Due strati per una maggiore efficienza: le celle solari tandem a base di perovskite possono catturare la luce solare meglio delle tradizionali celle solari al silicio. Le celle, leggere e flessibili, hanno già dato prova di sé in laboratorio; ora i ricercatori stanno lavorando per scalarle e renderle adatte all’uso quotidiano.
Le tegole appartengono al passato: Oggi, su un numero sempre maggiore di tetti svizzeri si vedono grandi rettangoli neri e blu che convertono la luce solare in elettricità. Il colore nero-blu deriva dai cristalli di silicio, poiché la maggior parte delle celle solari oggi disponibili si basa su questo materiale semiconduttore. Ma il silicio non è l’unico modo per produrre celle solari, e forse non è nemmeno il migliore.
Le celle fotovoltaiche a base di silicio sono ormai così avanzate da aver raggiunto i limiti della loro efficienza. Anche se si potrebbero ottenere alcuni punti percentuali in più, il limite massimo teorico dell’efficienza di una singola cella di silicio è del 33%. In pratica, è leggermente inferiore, poiché si verificano inevitabilmente piccole perdite di energia durante la costruzione e il funzionamento delle celle.
La ragione di questa efficienza limitata è dovuta alle proprietà del materiale del silicio. Il cosiddetto band gap del materiale significa che solo i fotoni con una certa energia possono essere convertiti in elettricità. Se l’energia del fotone è troppo alta, non può essere completamente "utilizzata" dalla cella solare.
Le celle solari realizzate con altri materiali offrono un modo per aggirare questa limitazione, spiega il ricercatore Fan Fu. Il leader del gruppo del Laboratory for Thin Films and Photovoltaics sta studiando celle solari ad alta efficienza realizzate in perovskite. Una cella singola di perovskite da sola non raggiunge un’efficienza più elevata, poiché anche la perovskite ha un band gap limitato come semiconduttore. La vera forza di questo materiale innovativo sta nel fatto che, a differenza del silicio, questo band gap può essere controllato variando la composizione del materiale di perovskite.
Se due perovskiti con gap di banda diverso vengono trasformate in celle solari a film sottile e "impilate" l’una sull’altra, il risultato è una cosiddetta cella solare tandem. Uno strato di perovskite "cattura" i fotoni ad alta energia, l’altro quelli a bassa energia. In teoria, ciò consente di ottenere efficienze fino al 45%, nettamente superiori al 33% delle celle singole. In alternativa, la perovskite può essere lavorata con uno strato di silicio per creare una cella tandem altamente efficiente.
Tuttavia, Fu e il suo team sono attualmente impegnati nella ricerca di celle tandem in perovskite pura, anche nell’ambito del progetto di ricerca dell’UE "SuPerTandem", al quale partecipano 15 istituti di ricerca e aziende leader in Europa. L’obiettivo del progetto è sviluppare moduli tandem flessibili in perovskite con un’efficienza superiore al 30%, che possano essere prodotti con processi scalabili ed economici. Questo è un altro punto di forza delle celle solari in perovskite: "Le celle solari al silicio richiedono solitamente monocristalli di silicio di elevata purezza, prodotti ad alte temperature", spiega Fu. "I film sottili di perovskite, invece, possono essere stampati, vaporizzati o depositati dalla soluzione, con un’impronta di CO2 corrispondentemente bassa. I piccoli difetti che si verificano nel processo hanno un effetto minimo sulle loro proprietà optoelettroniche".
I potenziali vantaggi di progetti come "SuPerTandem" sono enormi, perché più alta è l’efficienza, più economico sarà il sistema solare alla fine della giornata. "La cella in sé rappresenta meno del 20% del costo di un impianto fotovoltaico", spiega Fu. "Il restante 80% è rappresentato dal cablaggio, dagli inverter, dal sistema di controllo e, naturalmente, dalla manodopera necessaria per l’installazione". Se si aumenta l’efficienza delle singole celle, è sufficiente un impianto fotovoltaico più piccolo - e quindi più economico - per ottenere la stessa produzione di elettricità. Le celle a film sottile di perovskite possono anche essere prodotte su pellicole flessibili e leggere, invece che su pesanti lastre di vetro rigide come le celle al silicio. Ciò significa che possono essere utilizzate in un maggior numero di luoghi, ad esempio sui tetti delle automobili o su edifici con una bassa capacità di carico.
Questo grande potenziale delle celle solari di perovskite deve ora essere sfruttato. Oltre a "SuPerTandem", il team di Fan Fus sta lavorando anche a due progetti svizzeri. In un progetto finanziato dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS), il team dell’Empa sta lavorando per comprendere meglio le proprietà fondamentali e le sfide delle celle solari di perovskite, che contribuiscono alla loro efficienza e stabilità. In un progetto con l’Ufficio Federale Svizzero dell’Energia (UFE), invece, il team sta mettendo immediatamente in pratica le conoscenze acquisite scalando le celle tandem sviluppate all’Empa.
Cos’altro dobbiamo fare per garantire che i quadrati neri e blu sul tetto siano presto uniti da pellicole di perovskite rossastra? "Prima di tutto, dobbiamo scalare le celle di perovskite dagli attuali prototipi di pochi centimetri alle dimensioni industriali", spiega Fu. Le celle, ancora piuttosto fragili, devono anche essere protette efficacemente dalle intemperie. Il ricercatore è ottimista sul fatto che entrambe le cose saranno realizzate nei prossimi cinque-dieci anni. "Stiamo facendo buoni progressi e c’è molto interesse da parte dell’industria", afferma lo scienziato. "I ricercatori lavorano sulle celle solari di perovskite solo da poco meno di 15 anni. Dopo tutto, la ricerca sulle celle al silicio va avanti da quasi 70 anni".
