Innovative celle fotovoltaiche a ‘perovskite ibrida’ con valori di efficienza record al mondo pongono le basi per una tecnologia altamente strategica per la transizione ecologica.
È stato pubblicato su Science Advances lo studio di un gruppo di ricercatori dell’Università di Pavia che presenta una soluzione ad altissime prestazioni per le celle solari a perovskite.
Circa tre quarti delle emissioni di CO2 globali sono generate dal settore energetico. Per raggiungere gli obiettivi di transizione energetica entro il 2050 è necessario raggiungere l’indipendenza dai combustibili fossili, come emerso dal COP26, che identifica nelle fonti di energia rinnovabili la chiave per la decarbonizzazione.
In particolare, ad oggi, il solare è leader tra le rinnovabili, con una crescita record in Europa di capacità fotovoltaica installata di 137.2 GW nel 2020, e un potenziale enorme nei prossimi anni. Ricerca e innovazione in nuovi materiali e nuove forme di generazione di energia solare rappresentano quindi i pilastri fondamentali per una reale transizione energetica. La sfida che l’industria del fotovoltaico deve affrontare è lo sviluppo di una tecnologia che combini alta efficienza, economicità – attraverso materiali a basso costo e processi di produzione a minore intensità energetica – e stabilità a lungo termine a ridotto impatto ambientale, in grado di competere con le attuali tecnologie altamente energivore.
A questo ha lavorato il gruppo Pvsquared2 diretto dalla professoressa Giulia Grancini dell’Università di Pavia, impegnato a sviluppare celle solari ibride in perovskite. Con un’impressionante efficienza di conversione di potenza (PCE) > 25% queste soluzioni stanno scavalcando le tecnologie solari esistenti e sono ampiamente riconosciute come uno dei campi di ricerca più interessanti del nostro tempo. Tuttavia, nonostante il pieno potenziale di questa tecnologia e la grande eccitazione che ne è derivata, un grosso ostacolo ne impedisce la commercializzazione: la scarsa stabilità del dispositivo in condizioni operative.
La missione del gruppo è risolvere questa sfida consentendo il lancio della nuova tecnologia sul mercato del prossimo futuro. L’idea innovativa del team è quella di risolvere i problemi di stabilità e tossicità sviluppando interfacce ibride multidimensionali, come mattoncini lego, per ottenere una nuova tecnologia solare efficiente, stabile ed ecologica. Un effetto sinergico risultante da diverse dimensionalità combinate tra loro porterà ad interfacce con nuove proprietà fisiche e nuove funzionalità, che possono essere manipolate ‘ad hoc’. L’approccio multidisciplinare derivato combina progettazione di nuovi materiali avanzati (compresi quelli non tossici), indagini fotofisiche all’avanguardia e concetti di dispositivi innovativi (cioè molecole funzionalizzate come strati di intrappolamento del piombo), che consentiranno un grande salto nella scienza dei materiali,
Con questa missione, Pvsquared2 ha testato un doppio approccio di modifica interfacciale basato sull’incorporazione di grandi cationi organici, sia nell’interfaccia inferiore che in quella superiore dello strato attivo di perovskite. Insieme, ciò porta a un miglioramento simultaneo sia della tensione a circuito aperto che del fattore di riempimento dei dispositivi, raggiungendo valori massimi rispettivamente di 1,184 V e 85%, risultando in un’efficienza del dispositivo campione del 23,7%. Questa doppia modifica interfacciale è completamente compatibile con una modifica in blocco dello strato attivo di perovskite da parte di liquidi ionici, portando a dispositivi ad architettura invertita sia efficienti che stabili.
Quello che il team ha ottenuto sono in sostanza inchiostri stampabili, facilmente integrabili mediante processi a basso costo e a ridotto contenuto energetico, in un fotovoltaico innovativo, flessibile, economico e sostenibile. Una soluzione che apre la strada allo sviluppo di nuove tecnologie. È di recente dimostrazione, in collaborazione con la Yana Vaynzof dell’Università tecnica di Dresda, un nuovo metodo di deposizione di tali inchiostri che ha portato alla realizzazione di celle fotovoltaiche a perovskite (cosiddette in configurazione pin) con valori di efficienza record al mondo (circa il 24%).
“Tale risultato è ottenuto grazie a una speciale ingegnerizzazione chimica degli strati di interfaccia del dispositivo”, commenta Matteo Degani, dottorando del gruppo, responsabile dell’invenzione.
La ricerca rappresenta un avanzamento significativo rispetto allo stato dell’arte ponendo sempre più le basi per un loro ingresso nel mercato del solare come soluzioni leader per il fotovoltaico innovativo del futuro.
