Il futuro verde dell'energia: le nuove celle solari

Nella periferia di Brandenburg an der Havel, in Germania, sorge una fabbrica a due piani che custodisce segreti rivoluzionari nel campo dell'energia solare.

Qui, l'azienda britannica Oxford PV sta producendo celle solari commerciali utilizzando i perovskiti: materiali fotovoltaici (PV) economici e abbondanti, considerati da molti il futuro dell'energia verde.

Oxford PV è una delle oltre una dozzina di aziende che scommettono sui perovskiti, finalmente pronti a spingere la transizione globale verso l'energia rinnovabile. Alcuni prodotti PV basati sui perovskiti sono già sul mercato, e molte altre novità sono previste per il prossimo anno. Si prevede che i pannelli solari realizzati con le celle di Oxford PV saranno disponibili verso la metà del prossimo anno. Ad esempio, a maggio, un grande produttore di PV al silicio, Hanwha Qcells di Seoul, ha annunciato piani per investire 100 milioni di dollari in una linea di produzione pilota operativa entro la fine del 2024.

Il silicio è il materiale principale nel 95% dei pannelli solari

Invece di sostituirlo, Oxford PV, Qcells e altre aziende stanno sperimentando l'aggiunta di strati di perovskite al silicio per creare cosiddette celle "tandem". Poiché ogni materiale assorbe energia da diverse lunghezze d'onda della luce solare, le celle tandem potrebbero teoricamente fornire almeno il 20% in più di energia rispetto a una cella di solo silicio; alcuni scienziati prevedono guadagni ancora maggiori.

I sostenitori del perovskite affermano che questa energia aggiuntiva potrebbe più che compensare i costi supplementari delle celle tandem, specialmente in aree urbane affollate o siti industriali dove lo spazio è limitato.

La sfida del mercato per i Perovskiti: una gara per l'economia solare

I perovskiti stanno per affrontare la loro prova più grande: l'incontro con l'economia spietata del mercato dei fotovoltaici (PV), notoriamente competitivo.

La passione per i perovskiti è stata alimentata da notevoli miglioramenti nelle prestazioni, ottenuti modificando la composizione sia dei cristalli sia delle celle solari create da essi.

Il termine "perovskite" descrive la struttura cristallina di un minerale naturale; i perovskiti usati nelle celle solari sono cristalli sintetici che imitano questa struttura, ma possono essere composti da molti materiali.

Nel 2009, una cella fatta da un semplice perovskite chiamato ioduro di piombo metilammonio convertiva solo il 3,8% dell'energia solare in elettricità. Ora, il record di efficienza di una cella realizzata esclusivamente con materiali perovskiti è del 26,1%.

Questo è solo una frazione di punto percentuale in meno rispetto alla cella di silicio campione.

Le celle perovskite richiedono strati sottili che assorbono la luce e i materiali coinvolti sono tipicamente a basso costo e abbondanti. Gli sostenitori sostengono che se le celle perovskite fossero prodotte alla stessa scala di quelle di silicio, avrebbero un'impronta energetica e materiale inferiore.

Tuttavia, questi confronti di efficienza record non riflettono la realtà commerciale. Le migliori celle perovskite realizzate in laboratorio sono tipicamente più piccole di un francobollo — il leader attuale è più vicino alle dimensioni di un seme di sesamo — e potrebbero funzionare solo per pochi giorni o settimane prima che le loro prestazioni si degradino.

Spesso sono realizzate con un processo chiamato spin coating, che è impraticabile per la produzione su larga scala. “La maggior parte dei report di efficienza molto alta hanno componenti che chiaramente portano a instabilità,” dice Henry Snaith dell'Università di Oxford, co-fondatore e capo scientifico di Oxford PV. Le praticità della produzione di celle di grandi dimensioni e della loro integrazione nei pannelli solari limitano ulteriormente l'efficienza nel mondo reale.

Le celle perovskite non tandem che sono arrivate sul mercato offrono un'efficienza relativamente bassa e una breve durata. Saule Technologies, con sede a Varsavia, produce celle perovskite flessibili che alimentano piccole etichette elettroniche o fungono da tende solari che raccolgono energia, offrendo un'efficienza del 10% alla luce solare piena e una durata di "diversi anni". Microquanta di Hangzhou, in Cina, ha fornito abbastanza pannelli solari perovskiti per generare 5 megawatt (MW) di potenza elettrica per i suoi clienti, inclusi alcuni allevamenti di pesci locali. La loro efficienza è intorno al 13%, e le loro prestazioni si degradano due volte più velocemente rispetto a un modulo di silicio. “In questo momento, devo ammettere che il perovskite non è ancora così stabile come il silicio,” dice BuYi Yan, co-fondatore e direttore tecnologico dell'azienda.

Le celle commerciali di silicio sono tipicamente più grandi di un foglio A5, e queste vengono assemblate in moduli lunghi 2 metri — i mattoni base di pannelli e array più grandi — che hanno un'efficienza di circa il 22-24%. I moduli vengono tipicamente forniti con una garanzia che garantisce almeno l'80% delle loro prestazioni originali dopo 25 anni — ovvero una perdita di meno dell'1% di efficienza all'anno.

La maggior parte delle celle e quasi tutti i wafer di silicio che costituiscono questi prodotti sono fabbricati in Cina, dove le economie di scala e i miglioramenti tecnologici hanno ridotto il costo di un pannello solare di circa il 90% dal debutto dei perovskiti nel 2009. Infatti, ora costa più installare un pannello di silicio e collegarlo alla rete elettrica che produrlo.

La tecnologia tandem e le sfide dei perovskiti nel mercato solare

Nonostante il successo del silicio, i sostenitori dei perovskiti sostengono che le celle tandem siano superiori in altri modi.

Le celle di silicio si stanno avvicinando al picco di prestazioni: la teoria prevede che la loro efficienza non possa aumentare molto oltre il 29%, con moduli pratici che probabilmente raggiungeranno al massimo il 24-27%. “Stiamo raggiungendo il limite di ciò che possiamo fare ragionevolmente con il silicio,” afferma Tonio Buonassisi, un ricercatore PV al Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge.

Tuttavia, l'aggiunta di una cella perovskite produce un'efficienza massima teorica di circa il 45%. “Offre la possibilità di ottenere il 25-50% in più di energia dai pannelli. Penso che sia una visione eccitante,” dice il ricercatore di perovskiti Michael McGehee dell'Università del Colorado, Boulder.

In un dispositivo tandem tipico, la cella perovskite è posizionata sopra la cella di silicio; ogni cella è composta da più strati che svolgono tutti un ruolo nella conversione della luce in elettricità.

La luce solare colpisce per prima il perovskite, rilasciando elettroni dal materiale e lasciando dietro di sé "buchi" carichi positivamente. Gli elettroni viaggiano in uno strato adiacente di raccolta della carica e poi verso un elettrodo; i buchi migrano nella direzione opposta. Un processo simile avviene nella cella di silicio, che è migliore nell'assorbire i fotoni a bassa energia persi dalla cella perovskite. Modificando la chimica e l'ingegneria nanoscala della cella perovskite, sono stati ottenuti miglioramenti delle prestazioni che si sono rapidamente tradotti in celle tandem migliori. All'inizio di novembre, il colosso solare cinese LONGi, con sede a Xi’an, ha annunciato di aver realizzato una cella tandem di 1 centimetro quadrato con un'efficienza record verificata indipendentemente del 33,9%.

I produttori non hanno ancora dimostrato questa efficienza per le celle tandem su scala commerciale, ma a maggio Oxford PV ha annunciato la cella tandem perovskite–silicio con prestazioni più elevate mai uscita da una linea di produzione, con un'efficienza del 28,6%. Sebbene il dispositivo fosse leggermente più piccolo delle tipiche celle di silicio, la fabbrica di Brandeburgo dell'azienda sta ora producendo celle tandem più grandi che vengono assemblate in moduli di dimensioni complete con un'efficienza di circa il 24%, un numero che continua a crescere.

Queste innovazioni, tuttavia, devono confrontarsi con il successo indiscutibile del silicio. "Nessuno vuole un modulo solare che non dura 25 anni. Semplicemente non ne vale la pena," dice Jenny Chase, un'analista solare presso la società di consulenza BloombergNEF di Zurigo, in Svizzera.

<span La Sfida della Stabilità per i Perovskiti nel Mercato Solare

Nella lotta per conquistare il mercato solare, i perovskiti devono quindi affrontare una sfida cruciale: la stabilità.

Nonostante i progressi nella ricerca, la realtà mostra che le celle perovskite degradano più rapidamente del silicio quando esposte a umidità, calore e luce.

“La stabilità è la sfida chiave che rimane per la produzione commerciale,” afferma Fabian Fertig, direttore della ricerca e sviluppo di Qcells.

Qcells, nel cuore della Valley Solare in Thalheim, Germania, sta testando i propri prototipi tandem. La loro struttura di ricerca e sviluppo conduce test di invecchiamento accelerato per verificare la robustezza dei moduli di silicio e tandem, incluso l'esposizione a condizioni estreme simili a quelle di una sauna.

I perovskiti hanno la tendenza a decomporsi a contatto con aria o acqua, ma questo può essere prevenuto incapsulando le celle tandem in un rivestimento impermeabile. Tuttavia, i perovskiti hanno anche meccanismi di degrado intrinseci che l'incapsulamento non può risolvere. Per mantenere gli ioni dei perovskiti al posto giusto, i ricercatori hanno perfezionato la loro composizione e aggiunto strati protettivi nanometrici alle celle.

Il progetto PEPPERONI, una partnership accademico-industriale lanciata nel novembre 2022 e che include Qcells, mira a sviluppare moduli tandem con un'efficienza del 26% che operino in modo affidabile per più di 30 anni e siano adatti per la produzione di massa. Se questi possono essere prodotti su larga scala, Fertig afferma che dovrebbero essere in grado di generare elettricità a un costo tipico di €0,025 per kilowattora, competitivo con il PV di silicio.

Nonostante i risultati promettenti dei test di invecchiamento accelerato, il vero test per un modulo tandem è semplicemente installarlo all'aperto e monitorarne le prestazioni per anni.

Finora, i risultati da pochi studi all'aperto sono stati pubblicati, e la maggior parte di questi proviene da gruppi accademici piuttosto che dalle aziende che commercializzano i tandem. “Non ci sono molti dati disponibili,” dice Stefaan De Wolf, un ricercatore PV presso il King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Arabia Saudita.

Le Prospettive Future dei Perovskiti nel Mercato Solare

Nonostante le preoccupazioni iniziali, i progressi nei test di invecchiamento accelerato e negli studi all'aperto mostrano che le migliori celle tandem perdono solo circa l'1% di efficienza nel loro primo anno di funzionamento, con un tasso di declino minore successivamente.

Questo porta Chris Case di Oxford PV a rassicurare i clienti che le celle tandem dovrebbero avere una durata operativa simile a un modulo di silicio convenzionale.

Anche se vi sono state preoccupazioni riguardo alla presenza di piombo tossico nei perovskiti, numerosi studi suggeriscono che ciò rappresenta una minaccia minima in un pannello ben incapsulato. Inoltre, la maggior parte delle aziende prevede programmi di ritiro per gestire e riciclare i pannelli al termine della loro vita utile.

Se …

Le prospettive future dei perovskiti sono ancorate a una serie di "se": se le speranze delle aziende perovskiti si realizzassero, la maggiore densità di potenza offerta dai tandem potrebbe rivelarsi popolare tra i consumatori. “Se potessi farlo; se fosse stabile; se non costasse troppo in termini di attrezzature o processi di fabbricazione; allora sarebbe piuttosto eccitante, perché probabilmente otterresti un modulo a costo inferiore e valore maggiore. Ma ci sono molti 'se' in questo,” dice Jenny Chase di BloombergNEF.

Alcuni ricercatori e aziende sostengono che i perovskiti potrebbero non dover eguagliare le garanzie di 25 anni del silicio, poiché si stanno migliorando così rapidamente. Questa strategia di rinnovamento è sempre più comune per le vecchie centrali solari al silicio, dove i benefici economici della tecnologia più efficiente superano i costi di rimozione e sostituzione dei moduli invecchiati.

Considerazioni politiche stanno anche guidando gli investimenti nei perovskiti.

In Europa, più energia rinnovabile significa meno dipendenza dalle forniture di gas russo, e negli Stati Uniti si cerca di ridurre la dipendenza dalle catene di approvvigionamento PV cinesi, supportate dalla spesa e dalle agevolazioni fiscali dell'Inflation Reduction Act del 2022.

Alcune aziende, come Swift Solar in California, stanno sviluppando tandem completamente perovskiti che contengono due materiali perovskiti sintonizzati per assorbire diverse parti dello spettro. Questo semplifica notevolmente la catena di approvvigionamento.

Tuttavia, molte aziende cinesi stanno lavorando anche sui tandem perovskite-silicio e potrebbero essere pronte a entrare sul mercato se i dispositivi avranno successo. “Penso che sarebbe molto imprudente scommettere contro la Cina nella produzione solare,” dice Chase.

In definitiva, la sfida più grande per il roll-out globale dell'energia solare non è più l'efficienza dei pannelli solari, ma la mancanza di infrastrutture elettriche per il solare e l'alto costo delle batterie per immagazzinare l'energia in eccesso.

Fonti:

• A new kind of solar cell is coming: is it the future of green energy?,Nature
• The search for perovskite durability, Nature
• Photovoltaics research in Pavia, Giulia Grancini group
• Wikipedia