La perovskite e la rinascita accademica del fotovoltaico.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Federico Bella*

perov1Se il 2015 è stato l’anno internazionale della luce, il 2016 è l’anno che ha visto la rinascita della ricerca accademica nel settore fotovoltaico grazie all’interazione luce/perovskite. Quest’ultima è un materiale ibrido (organico e inorganico, con formula CH3NH3PbI3), non solo in grado di assorbire l’intero spettro solare meglio di qualsiasi colorante finora sintetizzato nel campo del fotovoltaico di terza generazione, ma anche di trasportare sia elettroni che lacune con dei tempi caratteristici invidiabili nel campo dei semiconduttori.

Contrariamente a quello che si legge sui canali media che stanno dando luce a questa tecnologia emergente, la perovskite in oggetto non è un minerale! A ciò si rifà soltanto il nome “perovskite”, coniato nell’Ottocento dal mineralogista tedesco Gustav Rose in onore del Ministro della Corte Imperiale russa Lev Perovskij, grande collezionista di minerali. Il minerale a cui si fece riferimento risultò essere un ossido doppio di Ca e Ti (CaTiO3) con una struttura cristallina così particolare da poter ospitare un ampio spettro di elementi e mostrare quindi una grande varietà di proprietà fisiche.

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Ossido doppio di calcio e titanio.

Di questo scenario, la perovskite attualmente in voga nel fotovoltaico conserva solo la simmetria ortorombica, e i cristalli di CH3NH3PbI3 sono tipicamente ottaedrici.

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Struttura cristallina della perovskite CH3NH3PbX3 p (X=I, Br e/o Cl). Il catione di metilammonio (CH3NH3+) è circondato da ottaedri di PbX6.

Le celle solari a perovskite hanno sestuplicato la loro efficienza negli ultimi sei anni: dal 3.5 al 22%, mediante ingegnerizzazione delle interfacce tra i vari componenti del dispositivo (vetro conduttivo/TiO2/perovskite/conduttore di lacune/Au). Mentre la gara al record di efficienza ha visto protagonisti svariati gruppi di ricerca su scala mondiale, un tema altrettanto rilevante è stato a lungo accantonato: la stabilità di questi dispositivi. Va infatti sottolineato che queste celle a perovskite hanno tre grandi nemici: la luce UV, l’umidità e il calore (sopra i 60 °C). Non di poco conto per una tecnologia che è pensata, tra le altre cose, per l’applicazione in finestra! E, paradossalmente, pioggia e sole (col suo 5% di raggi UV) ne provocano il degrado e la completa perdita di funzionalità in pochissimo tempo, nei casi migliori dopo pochi giorni.

Science ha pubblicato la settimana scorsa un lavoro di ricerca sperimentale condotto dal Politecnico di Torino insieme all’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), al Politecnico di Milano e all’Istituto Italiano di Tecnologia, dal titolo “Improving efficiency and stability of perovskite solar cells with photocurable fluoropolymers”. In questo lavoro viene proposto un rivestimento realizzato in un materiale polimerico innovativo in grado di contrastare efficacemente l’invecchiamento delle celle solari a perovskite. I ricercatori hanno realizzato un rivestimento fluorurato di spessore micrometrico che funge da efficace barriera contro l’umidità e garantisce in più caratteristiche autopulenti ai pannelli solari quando esposti agli agenti atmosferici. Il rivestimento è stato realizzato tramite fotopolimerizzazione, una tecnica di polimerizzazione estremamente rapida, economica ed a basso impatto ambientale (è usata comunemente per le otturazioni odontoiatriche e il fissaggio dello smalto sulle unghie). Per contrastare l’invecchiamento dei materiali indotto dalla luce ultravioletta, il rivestimento polimerico è stato inoltre potenziato con molecole luminescenti in grado di convertire la luce ultravioletta presente nella radiazione solare in luce non dannosa per la cella solare.

Con efficienze prossime al 19% ed un’eccezionale stabilità quando sottoposte ad una serie di test di invecchiamento anche in condizioni estreme per diversi mesi, le innovative celle solari a perovskite proposte su Science confermano le notevoli prospettive di questa nuova tecnologia di conversione dell’energia solare che potrà competere efficacemente con i classici pannelli al silicio in ambito edilizio, ma anche essere accoppiata al silicio stesso in dispositivi tandem ad elevatissime prestazioni.

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* Federico Bella è ricercatore post-doc al Polito, dove si occupa principalmente di chimica dei materiali per la conversione energetica.

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