25 novembre 2022
Le celle solari tandem che combinano due diversi semiconduttori di perovskite promettono un elevato grado di efficienza e possono essere prodotte con un apporto energetico minimo. Insieme a partner dell’industria e della ricerca, il Prof. Dr. Steve Albrecht dell’HZB sta lavorando alla realizzazione di questo progetto.
Recentemente il suo team è riuscito a produrre una cella solare tandem monolitica usando solo perovskite con un’efficienza certificata del 27,2%. Nella seguente intervista il Prof. Dr. Steve Albrecht illustra le opportunità e le sfide che le tecnologie basate sull’uso della sola perovskite comportano.
Assieme al suo team, ha già ottenuto a livello mondiale diversi record di efficienza con l’impiego delle celle solari tandem. Perché queste sono un argomento di ricerca così interessante?
Steve Albrecht: Già oggi il fotovoltaico è uno dei metodi più economici per produrre elettricità in modo sostenibile. La maggior parte dei moduli solari è basata sul silicio e raggiunge un’efficienza del 21% circa. Tuttavia, questa tecnologia sta già raggiungendo i suoi limiti fisici e, nel migliore dei casi, sono possibili solo piccoli miglioramenti. La situazione è completamente diversa nel caso delle celle solari tandem in perovskite: la prima pubblicazione in merito è apparsa nel 2015 e da allora abbiamo assistito a un rapido sviluppo verso efficienze significativamente superiori a quelle offerte dal silicio.
In che modo una cella solare tandem può convertire una percentuale maggiore di luce solare in energia elettrica?
Una cella solare tandem è solitamente costituita da due semiconduttori con diverse ampiezze di banda. Il semiconduttore con un’ampiezza di banda inferiore ha pù possibilità di convertire la luce rossa in energia elettrica, mentre il semiconduttore con un’ampiezza di banda converte più facilmente la luce blu del sole, il che aumenta notevolmente l’efficienza. Prevediamo in futuro di impilare l’uno sull’altro non solo due o tre, ma molti strati di semiconduttori diversi per ottenere gradi di efficienza più elevati.
Qual è la particolarità di una cella solare tandem composta da due diversi strati di perovskite?
I materiali semiconduttori ibridi organici-inorganici della famiglia delle perovskiti hanno proprietà interessanti: la loro ampiezza di banda può essere facilmente modificata, in particolare attraverso cambiamenti nella composizione chimica. Combiniamo della perovskite ad ampiezza di banda ridotta con un secondo materiale con ampiezza di banda maggiore. A tal fine, ad esempio, sostituiamo talvolta il piombo con lo stagno riducendo l’ampiezza di banda a circa 1,25 eV. A questo materiale viene poi abbinato uno strato assorbente di perovskite con un’ampiezza di banda particolarmente larga di circa 1,8 eV, che a sua volta contiene molto bromo. Tuttavia, le varie perovskiti hanno anche eccellenti proprietà ottiche ed elettriche che consentono di raggiungere gradi di efficienza elevati. In termini puramente teorici, sarebbero possibili anche efficienze tandem ben superiori al 40%.
Perché i materiali in perovskite risultano così versatili?
Non solo le proprietà dei semiconduttori in perovskite ne consentono un ampio uso, rispondente a vari requisiti, ma sono anche già stati realizzati diversi processi di produzione economici e su vasta scala. In questo modo è possibile produrre celle fotovoltaiche di qualsiasi forma o moduli solari su substrati flessibili. Non vi sono praticamente limiti all’immaginazione. Inoltre, la produzione di moduli fotovoltaici tandem in perovskite pura necessità di pochissima energia. Tali moduli hanno quindi già di per sé un’impronta CO2 inferiore rispetto, ad esempio, ai moduli solari a base di silicio, attualmente disponibili sul mercato.
Quali sono stati gli esordi del lavoro sulle celle solari tandem in sola perovskite?
Il segnale di partenza è stato il progetto HIPSTER, finanziato dalla Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), e il cui nome si adatta perfettamente al nostro giovane team qui a Berlino; l’abbiamo creato prendendo spunto dalle lettere che compongono la denominazione di questo progetto di ricerca. Già nella prima fase di HIPSTER abbiamo potuto dimostrare di essere in grado di sviluppare celle solari tandem altamente efficienti. Anche in questo caso abbiamo utilizzato i monostrati auto-assemblati (i cosiddetti SAM) da noi sviluppati, che hanno permesso di ottenere elevate efficienze. Nella seconda fase del progetto, intendiamo migliorare ulteriormente la stabilità delle celle solari tandem in sola perovskite. A tal fine, dobbiamo individuare in punti in cui si verificano le perdite elettriche, ad esempio sulle interfacce e sui materiali di contatto all’interno dell’intero stack tandem. Al termine di questo progetto di ricerca di base, vorremmo aumentare significativamente la stabilità delle celle solari tandem in sola perovskite, comprendendo meglio i processi di degradazione. Ci aspettiamo che queste celle tandem raggiungano valori di efficienza simili a quelli delle celle tandem in silicio e perovskite.
Lei e il suo team siete anche coinvolti in un progetto dell’UE sulle celle tandem in sola perovskite. Di cosa si tratta?
Stiamo pensando un po’ più in grande e stiamo collaborando con partner europei del panorama scientifico e industriale. Nell’ambito del progetto SuPerTandem vogliamo sviluppare una tecnologia fotovoltaica a basso costo e a bassa impronta di CO2 insieme a partner di otto Paesi. Le celle tandem in sola perovskite, che possono essere prodotte su substrati flessibili con processi di stampa, sono perfettamente adatte a questo scopo. In particolare, vogliamo contribuire allo sviluppo di un modulo tandem di perovskite su 10×10 cm2 con un’efficienza superiore al 30%.
Finora le celle solari di perovskite sono ancora considerate piuttosto fragili. Per quanto tempo funzioneranno e che cosa dovrebbe accadere a questi moduli quando avranno raggiunto la fine della loro vita utile?
La stabilità a lungo termine è già molto migliorata. Puntiamo a una stabilità pari a quella dei moduli al silicio già affermati. Diversi partner del progetto stanno anche lavorando su concetti di riciclaggio. L’obiettivo è un’economia di riciclaggio a ciclo chiuso per i moduli tandem in sola perovskite.
Qual è la qualità delle celle solari tandem in sola perovskite?
L’efficienza più alta finora registrata per le celle solari tandem costituite esclusivamente da perovskiti è del 28,0%. Tuttavia, non sono ancora stati pubblicati dettagli scientifici in merito. Di recente siamo riusciti a raggiungere un’efficienza certificata del 27,2% con una cella solare tandem in sola perovskite sviluppata interamente all’HZB e prodotta dal postdoc Dr. Fengjiu Yang. Questo valore è molto vicino al miglior punteggio e abbiamo già idee per ulteriori miglioramenti. Riteniamo che, con questa tecnologia e grazie ad altreottimizzazioni, sia realistico raggiungere un’efficienza del 33%.