La scienza dietro le celle solari alla perovskite: una guida completa

Le celle solari in perovskite sono emerse come un’alternativa promettente alle celle solari convenzionali a base di silicio, grazie alle loro proprietà uniche e al potenziale per la produzione di energia a basso costo e ad alta efficienza. Negli ultimi anni, l’efficienza delle celle solari a base di perovskite è salita alle stelle, raggiungendo livelli paragonabili a quelli delle celle solari tradizionali. Questo rapido progresso ha suscitato un diffuso interesse nella comunità scientifica, poiché i ricercatori lavorano per sbloccare l’intero potenziale di questa tecnologia innovativa. Per comprendere meglio la scienza dietro le celle solari alla perovskite, è essenziale approfondire la loro struttura, composizione e principi di funzionamento.

Le celle solari alla perovskite prendono il nome dalla struttura cristallina della perovskite, scoperta per la prima volta nel 19° secolo dal mineralogista russo Lev Perovski. Il termine "perovskite" si riferisce ad una famiglia di materiali con una struttura cristallina specifica, caratterizzata da un grande ione metallico carico positivamente (come piombo o stagno) circondato da una gabbia di ioni caricati negativamente (come alogenuri come iodio, bromo, o cloro). Il materiale perovskite più comunemente utilizzato nelle celle solari è l'alogenuro di piombo metilammonio (CH3NH3PbX3, dove X può essere iodio, bromo o cloro).

Le proprietà uniche dei materiali perovskiti li rendono ideali per l'uso nelle celle solari. Hanno un elevato coefficiente di assorbimento, il che significa che possono assorbire una grande quantità di luce solare e convertirla in elettricità. Inoltre, i materiali di perovskite hanno una lunga lunghezza di diffusione dei portatori, che consente ai portatori di carica (elettroni e lacune) di percorrere lunghe distanze all’interno del materiale senza ricombinarsi. Ciò si traduce in una maggiore probabilità che i portatori di carica raggiungano gli elettrodi e generino una corrente elettrica.

Le celle solari in perovskite sono tipicamente composte da diversi strati, ciascuno con una funzione specifica. Lo strato inferiore, noto come strato di trasporto degli elettroni (ETL), è costituito da un materiale che trasporta selettivamente gli elettroni, come il biossido di titanio (TiO2) o l'ossido di zinco (ZnO). Sopra l'ETL c'è lo strato di perovskite, che assorbe la luce solare e genera portatori di carica. Sopra lo strato di perovskite c’è lo strato di trasporto dei fori (HTL), costituito da un materiale che trasporta selettivamente i fori, come spiro-OMeTAD o PEDOT:PSS. Infine, un elettrodo metallico, come oro o argento, viene depositato sull'HTL per raccogliere i portatori di carica e generare una corrente elettrica.

Quando la luce solare colpisce lo strato di perovskite, i fotoni con energia sufficiente eccitano gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando coppie elettrone-lacuna. Il campo elettrico all'interno della cella solare separa questi portatori di carica, con gli elettroni che migrano verso l'ETL e le lacune verso l'HTL. Le proprietà di trasporto selettivo dell'ETL e dell'HTL assicurano che gli elettroni e le lacune non si ricombinino, consentendo loro di raggiungere gli elettrodi e generare una corrente elettrica.

Uno dei principali vantaggi delle celle solari in perovskite è il loro potenziale di produzione a basso costo. A differenza delle celle solari a base di silicio, che richiedono lavorazioni ad alta temperatura e materiali costosi, le celle solari in perovskite possono essere fabbricate utilizzando tecniche basate su soluzioni, come il rivestimento a rotazione o la stampa a getto d’inchiostro. Ciò consente la produzione di celle solari sottili, leggere e flessibili a una frazione del costo delle celle solari tradizionali.

Nonostante le loro proprietà promettenti, le celle solari in perovskite devono ancora affrontare diverse sfide che devono essere affrontate prima di poter essere ampiamente adottate. Una delle preoccupazioni principali è la loro stabilità a lungo termine, poiché i materiali di perovskite sono sensibili all’umidità, al calore e alla luce ultravioletta. I ricercatori stanno lavorando attivamente allo sviluppo di nuovi materiali e architetture di dispositivi per migliorare la stabilità e la durata delle celle solari in perovskite.

In conclusione, la scienza alla base delle celle solari in perovskite offre un percorso promettente verso la produzione di energia solare a basso costo e ad alta efficienza. Mentre i ricercatori continuano a esplorare e ottimizzare le proprietà dei materiali perovskiti, è probabile che nei prossimi anni vedremo progressi significativi in ​​questo entusiasmante campo.