Sostenibilità
L’IA Avanza il Solare a Film Sottile Sbloccando la Stabilità dei Perovschiti
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Dal Silicio ai Film Sottile
Nel nostro articolo “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”, abbiamo spiegato come l’ascesa dell’energia solare stesse inaugurando una rivoluzione nella nostra fornitura di energia, almeno a lungo termine.
Finora, circa il 90% dei pannelli solari è realizzato con tecnologia a base di silicio, con la grande maggioranza che utilizza progetti in polisilicio, i quali hanno sostituito i vecchi progetti in monosilicio (il silicio monocristallino è più durevole, ma anche meno conveniente).
Fonte: EIA
Un’alternativa sono i perovschiti, spesso chiamati anche celle solari a film sottile, che catturano l’energia del Sole grazie alla struttura cristallina unica del perovschio. (Un’altra forma di tecnologia a film sottile utilizza celle a film sottile di tellururo di cadmio.)
Il termine film sottile deriva dallo strato di materiale molto più sottile necessario per produrre elettricità, rendendo le celle solari più flessibili e leggere.
I perovschiti naturali sono composti da ossido di calcio e titanio (CaTiO3), ma altri minerali possono avere la stessa struttura cristallina con una formula chimica che segue la regola “ABX3”.
Pur avendo un rendimento di conversione energetica molto elevato, i perovschiti sono meno durevoli rispetto alle celle solari al silicio, il che ha ostacolato l’uso pratico e la loro adozione commerciale.
Ricercatori dell’Università Tecnologica di Chalmers (Svezia) e dell’Università di Birmingham hanno utilizzato l’apprendimento automatico per chiarire la parte mancante della conoscenza teorica sulla struttura cristallina dei perovschiti, aprendo la strada per renderli più durevoli e, quindi, forse la prossima generazione di tecnologia fotovoltaica commerciale.
Hanno pubblicato i loro risultati nel Journal of the American Chemical Society1, con il titolo “Revealing the Low-Temperature Phase of FAPbI3 Using a Machine-Learned Potential”.
Stabilità del Perovschio Formamidinio
I ricercatori hanno lavorato con un materiale chiamato ioduro di piombo formamidinio (FAPbI3). È considerato uno dei materiali con le migliori prestazioni nel gruppo dei perovschiti alogenuri per le sue promettenti proprietà per le future tecnologie di celle solari.
Tuttavia, il materiale generalmente non è sufficientemente stabile alla luce solare per un’applicazione commerciale, e parte del motivo è che la fase a bassa temperatura dell’ioduro di piombo formamidinio rimane poco compresa, fino ad ora.
“La fase a bassa temperatura di questo materiale è stata a lungo un pezzo mancante del puzzle della ricerca e ora abbiamo risolto una questione fondamentale sulla struttura di questa fase.”
Modellazione Avanzata con IA
Le osservazioni sperimentali finora non sono state sufficienti a comprendere la struttura cristallina del FAPbI3. Le simulazioni informatiche tradizionali, che cercano di calcolare e simulare il comportamento degli atomi uno per uno, richiedono supercomputer potenti e lunghi tempi di simulazione.
Invece, i ricercatori hanno sfruttato la loro esperienza nell’apprendimento automatico per migliorare drasticamente l’efficienza della simulazione informatica.
“Combinando i nostri metodi standard con l’apprendimento automatico, ora siamo in grado di eseguire simulazioni migliaia di volte più lunghe rispetto a prima.
E i nostri modelli possono ora contenere milioni di atomi invece di centinaia, avvicinandoli al mondo reale,
Transizioni di Fase Cristallina in FAPbI3
A seconda della temperatura, FAPbI3 può assumere diverse strutture cristalline: cubica a 300 K (27 °C / 80 °F), tetragonale sotto 285 K (12 °C / 53 °F) e ancora sconosciuta a 140 K (-133 °C / -207 °F).
Hanno scoperto che la loro simulazione prevedeva che il materiale potesse essere portato in uno stato semi-stabile quando raffreddato.
L’hanno poi testato nella realtà a -200 °C / -328 °F, per confermare che la simulazione predice accuratamente il comportamento dei cristalli di perovschio, soprattutto in questa condizione ancora non provata.
Il modello ha funzionato per lo più con una previsione quasi perfetta del movimento degli atomi di carbonio e una previsione sufficientemente accurata per gli atomi di azoto.
Applicazioni della Ricerca sui Perovschiti Potenziata dall’IA
Questo modello è il primo a prevedere con buona precisione tutte le strutture cristalline di questo materiale perovschitico. È anche molto meno intensivo in termini di requisiti computazionali, rendendolo utilizzabile da quasi qualsiasi team di ricerca nel mondo. Pertanto potrebbe accelerare drasticamente il progresso di questa tecnologia.
La struttura cristallina e la loro stabilità sono i pilastri per rendere i perovschiti più durevoli, e sono anche fondamentali per renderli commercialmente sostenibili.
“Speriamo che le intuizioni che abbiamo ottenuto dalle simulazioni possano contribuire a come modellare e analizzare in futuro i materiali perovschitici alogenuri complessi,”
Il solare a film sottile, essendo più flessibile, può essere impiegato in molti più contesti rispetto ai pannelli solari tradizionali. È anche molto più leggero.
Quindi, se i perovschiti possono essere usati commercialmente, potremmo iniziare a usarli sulla superficie degli edificis, auto, tetti, telefoni cellulari, ecc., fornendo energia abbondante senza la necessità di dedicare terreni a grandi fattorie solari.
Amidimium sembra la direzione giusta per questa tecnologia, con altri rapporti che indicano anche che un rivestimento protettivo di amidimio può aumentare radicalmente la durata delle celle solari a film sottile. Le nanoparticelle di allumina potrebbero anche aumentare la durata delle celle solari perovschitiche di 10 volte.
Molto probabilmente, una combinazione di diverse di queste tecnologie emergerà per creare una cella solare perovschitica a film sottile ultra-durevole.
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| Tecnologia | Materiale | Potenziale di Efficienza | Durabilità | Prontezza Commerciale |
|---|---|---|---|---|
| Silicio (mono/poli) | Silicio cristallino | 22–26% | Molto alta (25–30 anni) | Completamente commerciale |
| Tellururo di Cadmio | Film sottile CdTe | 23–25% | Alta (30 anni, 89% di mantenimento) | Commerciale (First Solar (FSLR )) |
| Perovschite (FAPbI3, amidinio) | Perovschiti alogenuri | >30% (tandem su scala di laboratorio) | Attualmente bassa (si degrada alla luce solare) | Pre-commerciale, fase di ricerca |
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FSLR Grafico dei prezzi
First Solar è il più grande produttore di pannelli solari negli USA e in tutto l’emisfero occidentale, con impianti di produzione negli Stati Uniti, in Malesia e in Vietnam.
L’azienda non utilizza la classica tecnologia del silicio cristallino e invece utilizza i suoi fotovoltaici a film sottile proprietari.
Basati su tellururo di cadmio, sono più efficienti, prodotti a costi inferiori e possono essere facilmente prodotti in massa.
Fonte: Department Of Energy
I pannelli solari a film sottile di tellururo di cadmio sono anche più durevoli, mantenendo l’89% delle prestazioni originali dopo 30 anni.
Fonte: First Solar
Il cadmio e il tellururo sono sottoprodotti dell’estrazione di altri metalli, il che significa che i prodotti First Solar hanno un impatto minimo, utilizzando risorse che prima erano di scarso utilizzo. I pannelli a film sottile possono anche avere un alto tasso di riciclo.
Il focus dell’azienda sulla tecnologia dei semiconduttori a film sottile le consente di essere completamente integrata verticalmente, rendendola radicalmente diversa dall’industria dei pannelli solari basata sul silicio.
Invece di molteplici fabbriche, con ogni attore specializzato in un segmento come la purificazione del polisilicio, e con molti giorni per produrre una cella solare, First Solar può passare dalle materie prime al prodotto finito in meno di 4 ore.
Fonte: First Solar
Il vantaggio tecnologico di First Solar, combinato con la sua posizione geografica, la rende il probabile beneficiario della crescente spinta dei paesi occidentali a reperire i loro pannelli al di fuori della Cina.
L’azienda sta aumentando rapidamente la sua capacità produttiva, puntando a raggiungere una capacità nominale di 25 GW entro il 2026, rispetto agli attuali 11 GW.
First Solar ha speso un totale di 2 miliardi di dollari in R&S sin dalla sua fondazione. I team di R&S di First Solar prevedono un CdTe a film sottile con un’efficienza cellulare del 25% e percorsi verso un’efficienza del 28% entro il 2030.
Considerato il suo coinvolgimento nella ricerca discussa qui, l’azienda è chiaramente interessata anche ai perovschiti, almeno non appena questi pannelli saranno sufficientemente durevoli.
Nel lungo periodo, First Solar sta cercando di integrare la sua esperienza con il film sottile di tellururo di cadmio nella tecnologia perovschitica, rendendo i pannelli solari risultanti ancora più efficienti.
Fonte: First Solar
In generale, First Solar è un leader tecnologico che trarrà beneficio dalle tariffe sulle importazioni cinesi, qualcosa che probabilmente compenserà l’effetto negativo sull’industria solare dovuto alla rielezione di Trump.
Pur concentrandosi principalmente sul solare a film sottile usando il tellururo di cadmio per ora, la sua esperienza nella produzione di pannelli solari non a base di silicio potrebbe darle un vantaggio significativo con i perovschiti, soprattutto considerando i suoi stretti legami con alcuni dei principali ricercatori in questo campo.
(Puoi anche leggere più informazioni su First Solar nel rapporto di investimento dedicato all’azienda)
Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di First Solar (FSLR)
Studio di Riferimento
1. Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, and Julia Wiktor. Revealing the Low-Temperature Phase of FAPbI3 Using a Machine-Learned Potential. Journal of the American Chemical Society. 14 agosto 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05265
