Celle Solari in Perovskite: Vantaggi, Sfide e Prospettive Future

Indice

1. Introduzione
2. Cosa sono le Celle Solari in Perovskite?
3. Vantaggi delle Celle Solari in Perovskite
4. Sfide Tecniche nelle Applicazioni Pratiche delle Celle in Perovskite
5. Ultimi Sviluppi della Ricerca sulle Celle Solari in Perovskite
6. Applicazioni Potenziali delle Celle Solari in Perovskite
7. Conclusione

Introduzione

Con la crescente domanda globale di energia rinnovabile, le celle solari in perovskite hanno attirato notevole attenzione come tecnologia fotovoltaica emergente. Queste celle solari di terza generazione, basate su materiali con struttura a perovskite, mostrano un enorme potenziale grazie alla loro alta efficienza, al basso costo e ai diversi scenari di applicazione. Questo articolo mira a fornire una panoramica completa delle celle solari in perovskite, coprendo i loro concetti di base, vantaggi, sfide tecniche, ultimi sviluppi della ricerca e applicazioni potenziali, offrendo ai lettori una comprensione approfondita di questa promettente tecnologia.

Cosa sono le Celle Solari in Perovskite?

Le celle solari in perovskite sono un tipo di celle solari di terza generazione che utilizzano materiali strutturati in perovskite. Le perovskiti sono una classe di materiali caratterizzati da una specifica struttura cristallina, generalmente rappresentata dalla formula chimica ABX₃. In questa formula, 'A' e 'B' sono due diversi cationi metallici, mentre 'X' è un anione, che insieme formano un reticolo cristallino unico. Nel contesto delle celle solari in perovskite, 'A' e 'B' sono solitamente composti da molecole organiche e alogenuri metallici. Questa combinazione produce materiali con eccezionali proprietà di assorbimento della luce e caratteristiche elettroniche, rendendo le celle solari in perovskite un'alternativa promettente alle tecnologie fotovoltaiche tradizionali.

Vantaggi delle Celle Solari in Perovskite Rispetto alle Celle Basate su Silicio

Le celle solari in perovskite offrono diversi vantaggi rispetto alle celle tradizionali basate su silicio, inclusi i tipi di celle PERC, TOPCon, IBC e HJT:

1. Alta Efficienza: Le celle solari in perovskite mostrano livelli di alta efficienza. L'efficienza massima teorica di conversione delle celle in perovskite a singola giunzione può raggiungere il 31%, mentre le celle in perovskite a giunzione multipla possono raggiungere efficienze teoriche fino al 45%, superando significativamente il limite di efficienza del 29,4% delle celle basate su silicio.
2. Basso Costo: I materiali in perovskite sono meno sensibili alle impurità, consentendo la produzione di celle con oltre il 20% di efficienza utilizzando materiali in perovskite di circa il 90% di purezza. Al contrario, il silicio richiede un livello di purezza del 99,9999% per un uso efficace. Inoltre, la produzione di celle solari in perovskite richiede un investimento relativamente inferiore nella catena di approvvigionamento industriale, necessitando solo di una fabbrica rispetto alle quattro richieste per le celle basate su silicio (materiale di silicio, wafer di silicio, cella e modulo).
3. Ampia Gamma di Applicazioni: Le celle solari in perovskite possono essere prodotte in forme flessibili e leggere, rendendole adatte a varie applicazioni, tra cui fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV), display flessibili, abbigliamento indossabile, tende, alimentatori portatili e altri dispositivi portatili.
4. Eccellente Prestazione in Condizioni di Bassa Luce: I materiali in perovskite possono operare in modo efficiente in ambienti con poca luce, come il tempo nuvoloso o durante l'alba e il tramonto. Questo consente alle celle solari in perovskite di mantenere una buona prestazione anche in condizioni di illuminazione subottimale, migliorando il loro potenziale complessivo di generazione di energia.

Sfide Tecniche nelle Applicazioni Pratiche delle Celle in Perovskite

Nonostante le caratteristiche promettenti, le celle solari in perovskite devono ancora affrontare diverse sfide tecniche nelle applicazioni pratiche:

1. Stabilità a Lungo Termine: La stabilità dei materiali in perovskite rispetto a fattori ambientali come umidità, temperatura e esposizione alla luce è una sfida significativa. Le celle solari in perovskite possono degradarsi quando sono esposte a queste condizioni per periodi prolungati. Sebbene i test di laboratorio abbiano dimostrato una durata di vita di circa un anno, ciò è ancora inferiore rispetto alle celle solari in silicio. La standardizzazione dei test di stabilità è un obiettivo attuale della ricerca.
2. Equilibrio tra Efficienza e Stabilità: Aumentare l'efficienza di conversione delle celle solari in perovskite spesso compromette la loro stabilità a lungo termine. Le celle in perovskite ad alta efficienza talvolta mostrano scarse prestazioni nei test di stabilità a lungo termine. Trovare l'equilibrio ottimale tra efficienza e stabilità è un obiettivo cruciale della ricerca.
3. Perdita di Efficienza in Applicazioni su Ampie Superfici: L'uniformità e la densità degli strati di perovskite in applicazioni su ampie superfici sono strettamente correlate alla perdita di efficienza. Le celle in perovskite di piccola superficie prodotte in laboratorio possono raggiungere un'elevata efficienza, ma questa può diminuire quando si passa ad applicazioni più grandi e pratiche.
4. Sistemi Materiali non Standardizzati: La produzione di celle in perovskite coinvolge varie scelte di materiali e il sistema materiale non è ancora completamente standardizzato. Ciò aumenta l'incertezza e i costi nel processo di produzione. Diversi gruppi di ricerca possono utilizzare diverse combinazioni di materiali in perovskite, portando a variazioni nei risultati di prestazioni e stabilità.
5. Incertezze nei Processi di Cristallizzazione: Il processo di produzione delle celle in perovskite coinvolge complessi processi di cristallizzazione, e le incertezze in questi processi possono influire sulle prestazioni e sulla stabilità delle celle. Metodi di cristallizzazione e condizioni diverse possono causare variazioni significative nella qualità e nelle prestazioni dei film sottili in perovskite.
6. Incorporamento e Protezione: Sono necessarie tecniche di incorporamento efficaci per proteggere le celle in perovskite dai fattori ambientali. Ciò include la selezione di materiali e processi di incorporamento adatti per proteggere le celle dall'umidità e dall'ossigeno.

Ultimi Sviluppi della Ricerca sulle Celle Solari in Perovskite

Nel 2024, sono stati compiuti significativi progressi nella ricerca sulle celle solari in perovskite. Ecco alcuni dei principali sviluppi:

1. Laboratorio Nazionale di Optoelettronica di Wuhan (HUST): Il team guidato da Wei Chen e Zonghao Liu ha pubblicato uno studio su Nature che dimostra l'uso di un materiale trasportatore di lacune ibrido autoassemblante (HTM) per migliorare l'efficienza delle celle solari in perovskite invertite. Questo materiale offre ultrabagnabilità, distribuzione uniforme su scala nanometrica, rapida estrazione dei portatori e bassa ricombinazione non radiativa. Queste proprietà consentono un efficiente trasporto dei portatori e la passivazione dei difetti all'interfaccia sepolta, migliorando significativamente le prestazioni del dispositivo. Le celle solari in perovskite invertite risultanti hanno raggiunto un'efficienza quasi stazionaria del 26,54%, certificata da un'istituzione autorevole di terza parte, superando il precedente record di efficienza certificata.
2. Università Tsinghua: Il team guidato da Yichen Yi ha sviluppato un nuovo materiale trasportatore di lacune (HTM-T2) combinato con film sottili in perovskite depositati sottovuoto, raggiungendo un'efficienza record mondiale del 26,41% per le celle solari in perovskite. HTM-T2 può essere sintetizzato a partire da materie prime commerciali a basso costo attraverso pochi passaggi, rendendolo altamente adatto per la produzione di massa. Il team ha anche ottenuto un'efficienza certificata del 26,21% per celle solari in perovskite con un'area di 0,1 cm² e del 24,88% per celle solari in perovskite con un'apertura di 1,0 cm².
3. Istituto di Chimica, Accademia Cinese delle Scienze: Il team guidato da Yongfang Li e Lei Meng ha proposto una strategia di ingegneria di ossidazione localizzata (LOE) per controllare efficacemente e mantenere lo stato di ossidazione appropriato dello SnO2 nel layer di trasporto elettronico. Aggiungendo dicromato di ammonio come ossidante, hanno compensato le eccessive vacanze di ossigeno e formato uno strato semiconduttore p-type ultra-sottile di Cr2O3 come prodotto di riduzione. La giunzione p-n nanometrica Cr2O3/SnO2 migliora l'estrazione delle cariche e riduce la ricombinazione non radiativa all'interfaccia sepolta. Le celle solari in perovskite basate su α-FAPbI3 con questo ETL hanno raggiunto un'efficienza PCE del 25,72% (efficienza certificata del 25,41%) e hanno dimostrato una stabilità operativa di T90>700h sotto continua illuminazione 1 sole.
4. Università Jiao Tong di Shanghai: Nel marzo 2024, un team di ricerca ha pubblicato uno studio su Science dimostrando che le loro celle solari in perovskite invertite hanno mantenuto il 98,5% della loro efficienza iniziale dopo 1000 ore di stoccaggio a un'umidità relativa dell'85% e a 85°C. Inoltre, queste celle hanno mantenuto il 98,2% della loro efficienza iniziale dopo essere state operative al punto di massima potenza per 1200 ore a 85°C.

Questi sviluppi evidenziano i significativi progressi nel migliorare l'efficienza, la stabilità e la scalabilità delle celle solari in perovskite, avvicinandole alla fattibilità pratica e commerciale.

Applicazioni Potenziali delle Celle Solari in Perovskite

Le celle solari in perovskite hanno un'ampia gamma di potenziali applicazioni grazie ai loro vantaggi unici, come alta efficienza, leggerezza, flessibilità e semi-trasparenza. Ecco alcuni potenziali casi d'uso:

1. Fotovoltaico Integrato negli Edifici (BIPV): Le celle solari in perovskite possono essere integrate nei materiali da costruzione, come finestre, facciate in vetro o tetti, combinando estetica e produzione di energia.
2. Fonti di Energia Portatili: La loro natura leggera e flessibile consente alle celle solari in perovskite di essere integrate in dispositivi elettronici portatili come smartphone, tablet e indossabili, fornendo capacità di ricarica wireless.
3. Integrazione nei Veicoli: Le celle solari in perovskite possono essere incorporate nelle superfici di veicoli, droni e biciclette elettriche, fornendo energia aggiuntiva, estendendo l'autonomia di guida o riducendo la dipendenza da fonti di energia esterne.
4. Energia Off-Grid: Nelle aree remote o nei paesi in via di sviluppo, le celle solari in perovskite possono far parte di sistemi energetici off-grid, fornendo elettricità pulita.
5. Applicazioni Fotovoltaiche Indoor: Grazie alla loro forte capacità di assorbimento della luce, le celle solari in perovskite possono generare elettricità anche sotto condizioni di illuminazione interna, adatte per l'illuminazione interna e dispositivi a bassa potenza come i sensori.
6. Applicazioni Spaziali: Le proprietà leggere e ad alta efficienza delle celle solari in perovskite le rendono ideali per applicazioni spaziali, fornendo energia per satelliti e altre navicelle spaziali.
7. Agricoltura: Le celle solari in perovskite possono essere utilizzate nei sistemi di monitoraggio e automazione agricola, come i controller di irrigazione, le stazioni meteorologiche e i dispositivi di monitoraggio delle colture.
8. Militare e Difesa: Grazie alla loro alta efficienza e portabilità, le celle solari in perovskite possono essere utilizzate in equipaggiamenti militari e droni da ricognizione senza pilota, fornendo energia affidabile.
9. Elettronica di Consumo: Le celle solari in perovskite possono essere integrate in vari prodotti elettronici di consumo, come e-reader, altoparlanti portatili e orologi digitali.
10. Soccorso in Caso di Catastrofe e Risposta alle Emergenze: In caso di catastrofi naturali o emergenze, le celle solari in perovskite possono essere rapidamente distribuite per fornire energia immediata per le operazioni di soccorso.

Questi diversi scenari di applicazione evidenziano la versatilità e il potenziale delle celle solari in perovskite, posizionandole come una tecnologia trasformativa nel settore energetico.

Conclusione

La ricerca e le applicazioni delle celle solari in perovskite stanno continuamente avanzando, presentando un potenziale illimitato per lo sviluppo futuro. Con continui progressi tecnologici e riduzioni dei costi, le celle solari in perovskite sono destinate a giocare un ruolo significativo nel futuro mercato fotovoltaico, contribuendo alla transizione energetica globale e allo sviluppo sostenibile. Ci aspettiamo una commercializzazione su larga scala delle celle solari in perovskite nel prossimo futuro, portando soluzioni energetiche più pulite ed efficienti all'umanità.

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Riferimento:

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