Fotovoltaico: la ricerca punta a celle in perovskite senza piombo di copertura

Sostenibilità.

Una parola via via sempre più ricorrente e usata in ogni settore, dalle normali attività quotidiane alla mission di svariate aziende, rafforzata costantemente e quotidianamente dalla nostra presa di coscienza riguardo l'impatto che le nostre attività hanno sul resto del Pianeta (risorse, animali, clima).

Al fine di arrivare a un livello di tecnologia che ci permetta di vivere con tutte le comodità e la sicurezza cui siamo abituati, ma che al contempo si inserisca nel delicato equilibrio terrestre senza alterarlo, sono numerose le ricerche che mettono in discussione il modus operandi in uso, cercando, trovando e inventando soluzioni alternative.

Il settore delle FER [Fonti Energia Rinnovabile] è fra quelli in cui questa ricerca è più vivace (e fruttuosa) andando a rompere quel bias cognitivo che vede insostenibile queste tecnologie, ree di creare – in un prossimo futuro – cumuli e cumuli di rifiuti.

Lontano dall'essere vero, del riciclo delle componenti per parchi eolici ed impianti fotovoltaici, abbiamo parlato diverse volte (qui, qui, qui) così come della ricerca nel creare fin dall'inizio materiali facilmente riciclabili (come le pale eoliche di Siemens Gamesa) o di usare sostanze il meno impattanti possibile.

A tale proposito, alcuni scienziati della Nanyang Technological University (NTU) e dell'Agenzia per la scienza, la tecnologia e la ricerca (A*STAR) di Singapore hanno sviluppato un nuovo modo per sintetizzare lo strato di copertura delle celle fotovoltaiche di perovskite senza utilizzare il piombo.

Dal momento che le perovskiti si decompongono quando reagiscono con l'umidità e l'ossigeno o quando sono esposte alla luce, al calore o utilizzate per un tempo prolungato, le si protegge con uno strato di copertura. E uno dei materiali usati a questo scopo è il piombo, un metallo tossico e pesante, potenzialmente in grado di inquinare l'ambiente se una cella venisse danneggiata.

Il piombo proviene sia dal materiale di perovskite che da un composto utilizzato per realizzare un componente della cella solare stessa, noto appunto come strato di copertura.

La ricerca dell'Università asiatica, guidata dal prof Sum Tze Chien, direttore dell'Istituto di studi avanzati della NTU e decano associato del College of Science della NTU, e dal prof Lam Yeng Ming, presidente della School of Science della NTU ha indagato sulle alternative: lo studio, A new approach to stabilise perovskite solar cells without lead, è stato pubblicato sulla rivista Nature Energy col titolo Expanding the low-dimensional interface engineering toolbox for efficient perovskite solar cells.

Come anticipato, le celle solari di perovskite sono costituite da diversi strati di materiali, tra cui uno strato di perovskite - che intercetta la luce - e uno strato di copertura, che funge da protezione.

Per garantire che lo strato di copertura sia compatibile con lo strato di perovskite sottostante, i ricercatori utilizzano in genere un approccio chiamato metodo del mezzo precursore [HP, half precursor] per creare lo strato "scudo".

Questo procedimento prevede il deposito di un precursore chimico sopra lo strato di perovskite, avviando un processo noto come reazione di scambio cationico, dove si lascia che questo precursore reagisca con gli ioni di piombo presenti nello strato di perovskite sottostante, formando un composto chimico a sua volta contenente piombo, che costituirà lo strato di copertura.

Per rendere le celle solari di perovskite più sicure e rispettose dell'ambiente, gli scienziati della NTU hanno ideato un approccio, noto come metodo di soluzione full precursor [FP], per sintetizzare lo strato protettivo senza ricorrere al piombo.

Utilizzando il metodo FP, gli scienziati hanno rivestito le celle con soluzioni contenenti sali di alogenuri metallici (composti costituiti da un metallo ed elementi che includono cloro, fluoro e iodio) e ioduro di fenetilammonio (PEAI) che viene comunemente applicato alle perovskiti per migliorarne le prestazioni.

Durante i test, i ricercatori hanno fatto importati scoperte: per prima cosa, hanno potuto verificare che il metodo FP è più efficace del metodo HP nella fabbricazione dello strato di copertura poiché le sostanze chimiche nella soluzione sono in grado di reagire tra loro direttamente sulla superficie della perovskite, senza prelevare il piombo al suo interno.

Secondo, mettendo a confronto vari composti, il team ha trovato in quello a base di zinco [PEA2ZnX4] quello più efficace e sostenibile.

Per fabbricare una cella solare ricoperta di PEA2ZnX4, i ricercatori hanno prima dissolto sali di alogenuro di zinco e PEAI in un solvente chiamato acetonitrile, comunemente usato per applicazioni industriali. In seguito hanno depositato la soluzione su uno strato di perovskite in rapida rotazione attaccato a un substrato di vetro elettricamente conduttivo: in questo modo hanno ottenuto uno strato sottile e uniforme, attraverso il processo noto come spin-coating.

La perovskite rivestita è stata riscaldata a 100 gradi Celsius per 10 minuti al fine di legare i due strati [copertura e perovskite].

I ricercatori hanno quindi utilizzato il processo di evaporazione sotto vuoto per far depositare il materiale sulla perovskite in modo omogeneo: il procedimento prevede di riscaldare il materiale in una camera sotto vuoto fino a evaporare e infine depositare – tramite raffreddamento – omogeneamente sulla superficie che si vuole ricoprire. In questo caso gli strati rimanenti della cella solare di perovskite.

Il prototipo con copertura allo zinco creato a Singapore col metodo FP è stato esaminato dal team utilizzando la microscopia elettronica e la spettroscopia: i ricercatori hanno scoperto che lo strato di protezione non solo non aveva intaccato l'efficienza della perovskite, ma anzi ne aveva migliorato le capacità e coperto i difetti.

Durante gli esperimenti con fasci luminosi, a simulare la luce solare, la cella si è rivelata in grado di convertire in elettricità il 24,1% della luce catturata, arrivando vicino alla massima efficienza raggiunta finora dalle celle solari di perovskite.

In confronto, la più alta efficienza di conversione della luce certificata delle celle solari al silicio è del 25,2%.

Il prototipo ha anche dimostrato una buona riproducibilità, con un tasso medio di conversione della luce di quasi il 23% su 103 celle testate. Ha avuto inoltre una lunga durata, mantenendo oltre il 90% della sua capacità di conversione per più di 1.000 ore di funzionamento a piena capacità.

"Lo strato di copertura è un componente vitale di una cella solare di perovskite. Questo nuovo approccio è un'importante pietra miliare nella progettazione di celle solari in perovskite con proprietà migliorate", ha affermato il prof. Michael Grätzel, direttore del laboratorio di fotonica e interfacce presso l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera [EPF, di cui abbiamo parlato a proposito delle celle di Grätzel], che non è stato coinvolto nello studio.

Al momento la ricerca sta vagliando diverse alternative alle celle di perovskite continenti piombo, che renderebbero inutilizzabile il metodo HP, che si basa – fondamentalmente – proprio su questo. Lo studio della NTU assume pertanto un'importanza enorme, perché può essere utilizzato su qualsiasi composizione di cella solare.

"Uno dei maggiori svantaggi dell'utilizzo delle celle solari in perovskite è il loro impatto sull'ambiente. Consentendo l'utilizzo di zinco e altri metalli non tossici nello strato di copertura, la nostra innovazione risolve potenzialmente un grave ostacolo che impedisce l'uso diffuso di celle solari in perovskite", ha affermato il dott. Ye Senyun, ricercatore presso la School of Physical and Mathematical Sciences della NTU, uno dei principali ricercatori dello studio.

Il co-autore principale, il dott. Rao Haixia, ricercatore presso la School of Materials Science and Engineering della NTU, ha aggiunto: "Poiché il nostro metodo non richiede l'estrazione di ioni di piombo dalla perovskite ci consente di utilizzare un'ampia gamma di materiali per aumentare la stabilità e l'efficienza delle celle solari di perovskite."

Il prof Sum ha commentato: "Espandendo la varietà di materiali che possono essere utilizzati, i nostri risultati aprono nuove opportunità per lo sviluppo di materiali superiori per lo strato di copertura, per celle solari di perovskite più efficienti e stabili. Questo metodo di copertura protettiva senza piombo può essere esteso anche ad altre applicazioni come dispositivi a emissione di luce perovskite, laser e rilevatori".

Il professor Lam, ha infine concluso:

"Poiché i combustibili fossili si stanno esaurendo rapidamente, dobbiamo sfruttare molto meglio le risorse energetiche rinnovabili come l'energia solare. Le celle solari in perovskite ecologiche e stabili potrebbero essere la risposta e questa innovazione può essere efficace."