Celle solari in perovskite: la chiave per la stabilità a lungo termine

Le celle solari in perovskite sono poco costose da produrre e altamente efficienti. Tuttavia, se utilizzati all'aperto in condizioni meteorologiche reali, è ancora discutibile per quanto tempo rimarranno stabili. Questo argomento è ora affrontato da una collaborazione internazionale guidata dal Prof. Antonio Abate sulla rivista Nature Reviews Materials. I ricercatori hanno studiato gli effetti dei cicli termici ripetuti sulle microstrutture e sulle interazioni tra i diversi strati delle celle solari in perovskite. Conclusione: il fattore decisivo per la degradazione delle perovskiti agli alogenuri metallici è lo stress termico. Ciò può essere utilizzato per elaborare strategie volte ad aumentare specificamente la stabilità a lungo termine delle celle solari in perovskite.

Le perovskiti sono una classe di materiali con proprietà semiconduttrici ideali per la conversione dell'energia in una cella solare: le migliori tra queste, le perovskiti agli alogenuri metallici, offrono già efficienze fino al 27%. La produzione di tali celle solari a film sottile richiede pochissimi materiali ed energia, per cui l'energia solare potrebbe diventare notevolmente più economica. Tuttavia, se utilizzati all'esterno, i moduli solari dovrebbero garantire una resa pressoché stabile per almeno 20-30 anni. E c'è ancora molto spazio per migliorare i materiali perovskiti.

Una collaborazione di ricerca internazionale guidata dal Prof. Antonio Abate ha ora pubblicato i risultati di diversi anni di lavoro in un articolo di revisione sulla rinomata rivista Nature Reviews Materials . Insieme a un team guidato dal Prof. Meng Li dell'Università di Henan, Cina, e altri partner in Italia, Spagna, Gran Bretagna, Svizzera e Germania, dimostrano che gli stress termici sono il fattore decisivo per la degradazione delle perovskiti agli alogenuri metallici.

"Sebbene l'incapsulamento possa proteggere efficacemente le celle dall'umidità e dall'ossigeno atmosferico, quando vengono utilizzate all'esterno sono comunque esposte a grandi sbalzi di temperatura giorno e notte e durante le stagioni", afferma Abate. A seconda delle condizioni geografiche, le temperature all'interno delle celle solari possono variare da -40 °C a più 100 °C (ad esempio nel deserto).

Per simulare questo fenomeno, le celle solari in perovskite utilizzate nello studio sono state esposte a differenze di temperatura ancora più estreme: da -150 gradi Celsius a più150 gradi Celsius, ripetutamente. Dott. Guixiang Li (allora postdoc presso HZB, ora professore alla Southeast University, Cina) ha studiato come la microstruttura all'interno dello strato di perovskite cambiasse durante i cicli e in che misura le interazioni con gli strati adiacenti cambiassero nel corso dei cicli di temperatura.

Ciò ha ridotto anche le prestazioni della cella. In particolare, le grandi fluttuazioni di temperatura hanno causato stress termici, sia all'interno del film sottile di perovskite che tra i diversi strati adiacenti: "In una cella solare in perovskite, strati realizzati con materiali molto diversi devono essere in perfetto contatto; Purtroppo, questi materiali hanno spesso un comportamento termico molto diverso", spiega Abate. Ad esempio, la plastica tende a restringersi quando viene riscaldata, mentre i materiali inorganici tendono a espandersi. Di conseguenza, il contatto tra gli strati peggiora a ogni ciclo. Inoltre, il team ha studiato anche le transizioni di fase locali e la diffusione degli elementi negli strati adiacenti.

Da qui i ricercatori hanno elaborato una strategia per aumentare la stabilità a lungo termine delle celle solari in perovskite. "Lo stress termico è la chiave", afferma Abate. L'obiettivo principale è quello di rendere le strutture perovskite e gli strati adiacenti più stabili rispetto allo stress termico, ad esempio aumentando la qualità cristallina, ma anche utilizzando strati tampone idonei. Per determinare in modo uniforme e corretto la stabilità durante le variazioni di temperatura, sono necessari protocolli di prova standardizzati.