Nanoparticelle di Allumina Resistenti Incrementano la Durata delle Celle Solari Perovskite di 10x

Un team di ricercatori innovativi ha appena pubblicato uno studio che dimostra come le nanoparticelle di allumina possano estendere la vita dei pannelli solari di dieci volte. Mentre la comunità globale si avvicina al suo obiettivo di raggiungere emissioni nette zero di carbonio nei prossimi decenni, c’è una forte spinta a introdurre le energie rinnovabili sul mercato. Le opzioni di energia rinnovabile come turbine eoliche e pannelli solari offrono una soluzione energetica affidabile e pulita. Tuttavia, questi dispositivi non sono perfetti e le loro prestazioni si degradano nel tempo.

Tipi di Pannelli Solari

La tecnologia dei pannelli solari continua a evolversi. Oggi, sul mercato ci sono quattro principali tipi di pannelli solari: PERC, monocrystalline, polycrystalline e pannelli thin-film. Queste opzioni hanno i loro pro e contro in termini di efficienza, durata, dimensioni e resistenza.

PERC  (Passivated Emitter and Rear Cell)

I pannelli solari PERC integrano un design a doppio strato per massimizzare l’efficienza. In particolare, questo tipo di pannello solare può raggiungere un’efficienza del +20% con questa configurazione. Offre una durata e una vita media. Tuttavia, è l’opzione più costosa dell’elenco, rendendola poco ideale per la maggior parte dei proprietari di casa.

Monocristallino

I pannelli monocristallini sono un’altra opzione costosa che produce un’efficienza del 20%. Questo pannello utilizza il cristallo di silicio come materiale di base. La configurazione offre la più lunga durata tra le quattro opzioni, ma aumenta anche il costo complessivo di questi pannelli.

Fonte – ACS

Policristallino

I pannelli policristallini sono realizzati fondendo insieme frammenti di silicio. Questo approccio riduce i costi di produzione, rendendo questa opzione più conveniente. Tuttavia, queste unità sono più grandi rispetto alle loro controparti e sono meno efficienti. Nella maggior parte dei casi, hanno un’efficienza media del 15%.

Pannelli Thin-film

I pannelli thin-film offrono l’efficienza più bassa, ma garantiscono la massima flessibilità e convenienza. Questi sono i pannelli che si vedono su camper e altre aree dove lo spazio è limitato. I pannelli thin-film possono essere realizzati con una varietà di materiali. Due opzioni comuni sono CdTe (Tellururo di Cadmio) e a-Si (Silicio Amorfo).

Celle Solari Perovskite (PSC)

Le celle solari perovskite sono il tipo più avanzato di pannello solare attualmente utilizzato. Questi pannelli a base di silicio offrono alta efficienza in una forma leggera e compatta. Per raggiungere questo obiettivo, incorporano monostrati auto-assemblati (SAM) per migliorare le prestazioni senza aumentare i costi.

Problemi delle PSC

Le PSC presentano ancora numerosi svantaggi. Per esempio, soffrono di perdite di iodio come altre opzioni di pannelli. La generazione di iodio molecolare avviene nel tempo a causa di reazioni chimiche all’interno di questi materiali, aggravando i processi di degradazione e riducendo le prestazioni.

Studio sulle Nanoparticelle di Allumina

Riconoscendo la scarsa comprensione dell’influenza dei modificatori molecolari sulle proprietà elettriche ed elettroniche su scala nanometrica della perovskite e della stabilità del dispositivo, ingegneri dell’Università di Surrey hanno proposto un nuovo metodo per migliorare la durata e le prestazioni di questi dispositivi. Il rapporto “Migliorata stabilità e omogeneità elettronica nelle celle solari perovskite tramite uno strato intermedio di ossido sepolto nano-ingegnerizzato“¹ pubblicato su EES Solar svela il funzionamento interno di questi materiali durante il processo di degradazione, consentendo agli ingegneri di comprendere meglio i modificatori di superficie e come possano essere utilizzati per migliorare i futuri dispositivi. Come parte dello studio, il team ha iniziato testando la durabilità dei principali tipi di pannelli solari l’uno contro l’altro.

PFN–Br

Questo elettrolita polimerico è comunemente usato nelle PSC. Offre prestazioni affidabili e una durata media. Il team ha deciso di utilizzare questo materiale poiché è considerato il più avanzato sul mercato attuale.

Alumina (Al₂O₃) nanoparticles

Gli ingegneri hanno sviluppato nanoparticelle di allumina (Al₂O₃) nell’ambito della loro ricerca. Queste piccolissime particelle sono state progettate per intrappolare lo iodio rilasciato all’interno del pannello solare nel tempo. L’obiettivo era impedire allo iodio di fuoriuscire nel resto della cella e degradare le prestazioni.

2D Perovskites

Per raggiungere questo obiettivo, gli ingegneri hanno creato una barriera perovskite 2D contro l’umidità. Questa barriera impediva a materiali esterni di penetrare nel pannello e causare degradazione. Questa strategia ha aumentato l’affidabilità e la durabilità del pannello.

Alumina Nanoparticles Test

Per testare la loro teoria, gli ingegneri hanno dovuto collocare i pannelli in condizioni reali. Nell’ambito della fase di test, il team ha creato scenari di calore e umidità estremi. I pannelli sono stati quindi inseriti in queste condizioni e testati. Utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), il team ha monitorato attentamente l’evoluzione delle celle in degradazione sotto condizioni stressanti.

Kelvin Probe Force Microscopy

Da lì, gli ingegneri hanno utilizzato un microscopio Kelvin Probe Force per monitorare l’influenza dei modificatori sulla superficie e l’omogeneità elettronica di campioni freschi e degradati. Il microscopio KPF è stato impiegato per analizzare l’omogeneità elettronica superficiale dei film perovskite. Questo ha aiutato i ricercatori a comprendere come le nanoparticelle di allumina contribuiscano a una maggiore stabilità e a una riduzione della degradazione, piuttosto che osservare direttamente il loro funzionamento.

Stability Testing

I test di stabilità hanno valutato come lo strato di barriera contro l’umidità incapsulato resista a condizioni intense. I dispositivi sono stati testati periodicamente dopo ogni ciclo di esposizione. Questa strategia ha facilitato gli scienziati nel fare confronti diretti di ciascuna cella.

Risultati dei Test sulle Nanoparticelle di Allumina

I risultati dei test mostrano grandi potenzialità per questa tecnologia. In primo luogo, le celle costruite con nanoparticelle di allumina hanno prodotto più energia e potrebbero essere rese più leggere. Questi dispositivi hanno dimostrato alte prestazioni con una minima degradazione della produzione di energia registrata su 1.530 ore di test.

In particolare, le unità arricchite con nanoparticelle hanno dimostrato una durata 10 volte superiore rispetto ai predecessori. Gli ingegneri hanno scoperto che le nanoparticelle di Al₂O₃ hanno contribuito a una struttura perovskite più uniforme. Questa architettura migliorata ha presentato meno difetti e ha potenziato la connettività elettrica.

In modo impressionante, le nanoparticelle hanno creato un rivestimento protettivo 2D che ha impedito all’umidità di penetrare nelle unità. I test hanno mostrato un basso tasso di permeazione dell’acqua di circa 4 × 10⁻³ g per m² al giorno. Pertanto, le nuove unità sono più adatte a condizioni meteorologiche avverse e installazioni permanenti.

Benefici delle Nanoparticelle di Allumina

Esiste un lungo elenco di vantaggi che rendono le nanoparticelle di allumina una sostituzione saggia rispetto ad altre opzioni. In primo luogo, offrono alta efficienza in un formato ridotto. Chi ha spazi limitati, come i tetti urbani, otterrà di più da questi pannelli.

Durata Maggiore

Aggiungere il solare alla propria casa o azienda non è economico. È comune che un sistema costi più di 50.000 $. Qualsiasi tecnologia in grado di migliorare la durata di questi dispositivi e ridurre i costi sarà sicuramente adottata rapidamente sul mercato.

Costi di Produzione Inferiori

Un altro vantaggio principale della creazione di pannelli con nanoparticelle di allumina è che costano meno da produrre considerando il potenziale aumento della loro durata. Man mano che i pannelli solari diventano più avanzati, la tendenza è che le versioni più recenti costino notevolmente di più rispetto ai loro predecessori. Questa ultima scoperta scientifica potrebbe invertire tale tendenza e consentire ai produttori di offrire prodotti migliori a costi inferiori.

Ricercatori delle Nanoparticelle di Allumina

Lo studio sulle Nanoparticelle di Allumina è stato proposto da un team di ingegneri dell’Università di Surrey. Elenca W. Hashini K. Perera come autore principale, insieme a un team di collaboratori del National Physical Laboratory e dell’Università di Sheffield. Ora, il team cerca di approfondire la ricerca per migliorare i pannelli solari con l’obiettivo di perfezionare la tecnologia abbastanza da produrre prodotti commerciali entro 2-5 anni.

Aziende Leader nel Mercato dei Pannelli Solari

La corsa verso l’energia pulita ha portato all’emergere di diversi produttori di pannelli solari di rilievo e attori di mercato. Dallo sviluppo di nuove tecnologie ai lavoratori che installano i pannelli, il settore continua a espandersi. Ecco un’azienda posizionata per sfruttare qualsiasi grande innovazione nella tecnologia solare e aumentare i ritorni.

First Solar, Inc.

First Solar Inc. (FSLR ) è entrata nel mercato nel 1999 con l’obiettivo di fornire sistemi solari affidabili al mercato globale. È notevole che l’azienda sia stata rinominata da Solar Cells come parte della svolta verso le celle fotovoltaiche (PV). Attualmente, l’azienda ha sede a Tempe, Arizona, e offre un’ampia gamma di soluzioni energetiche solari.

È notevole che First Solar sia l’unico importante fornitore statunitense di sistemi solari che non utilizza la produzione cinese. L’azienda produce i suoi pannelli thin-film di tellururo di cadmio (CdTe) negli Stati Uniti. Inoltre, First Solar è stata tra le prime aziende a fornire moduli solari di tellururo di cadmio (CdTe) affidabili sul mercato.

Chi cerca esposizione al settore solare dovrebbe approfondire la ricerca su First Solar. L’azienda gode di una buona reputazione. Inoltre, il suo posizionamento di mercato le consentirebbe di introdurre nuove tecnologie come le nanoparticelle di allumina per migliorare le prestazioni dei suoi prodotti. Pertanto, First Solar è considerata da molti un “Strong Buy”.

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Le Nanoparticelle di Allumina Rendono i Pannelli Solari più Resilienti

La necessità di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili ha portato a un aumento delle installazioni di pannelli solari nell’ultimo decennio. Questa ultima ricerca potrebbe favorire ulteriormente l’adozione dei sistemi solari riducendo i costi e migliorando le prestazioni e la durata. Pertanto, questo team merita elogi per aver aperto la porta a future innovazioni.

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Studi Citati:

^{1. Perera, W. H. K., Woodgate, T. J., Kim, D. K., Kilbride, R. C., Masteghin, M. G., Smith, C. T. G., Hinder, S. J., Wood, S., Jayawardena, K. D. G. I., & Silva, S. R. P. (2025). Migliorata stabilità e omogeneità elettronica nelle celle solari perovskite tramite uno strato intermedio di ossido sepolto nano-ingegnerizzato. EES Solar. https://doi.org/10.1039/d4el00029c}