Pannelli solari in perovskite, il futuro dell’energia green? Come funzionano

Oltre al tradizionale fotovoltaico da tetto e integrato negli edifici (BIPV), i dispositivi fotovoltaici trovano applicazione anche nell’agrivoltaico, nello spazio e in ambienti interni.

L’ambiente subacqueo rimane in gran parte inesplorato: al di sotto dei 50 metri, lo spettro solare subisce un cambiamento drastico, lasciando passare solo luce blu-verde (400–600 nm). Le celle solari in perovskite (PSC), note per le elevate efficienze di conversione dell’energia (PCE) e per la loro banda proibita modulabile, offrono un potenziale interessante per questo contesto.

Un recente studio italiano, frutto della sinergia tra due istituti del Consiglio Nazionale delle Ricerche, l’Università Roma Tor Vergata e la startup genovese BeDimensional analizza proprio la possibilità che i pannelli solari siano posizionati sott’acqua, funzionando in modo efficiente.

Dallo studio, pubblicato sulla rivista Energy & Environmental Materials, è emerso che i pannelli solari realizzati in perovskite sono pienamente efficienti in ambienti acquatici anzi, in alcune circostanze, possono addirittura superare le prestazioni su terreni e tetti.

Questo risultato amplia enormemente gli ambiti di applicazione delle tecnologie green, anche in spazi fino ad ora poco esplorati. I prossimi anni saranno cruciali per superare alcune criticità del materiale e per la realizzazione su grande scala.

Cos’è la perovskite: un materiale rivoluzionario

La perovskite è un minerale che si sta facendo strada nel campo dell’energia solare grazie alle sue proprietà ottiche ed elettriche. I pannelli solari realizzati in perovskite, infatti, potrebbero rivoluzionare il settore con enormi benefici.

Alla base del loro funzionamento c’è una struttura cristallina unica la quale assorbe la luce solare e la trasforma in energia elettrica. Rispetto agli altri materiali utilizzati nel settore, ad esempio il silicio, la perovskite ha un vantaggio non trascurabile: può essere depositata in strati sottili con metodi produttivi meno costosi e più versatili, quindi con costi di fabbricazione inferiori.

Come funzionano i pannelli solari perovskite

Per comprendere il meccanismo di funzionamento di questi pannelli solari bisogna descrivere le diverse fasi del processo di produzione di energia. Quando la radiazione solare colpisce il pannello, la perovskite assorbe i fotoni stimolando gli elettroni presenti nel materiale.

Da questa reazione si generano delle coppie elettrone-lacuna, chiamate anche eccitoni, essenziali per la produzione di corrente elettrica.

Successivamente, elettroni e lacune si separano posizionandosi verso elettrodi opposti e creando una corrente continua. Questo meccanismo di produzione di energia potrebbe sembrare simile a quello del silicio, ma ha il vantaggio di avere maggiore efficienza nell’assorbimento della luce e un processo di produzione più economico.

Alte performance anche sott’acqua

Aspetto sorprendente di questo materiale innovativo – come emerge nella ricerca italiana – riguarda l’efficacia delle celle solari a perovskite in acqua, fino a profondità di 50 metri . Questi pannelli di nuova generazione sono capaci di assorbire la luce blu-verde che penetra dall’alto e attivare il meccanismo di produzione di energia.

I test realizzati dai ricercatori con una specifica perovskite di composizione FAPbBr?, hanno mostrato ottime prestazioni:  le celle immerse nei primi centimetri d’acqua producono più energia rispetto a quando sono esposte all’aria.

“Merito delle caratteristiche ottiche dell’acqua e del suo effetto rinfrescante, che migliora l’efficienza del dispositivo”, spiega Jessica Barichello, ricercatrice del Cnr-Ism che ha coordinato lo studio.

Tale fenomeno dipende sia dalle proprietà ottiche dell’acqua sia dalla temperatura inferiore rispetto a quella terrestre, che riduce il surriscaldamento e aumenta l’efficienza.

Il contributo dell’incapsulamento innovativo

Oltre alla perovskite, un elemento ulteriore di progresso tecnologico è l’incapsulamento sviluppato da BeDimensional, che garantisce la stabilità e la sicurezza dei pannelli immersi in acqua salata. “Grazie all’efficace incapsulamento, basato su un adesivo polimerico idrofobico sviluppato da BeDimensional, dopo 10 giorni di immersione in acqua salata, le celle solari hanno rilasciato quantità minime di piombo, ben al di sotto dei limiti imposti per l’acqua potabile” -Jessica Barichello.
Grazie all’incapsulamento si riduce la dispersione di piombo – componente potenzialmente tossico nelle perovskiti – entro i limiti consentiti per l’acqua potabile.

Pannelli a perovskite e in silicio, una combinazione vincente

Per ottimizzare, ancor di più, l’efficienza in termini di produzione di energia green, le celle a perovskite possono essere combinate con quelle in silicio per creare celle “tandem” , cioè dispositivi fotovoltaici che combinano due o più celle solari di materiali diversi, capaci di sfruttare lo spettro solare in modo più completo.

Questa versatilità potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di dispositivi fotovoltaici, adatti sia per l’edilizia residenziale che per usi industriali e agricoli.

Le sfide per il futuro

La tecnologia che sfrutta la perovskite è, al momento, una delle più interessanti nel panorama delle fonti green; tuttavia la strada verso la sua diffusione su larga scala è ancora lunga.

Se, da una parte, il “settore accademico” si mostra entusiasta dei risultati ottenuti – come prova lo studio qui menzionato – dall’altra emergono dei dubbi legati alla durabilità e alla sostenibilità dei materiali utilizzati .

Tra i punti di forza ci sono sicuramente l’alta efficienza di conversione energetica e la possibilità di ridurre i costi di produzione rispetto ai modelli in silicio. Inoltre sono leggeri e flessibili, quindi adattabili a superfici curve o irregolari.

Ma non mancano le criticità. Il primo “ostacolo” è la durevolezza delle celle esposte a umidità, luce e calore. La perovskite, infatti, si degrada più rapidamente, cosa che può compromettere la durata e l’affidabilità degli impianti. Altra sfida è la scalabilità della produzione: non è detto che gli ottimi risultati raggiunti in laboratorio si trasferiscano su pannelli di grandi dimensioni.

Tirando le somme, nonostante alcuni “contro” da superare, la comunità scientifica sta confermando il grande interesse verso la perovskite; lo dimostra la quantità di progetti di ricerca e sviluppo per ridurre l’impatto dei materiali e migliorare le performance complessive.

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