L’innovazione fotovoltaica aumenta l’efficienza dell’energia verde
Generando elettricità con emissioni di CO2 equivalenti quasi nulle, la tecnologia fotovoltaica (FV) offre un’interessante soluzione energetica verde. Tuttavia, attualmente la produzione di celle e moduli solari in Europa è molto limitata, rendendo necessarie le importazioni con le loro impronte di carbonio e i rischi di approvvigionamento. «È diventato sempre più difficile competere con i paesi asiatici, soprattutto con la Cina, per la produzione di tecnologia fotovoltaica. Il vero ostacolo alla diffusione delle soluzioni fotovoltaiche, tuttavia, non è per lo più di natura tecnologica, ma di priorità politica», afferma Uli Würfel, coordinatore del progetto DIAMOND(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE. Le architetture fotovoltaiche stampabili di DIAMOND - scalabili per la produzione - contribuiscono ad aumentare la maturità delle soluzioni europee.
Innovazioni nella progettazione e nei materiali del fotovoltaico a perovskite
La maggior parte dei pannelli solari è realizzata in silicio, grazie alla sua abbondanza e affidabilità, ma le perovskiti offrono una fabbricazione più semplice e costi potenzialmente inferiori. Le perovskiti(si apre in una nuova finestra) per il fotovoltaico sono una classe di materiali cristallini sintetici ottenuti da diverse fonti, tra cui piombo, stagno, bromo e cloro. Per aumentare la durata e l’efficienza delle celle solari a perovskite, DIAMOND ha innanzitutto identificato la migliore combinazione di materiali per i componenti chiave del fotovoltaico. I ricercatori hanno sviluppato dispositivi fotovoltaici in perovskite con elettrodi posteriori metallici convenzionali, oltre a quelli a base di carbonio. Hanno anche studiato l’uso di assorbitori a base di piombo-stagno per ridurre il contenuto di piombo. Tre innovazioni chiave sono state combinate per dare alla soluzione DIAMOND una maggiore stabilità rispetto alle precedenti celle solari fotovoltaiche. In primo luogo, è stato sviluppato un elettrodo posteriore a base di carbonio (contatti elettrici che raccolgono e trasportano la carica fotogenerata verso circuiti esterni). «Queste versioni migliorano la stabilità a lungo termine rispetto agli elettrodi metallici convenzionali», aggiunge l’autore di Fraunhofer Society(si apre in una nuova finestra), che ospita il progetto. Per mitigare l’uso del piombo tossico, sono stati sviluppati strati di sequestro a partire da un’inedita struttura metallorganica che, ricca di gruppi chelanti, immobilizza gli ioni di piombo. Infine, un design innovativo ha sigillato l’unità solare. Questo cosiddetto «incapsulamento ermetico» è difficile perché le colle tipicamente utilizzate per incollare i pannelli solari in vetro che racchiudono i materiali sensibili alla temperatura aumentano i rischi di contaminazione e di danni da calore. «Abbiamo sostituito la colla con uno strato stampato di fritte di vetro, fuse per incollarle alle lastre di vetro, offrendo una protezione ambientale per oltre 25 anni», spiega il ricercatore.
Maggiore efficienza di conversione dell’energia
I test per confrontare l’efficienza di conversione dell’energia (PCE) di DIAMOND - la quantità di luce solare convertita in energia elettrica - con il fotovoltaico al silicio hanno dato risultati incoraggianti. La cella solare a perovskite con assorbitore misto piombo\/stagno ha ottenuto una PCE del 25,86 %; mentre la cella solare a perovskite con elettrodo posteriore a base di carbonio ha raggiunto una PCE del 21,5 % (22,9 % poco dopo il completamento del progetto). Con i mini moduli di celle solari (pannelli), è stato raggiunta una PCE del 23,28 % su una superficie di 29 cm2. Mentre un modulo più grande, di oltre 100 cm2 , con un elettrodo posteriore a base di carbonio trattato in aria (invece di utilizzare atmosfere inerti più costose come l’azoto), ha realizzato una PCE di oltre il 18 %. «Siamo stati anche lieti di registrare un tasso di PCE delle celle solari di poco superiore al 27 %, battendo di fatto il record mondiale per le celle solari in silicio cristallino al momento della presentazione della proposta», osserva l’esperto.
Sostenibilità sin dalla progettazione
Il team ha cercato di progettare dispositivi, componenti e processi con la più bassa impronta di CO2 e il più alto potenziale di riciclo. Per esempio, durante la fabbricazione dei moduli, ogni strato è stato analizzato per il potenziale impatto ambientale, con un modulo completamente riciclabile creato come prova di concetto. «I nostri risultati rafforzano il potenziale della tecnologia fotovoltaica della perovskite che, una volta trasferita all’industria, creerà nuovi posti di lavoro e ridurrà la dipendenza dalle importazioni di pannelli fotovoltaici e, in ultima analisi, dell'energia stessa», conclude Würfel. A tal fine, il team sta aumentando le dimensioni dei moduli fotovoltaici, continuando a migliorare le PCE e la durata di vita operativa.
