Un addetto ai controlli di qualità delle celle fotovoltaiche presso l'impianto di produzione Solarworld a Freiberg, Germania. I pannelli solari sono attualmente costruiti in silicio, ma sostituirlo con le perovskiti potrebbe aumentarne l'efficienza e ridurre i costi. Credit: Martin Leissl/Bloomberg via Getty Images.
Le perovskiti sono una particolare classe di cristalli che possono essere basati su diversi elementi e che rappresentano materiali promettenti per le celle solari. Sono sensibili a un più ampio spettro di lunghezze d'onda rispetto ai materiali a base di silicio, e sono meno costosi da produrre. Nell'ultimo decennio, la loro efficienza nel convertire la luce in elettricità ha raggiunto quella delle migliori celle solari al silicio.
Ma i ricercatori stanno ancora cercando di stabilire quanto siano stabili le perovskiti una volta applicate su grande scala, in presenza di grandi variazioni di temperatura. Ora, un gruppo di ricercatori ha dimostrato che, aggiungendo uno speciale polimero durante il processo di cristallizzazione di un film di perovskite a base di piombo, la cella solare risultante mantiene un'efficienza di conversione quasi stabile quando la temperatura varia tra -60 °C e +80 °C a una velocità di 20 °C al minuto.
Lo studio, pubblicato su Science1, è stato coordinato da Antonio Abate, esperto di celle solari a perovskite presso l'Università di Napoli Federico II e l'Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, e da Meng Li, anch'egli dell'Helmoltz-Zentrum.
"Poiché la perovskite ha una struttura cristallina, ha un certo grado di rigidità", spiega Abate. "Le variazioni di temperatura tendono a creare fratture nel film, minando la sua stabilità meccanica e diminuendo l'efficienza. Il polimero che abbiamo scelto rende il film cristallino più plastico", aggiunge.
La cella utilizzata negli esperimenti comprende cinque diversi strati. Il film di perovskite, contenente piombo, si trova al centro della pila, tra due semiconduttori che estraggono le particelle cariche prodotte nel film quando è esposto alla luce. I due strati più esterni sono costituiti da conduttori che raccolgono le cariche accumulate negli strati interni e generano una corrente. Le fratture nel film sono causate dal fatto che le variazioni di temperatura provocano l'espansione e la compressione dei vari strati.
"Abbiamo scelto un polimero con una struttura insolitamente ordinata, composta da catene di dipoli regolarmente distanziati", spiega Giuseppe Nasti, ricercatore dell'Università di Napoli e coautore dello studio. "Quando il polimero viene aggiunto alle soluzioni liquide contenenti i precursori del film di perovskite, agisce come un lubrificante tra i grani che costituiscono i mattoni del cristallo", aggiunge.
Scansionando la superficie del film di perovskite con un microscopio elettronico, gli scienziati hanno osservato che il film con il polimero aggiunto presentava grani più larghi, con meno spazi tra di essi, rispetto a quello senza polimero. Osservando diversi cicli successivi di variazioni di temperatura, hanno notato che il film con il polimero manteneva questa struttura più compatta, mentre i difetti in quello senza polimero peggioravano.
Il polimero, costituito da una lunga catena a base di idrogeno, zolfo e atomi di carbonio, aiuta anche a temperatura ambiente. A 25 °C, le celle con il polimero hanno raggiunto un'efficienza del 24,6%, mentre le altre si sono fermate al 22,3%.
Gli scienziati hanno anche simulato l'esposizione delle celle a un anno di luce solare a temperatura ambiente, e hanno osservato che quelle con il polimero hanno mantenuto circa il 96% della loro efficienza di conversione iniziale, contro l'88% delle altre.
Abate e i suoi collaboratori stanno ora cercando di utilizzare lo stesso polimero con perovskiti a base di stagno, che a differenza del piombo non è tossico. Questi materiali sono l'oggetto della borsa di studio ERC che Abate sta utilizzando tra Napoli e Berlino.
