella a perovskite - che funge da efficace barriera contro l’umidità e garantisce in più caratteristiche autopulenti ai pannelli solari quando esposti agli agenti atmosferici (precipitazioni, smog, polveri, ecc.).

Il rivestimento è stato realizzato tramite fotopolimerizzazione, una tecnica di polimerizzazione estremamente rapida, economica e a basso impatto ambientale (è usata comunemente per le otturazioni odontoiatriche e il fissaggio dello smalto sulle unghie).

Per contrastare l’invecchiamento dei materiali indotto dalla luce ultravioletta, il rivestimento polimerico è stato inoltre potenziato con molecole luminescenti in grado di convertire la luce ultravioletta presente nella radiazione solare in luce non dannosa per la cella solare.

Le celle solari sono state assemblate, caratterizzate e testate in diverse condizioni di invecchiamento accelerato per oltre un anno in diversi laboratori, tra i quali quelli dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne in cui ha operato Juan-Pablo Correa-Baena, sotto la supervisione dei professori Michael Grätzel e Anders Hagfeldt, luminari nel campo del fotovoltaico di nuova generazione.

Con efficienze prossime al 19% e un’eccezionale stabilità quando sottoposte a una serie di test di invecchiamento anche in condizioni estreme, le innovative celle solari a perovskite proposte su Science confermano le notevoli prospettive di questa nuova tecnologia di conversione dell’energia solare che potrà competere efficacemente con i classici pannelli al silicio in ambito edilizio, ma anche essere accoppiata al silicio stesso in dispositivi tandem ad elevatissime prestazioni.

Studi precedenti

Sono diverse le attività di ricerca e sviluppo per realizzare celle solari più efficienti si stanno concentrando sulla perovskite e sulle tecniche per aumentarne efficienza e stabilità.

Un team coreano, guidato da Taiho Park della Pohang University of Science and Technology (POSTECH), era riuscito a sviluppare un sistema per migliorare la tolleranza all’acqua della perovskite. Semplificando un po’ il ragionamento, gli scienziati hanno sintetizzato un polimero conduttore idrofobico senza additivi di alcun tipo.

Secondo diversi studi la perovskite può diventare una soluzione sempre più appetibile per le applicazioni fotovoltaiche. Ricordiamo che questo materiale è più semplice da utilizzare e molto meno costoso del silicio, quindi una volta risolti i problemi di efficienza e stabilità si potrà pensare a fabbricare e commercializzare celle solari di perovskite su vasta scala.