L’efficienza delle celle solari a perovskite continua a crescere e raggiunge un nuovo traguardo. Un gruppo di ricerca internazionale formato da studiosi della Korea University, della University of Toledo e della Seoul National University ha sviluppato una cella solare a perovskite tridimensionale capace di superare il 26% di efficienza energetica, mantenendo al tempo stesso una durata operativa superiore alle 24.000 ore nei test accelerati di laboratorio.
Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Energy, rafforza il ruolo delle perovskiti come possibile alternativa al silicio nella prossima generazione di tecnologie fotovoltaiche.
L’evoluzione delle celle solari a perovskite
Negli ultimi anni le celle solari a perovskite hanno attirato l’attenzione della comunità scientifica grazie alla loro capacità di raggiungere livelli di conversione energetica molto elevati con costi potenzialmente inferiori rispetto ai pannelli tradizionali in silicio. Mentre la tecnologia al silicio si avvicina progressivamente ai propri limiti teorici di efficienza, le perovskiti vengono considerate una delle strade più promettenti per aumentare la resa dei sistemi fotovoltaici.
Il team guidato dal professor Jun Hong Noh ha lavorato su una particolare architettura che combina strati bidimensionali e tridimensionali di perovskite. L’obiettivo era migliorare contemporaneamente efficienza, stabilità e qualità cristallina del materiale. Gli studiosi hanno concentrato la ricerca sulle cosiddette perovskiti alogenure 2D, materiali caratterizzati da un ampio bandgap e capaci di assorbire luce ad alta energia, come quella ultravioletta e blu.
Uno degli aspetti più interessanti emersi durante lo studio riguarda il comportamento degli strati 2D e 3D una volta messi semplicemente a contatto. I ricercatori hanno infatti scoperto che l’interazione tra i due materiali modifica le proprietà ottiche dello strato tridimensionale anche senza applicare pressione o calore. Una scoperta inattesa che potrebbe avere implicazioni importanti nello sviluppo futuro delle celle fotovoltaiche.
Come si raggiunge il 26% di efficienza fotovoltaica
Per migliorare le prestazioni della cella, il gruppo di ricerca ha sviluppato un metodo capace di creare una giunzione 2D/3D senza l’utilizzo di sostanze chimiche aggiuntive. In precedenza gli scienziati avevano già sperimentato una tecnica basata su trattamento termico e pressione per favorire la crescita di uno strato cristallino 2D sopra la superficie 3D.
Nel nuovo studio, però, è emerso che le interazioni tra i cationi organici presenti nei due strati svolgono un ruolo ancora più importante del previsto. Secondo gli studiosi, questa interazione influenza direttamente le transizioni di fase della perovskite tridimensionale e contribuisce alla formazione di una struttura cristallina molto vicina ai valori teorici ideali.
Il processo è stato applicato a film di FAPbI₃, una perovskite nota per le difficoltà di cristallizzazione perfetta. I risultati hanno mostrato parametri reticolari estremamente stabili e una riduzione significativa dei difetti strutturali. Proprio questi difetti rappresentano una delle principali cause di perdita energetica nelle celle a perovskite.
Grazie alla nuova architettura, le celle integrate nei dispositivi fotovoltaici tradizionali hanno raggiunto un’efficienza del 26,25%, valore che conferma il rapido progresso di questa tecnologia nel panorama energetico internazionale.
24.000 ore di funzionamento: la sfida della stabilità
Uno dei maggiori ostacoli alla commercializzazione delle celle solari a perovskite riguarda la loro durata nel tempo. Molti prototipi altamente efficienti tendono infatti a degradarsi rapidamente sotto stress termico, luce intensa o umidità.
In questo caso, invece, i ricercatori hanno registrato una vita operativa superiore alle 24.000 ore durante test accelerati di laboratorio. Un dato particolarmente rilevante perché dimostra come la combinazione tra strati 2D e 3D possa contribuire a rendere la struttura più resistente e stabile.
Secondo gli studiosi, la quasi perfezione della struttura cristallina riduce la presenza di “trap states”, ovvero difetti che intrappolano le cariche elettriche e abbassano le prestazioni della cella. Inoltre, anche le polveri di FAPbI₃ prodotte con il nuovo metodo hanno mostrato una fase più stabile rispetto a quelle realizzate con procedure convenzionali.
Produzione scalabile e nuove prospettive per il fotovoltaico
Oltre ai risultati sulle prestazioni, il processo di contatto tra film 2D e 3D viene considerato altamente scalabile. Questo significa che potrebbe essere utilizzato anche per produrre superfici fotovoltaiche più grandi con un numero inferiore di difetti strutturali.
Il team sta già lavorando all’applicazione della tecnica nelle celle tandem a perovskite, dispositivi in cui strati con bandgap differenti vengono sovrapposti per catturare una porzione più ampia dello spettro solare. In questi sistemi, la deposizione a basse temperature rappresenta un elemento cruciale.
La ricerca conferma dunque come le perovskiti restino una delle tecnologie più promettenti nel percorso verso un’energia solare più efficiente, leggera e potenzialmente meno costosa rispetto alle soluzioni attualmente diffuse sul mercato.
Opportunità per produzioni e utenti energetici
Chi progetta sistemi fotovoltaici può oggi valutare con più ottimismo l’impiego delle celle alla perovskite ibrida. L’efficienza raggiunta e la vita operativa indicano percorsi concreti di innovazione.
Utenti e installatori dovranno monitorare l’integrazione di queste tecnologie nei prossimi anni. Nel frattempo, la ricerca apre ulteriori possibilità per un’energia rinnovabile competitiva e ad ampio impatto.
Fonte: Interesting Engineering
