Energia solare | Perovskiti, un meccanismo di auto-protezione per il materiale fotovoltaico del futuro

Ciò che si pensava essere il principale difetto delle celle fotovoltaiche a perovskite ibrida organica-inorganica, il nuovo materiale che in futuro potrebbe sostituire il silicio e contribuire a migliorare le performance del fotovoltaico, diventa un loro punto di forza.

Uno studio recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista Joule dimostra che, similmente a quanto accade nelle piante, la perovskite risponde alle sollecitazioni energetiche della luce solare con un meccanismo di auto-protezione, che permette di mitigare gli effetti degradativi della luce sul materiale.

La ricerca è stata condotta da un team internazionale che comprende anche il gruppo di Materials Modeling e Simulations dell’Università di Ferrara, guidato dal Professor Simone Meloni del Dipartimento di Scienze chimiche, farmaceutiche ed agrarie.

Struttura cristallina dello ioduro di piombo e metilammonio, l’archetipo delle perovskidi ibride organiche-inorganiche di alogenuri. 

Come le piante, un meccanismo di auto-protezione 

Fino a oggi si è creduto che la luce solare che incide sulle celle a perovskiti creasse “difetti” nella struttura cristallina del materiale fotoassorbente, la rimozione di uno o più atomi dalla loro posizione nel reticolo del cristallo. Si pensava che, a lungo termine, questi difetti portassero alla degradazione del materiale stesso, e quindi a un calo di efficienza.

"Ciò rappresentava un problema non di poco conto: non si poteva certo pensare di schermare il pannello fotovoltaico dalla luce solare, la sorgente di energia che deve essere trasformata in corrente elettrica per alimentare i nostri fabbisogni” spiega Meloni, e continua: “Il nostro studio dimostra invece che le celle a perovskite dispongono di un meccanismo di auto-protezione: sfruttano la possibilità di creare difetti per mitigare gli effetti degradativi della luce solare. Proprio come accade nelle piante, le celle a perovskite possono continuare a funzionare controllando la loro efficienza in base all'intensità della luce”.

Meccanismo di fotoautoprotezione delle perovskiti di alogenuri: la luce inietta un eccesso di energia nel materiale, che la assorbe formando difetti e prevenendo un aumento eccessivo della temperatura che porterebbe alla degradazione completa del materiale. La presenza di difetti riduce l’assorbimento della luce e il rilascio dell’eccesso di energia nel reticolo cristallino, autolimitando così la quantità di difetti formati dalla luce solare. Nei periodi di buio, ad esempio la notte, il materiale ricostituisce la sua struttura cristallina ordinaria predisponendosi al successivo ciclo giorno/notte.

Efficienza, facilità di produzione ed economicità: una promessa per il futuro del fotovoltaico 

In dieci anni di ricerca nel settore le perovskiti ibride organiche-inorganiche sono riuscite a sopravanzare materiali che erano stati studiati per più di un cinquantennio, grazie alla possibilità di utilizzarle per fabbricare celle ad alta efficienza con materiali e processi a basso costo.

“Le celle fotovoltaiche basate sulle perovskiti sono oggi capaci di convertire in corrente elettrica più di un quarto della luce solare che le colpisce, superando l’efficienza delle tradizionali celle a silicio. Possono essere fabbricate con facilità e in maniera economica, al contrario delle celle al silicio che richiedono un processo lungo, laborioso ed energivoro. Ciò implica la possibilità di sviluppare un vero processo di produzione di massa per la realizzazione di un numero di pannelli solari di ordini di grandezza maggiore di quelli prodotti oggi. In definitiva, l’introduzione della perovskite promette di poter realizzare la tanto desiderata transizione energetica e ridurre sostanzialmente la dipendenza da combustibili fossili” sottolinea il Professore.

Nonostante le potenzialità, prima di poter diventare un prodotto disponibile sul mercato è necessario risolvere alcuni problemi:

“Questo tipo di celle è sensibile a alcuni agenti che introducono uno stress nel materiale portando alla sua degradazione. Un esempio è l’umidità: se la perovskite vi è sottoposta si trasforma in un altro materiale che non riesce ad assorbire la luce solare per convertirla in corrente elettrica. Tuttavia, limiti di questo tipo possono essere superati già nel breve periodo con accorgimenti ingegneristici. Ad esempio, sigillando i pannelli in modo che le celle funzionino sempre in condizioni di umidità ridotta” precisa il Professore. Proteggere le celle a perovskiti da altri agenti, come la luce, è molto più difficile. Così, “La scoperta di questo meccanismo di auto-protezione non solo rappresenta un'assoluta novità, ma apre nuove vie per lo sviluppo di strategie per aumentare l’efficienza e stabilità di questi materiali, muovendo un ulteriore passo avanti verso l’introduzione di una nuova tecnologia fotovoltaica che possa realmente dare un contributo nel mitigare gli effetti antropici sull’ambiente” conclude il Professor Meloni.

Il Professor Simone Meloni del Dipartimento di Scienze chimiche, farmaceutiche ed agrarie di Unife

Per saperne di più 

L’articolo "Photoprotection in metal halide perovskites by ionic defect formation" è stato pubblicato sulla rivista Joule (impact factor 46).

Le autrici e gli autori sono Nga Phung, Alessandro Mattoni, Joel A.Smith, Dieter Skroblin, Hans Köbler, Leo Choubrac, Joachim Breternitz, Jinzhao Li, Thomas Unold, Susan Schorr, Christian Gollwitzer, Ivan G.Scheblykin, Eva L.Unger, Michael Saliba, Simone Meloni, Antonio Abate e Aboma Merdasa.