Rendere le celle solari di perovskite finalmente resistenti alle intemperie e adatte all'uso pratico

Le celle solari di perovskite sono tra le tecnologie più promettenti per rendere l'energia solare più economica e più efficiente. In collaborazione con i partner del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), del DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton) e del KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma, il team ha scoperto i meccanismi microscopici alla base del deterioramento del materiale dovuto agli sbalzi di temperatura e ha sviluppato una strategia per prevenirlo. Il loro approccio si concentra sulla stabilizzazione della fragile struttura cristallina con "ancore" molecolari appositamente progettate.

Oltre il laboratorio: Sopravvivenza nel mondo reale

Per raggiungere gli obiettivi climatici di domani, le celle solari devono resistere per decenni. Sebbene le perovskiti abbiano raggiunto efficienze da record nel convertire la luce solare in elettricità, devono affrontare un nemico brutale in natura: i cambiamenti di temperatura estremi. Gli esperti chiamano questo fenomeno "ciclo termico". In un solo giorno, un pannello solare può passare da notti di gelo a un caldo torrido. Queste condizioni reali, il riscaldamento e il raffreddamento ripetuti, possono innescare una fase iniziale di degrado in cui le celle solari di perovskite possono perdere le loro prestazioni relative.

"Se vogliamo che queste celle siano presenti su tutti i tetti, dobbiamo assicurarci che non funzionino solo in laboratorio, ma che resistano allo stress delle stagioni", afferma il Prof. Peter Müller-Buschbaum, titolare della cattedra di Materiali Funzionali presso la Scuola di Scienze Naturali della TUM e membro del Cluster di Eccellenza per l'e-conversione. Il suo gruppo di ricerca lavora su questa sfida e ha identificato le cause microscopiche di questa instabilità. Ha sviluppato nuove strategie di progettazione per rendere più robusto lo strato superiore delle celle solari tandem, consentendo loro di resistere alle condizioni del mondo reale. Le celle solari tandem sono costituite da celle solari impilate (due al minimo) e quindi sfruttano meglio la luce solare.

La fase di "burn-in" decodificata

In uno studio pubblicato su Nature Communications, l'autore principale, il Dr. Kun Sun della Cattedra di Materiali Funzionali della TUM, e il team hanno studiato le cosiddette celle Wide-Bandgap ad alta efficienza - le celle superiori di una cella solare tandem. Utilizzando misure a raggi X ad alta risoluzione presso il DESY, il team ha osservato il materiale "respirare" in tempo reale durante i rapidi cambiamenti di temperatura; il reticolo si espandeva e si contraeva periodicamente in risposta alle rapide fluttuazioni di temperatura.

La scoperta è stata sorprendente: il degrado avviene in una massiccia fase iniziale di "burn-in", in cui le cellule possono perdere fino al 60% delle loro prestazioni relative. "Abbiamo scoperto che questa perdita è innescata da un microscopico tiro alla fune", spiega il dottor Kun Sun. "Si creano tensioni all'interno del materiale e la sua struttura cambia: questo costa energia". Questa scoperta offre agli ingegneri un obiettivo chiaro: se riusciamo a eliminare il burn-in, possiamo sbloccare la stabilità a lungo termine.

Progettare l'"ancora perfetta"

Come impedire al materiale di andare in pezzi? In un secondo lavoro pubblicato su ACS Energy Letters, i ricercatori hanno spiegato come stabilizzare il materiale cristallino sensibile. Hanno utilizzato speciali molecole organiche che agiscono come distanziatori, tenendo insieme la struttura - come un'impalcatura molecolare.

Confrontando diversi distanziatori, i ricercatori hanno trovato un vincitore: mentre i distanziatori comuni portavano alla rottura della struttura, la molecola organica PDMA, più ingombrante, ha agito come un ancoraggio superiore. Il risultato è una cella solare molto più robusta, che rimane stabile anche sotto lo stress meccanico di un rapido riscaldamento e raffreddamento.

"Il futuro del fotovoltaico è il tandem", afferma il Prof. Peter Müller-Buschbaum. "Grazie alla comprensione di queste meccaniche microscopiche, stiamo aprendo la strada a una nuova generazione di moduli solari altamente efficienti e sufficientemente resistenti per decenni di utilizzo all'aperto".