Migliorare la durata delle celle solari in perovskite con l’amidinio

Rendere più durevoli le celle solari in perovskite

La maggior parte dei pannelli solari utilizza silicio cristallino; un’altra tecnologia commerciale importante è il tellururo di cadmio a film sottile. Le celle in perovskite rappresentano un’ulteriore possibilità, basata su materiali con una particolare struttura cristallina.

Il minerale perovskite è un ossido di calcio e titanio, ma le perovskiti utilizzate nelle celle solari sono generalmente materiali diversi, soprattutto alogenuri contenenti piombo. La tecnologia ha compiuto rapidi progressi: dai prototipi con efficienza del 3,8% nel 2009 si è arrivati a una cella tandem silicio-perovskite con efficienza del 33,9%, annunciata nel novembre 2023 da LONGi Green Energy Technology.

Uno dei principali ostacoli delle celle in perovskite è la stabilità nel tempo. La degradazione dovuta a calore, umidità e illuminazione può limitarne le prestazioni e la convenienza economica. Tuttavia, non tutte le architetture hanno la stessa durata, né questa difficoltà esclude in assoluto qualsiasi applicazione commerciale.

Per competere su larga scala con i moduli in silicio, progettati per operare per due o tre decenni, le perovskiti devono dimostrare un’affidabilità adeguata nelle condizioni reali. È un passaggio decisivo per partecipare alla nuova era solare.

Per questo è significativo il risultato ottenuto da ricercatori della Northwestern University, della Griffith University e dell’Università di Toronto: un rivestimento ha triplicato un indicatore di stabilità in prove accelerate di laboratorio. Lo studio è stato pubblicato su Science con il titolo «L’amidinazione dei ligandi per la passivazione chimica e per effetto di campo stabilizza le celle solari in perovskite¹».

Vantaggi delle perovskiti

Tra i vantaggi potenziali delle perovskiti vi sono costi di produzione contenuti e la possibilità di depositare gli strati con tecniche simili alla stampa. Molti processi richiedono temperature inferiori a quelle della produzione del silicio cristallino; ciò non significa che l’intero dispositivo possa sempre essere fabbricato a temperatura ambiente.

Le celle possono essere realizzate su supporti flessibili, aprendo possibilità per superfici curve, veicoli e droni. La scelta dei materiali e delle architetture tandem consente inoltre di utilizzare diverse porzioni dello spettro solare, con efficienze teoriche previste più elevate, fino al 40% in specifiche configurazioni. È un risultato teorico, non l’efficienza di qualsiasi pannello in perovskite.

L’abbondanza del titanio non è il fattore determinante per le perovskiti fotovoltaiche a base di alogenuri, che non sono il minerale ossido di calcio e titanio. La presenza di piombo in molte formulazioni richiede invece attenzione a contenimento, possibili dispersioni e gestione del fine vita.

Fonte: Research Gate

Le celle tandem silicio-perovskite, come quella sviluppata da LONGi, combinano due materiali assorbenti e costituiscono un’alternativa alle celle realizzate soltanto con perovskiti.

Proteggere le perovskiti dalla degradazione

Le celle in perovskite possono utilizzare ligandi organici a base di ammonio per passivare i difetti superficiali e migliorare l’efficienza. Questi strati possono degradarsi sotto stress ambientale. Lo studio affronta in particolare la perdita di protoni dai ligandi, che ne compromette la stabilità ad alte temperature.

Fonte: Frontiers

La resistenza a tali sollecitazioni è essenziale per moduli destinati a funzionare all’aperto, esposti a giornate calde, umidità e precipitazioni.

I ricercatori hanno quindi impiegato ligandi a base di amidinio, un altro composto contenente azoto. L’amidinio è la forma cationica derivata dalle amidine.

Fonte: Wikipedia

Il lavoro si concentra sul miglioramento degli strati di passivazione, anziché soltanto sulla stabilità del materiale assorbente. Rafforzare chimicamente questi strati può contribuire alla durata dell’intero dispositivo.

Un miglioramento nelle prove di stabilità

Il nuovo approccio ha aumentato la resistenza dello strato superficiale e migliorato la stabilità operativa delle celle nelle condizioni di prova. Non è ancora una dimostrazione di decenni di funzionamento per un pannello commerciale.

Secondo la comunicazione della Northwestern, il nuovo rivestimento era dieci volte più resistente alla decomposizione rispetto a quelli tradizionali a base di ammonio. Le celle trattate hanno inoltre triplicato il tempo T₉₀, cioè il tempo necessario perché l’efficienza scenda al 90% del valore iniziale nelle prove accelerate. Non si tratta di una perdita del 90% dell’efficienza.
Bin Chen – co-responsabile dello studio e docente ricercatore di chimica alla Northwestern

Proseguire i progressi precedenti

Questo risultato si inserisce in una serie di lavori del gruppo sulle celle in perovskite.

Nel 2022 il gruppo del coautore Ted Sargent aveva sviluppato una cella in perovskite con risultati di rilievo per efficienza e tensione.

Nel 2023 il gruppo aveva presentato celle con struttura invertita e ulteriori miglioramenti dell’efficienza. Altri lavori avevano utilizzato cristalli liquidi per ridurre i difetti nei film di perovskite e migliorare le prestazioni dei dispositivi.

Lo studio ha ricevuto sostegno anche da First Solar (FSLR ) e da enti pubblici statunitensi, tra cui il Dipartimento dell’Energia e il National Institute of Standards and Technology del Dipartimento del Commercio.

Investire nell’energia solare

La produzione di energia solare è cresciuta rapidamente e può contribuire alla decarbonizzazione dell’economia. Nel 2024 i combustibili fossili fornivano ancora gran parte dell’elettricità mondiale e una quota ancora maggiore dell’energia complessiva, lasciando ampio spazio allo sviluppo di fonti a basse emissioni.

In un mercato molto competitivo, le economie di scala sono importanti per contenere i costi e ottenere profitti. Le nuove tecnologie possono però modificare gli equilibri e mettere sotto pressione anche i produttori affermati di moduli in silicio.

È possibile investire nelle società del settore tramite diversi intermediari. Su securities.io trovi le nostre guide ai broker negli Stati Uniti, in Canada, in Australia, nel Regno Unito e in molti altri Paesi.

Chi preferisce un’esposizione a più società può valutare fondi settoriali come Global X Solar ETF (RAYS), Invesco Solar ETF (TAN) o Global X China Clean Energy ETF (2809.HK), citati nel contesto dell’articolo del 2024. Composizione, disponibilità e rischi dipendono dal fondo; la diversificazione non elimina il rischio settoriale.

Puoi leggere anche il nostro articolo sui «10 titoli dell’energia solare da conoscere».

Una società del settore: First Solar

First Solar è uno dei principali produttori statunitensi di moduli fotovoltaici e ha un’ampia presenza produttiva nell’emisfero occidentale. Nel 2024 disponeva di stabilimenti negli Stati Uniti, in Malaysia, in Vietnam e in India.

L’azienda utilizza una propria tecnologia fotovoltaica a film sottile basata sul tellururo di cadmio, anziché sul silicio cristallino. Offre caratteristiche competitive di costo, produzione e resa in determinate condizioni, senza essere necessariamente più efficiente di ogni modulo in silicio. Il dato di circa l’89% della potenza iniziale dopo 30 anni si riferisce alla garanzia di prestazione dei moduli considerati, non a una misurazione già completata su tutti i pannelli.

Fonte: First Solar

Il cadmio e il tellurio si ottengono anche come sottoprodotti della lavorazione di altri metalli. Il loro utilizzo e il riciclo dei moduli possono ridurre il fabbisogno di nuove materie prime, ma non rendono nullo l’impatto ambientale. Raccolta, trattamento e riciclo richiedono processi adeguati.

La tecnologia e la presenza produttiva di First Solar potrebbero favorirla qualora i clienti occidentali cercassero forniture più diversificate e meno dipendenti dalla Cina.

Nel 2024 l’azienda stava ampliando la capacità produttiva nominale, con l’obiettivo dichiarato di superare 25 GW annui a livello mondiale entro la fine del 2026. La capacità nominale non coincide con i volumi effettivamente prodotti o venduti.

Il sostegno alla ricerca mostra anche l’interesse per le perovskiti. In una presentazione agli investitori, l’azienda indicava l’obiettivo di avere una «linea di sviluppo pronta a produrre campioni tecnologici in condizioni simili a quelle di fabbricazione nel quarto trimestre del 2024». Una linea di sviluppo non equivale a una produzione commerciale su larga scala.

First Solar dichiarava investimenti cumulativi in ricerca e sviluppo pari a circa 2 miliardi di dollari dalla fondazione.

First Solar potrebbe beneficiare dei dazi sulle importazioni cinesi, ma l’effetto complessivo delle politiche successive alla rielezione di Donald Trump nel 2024 restava incerto. Non era possibile presumere che i dazi compensassero automaticamente ogni effetto negativo per il settore.

L’esperienza nella produzione di moduli non basati sul silicio e i rapporti con i ricercatori potrebbero agevolare lo sviluppo di prodotti in perovskite. Il passaggio dalla ricerca alla produzione competitiva e durevole rimane comunque una sfida tecnica e industriale.

Riferimento allo studio:

^{1. Yang, Y., et al. (2024). Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells. Science, 386(898–902). https://doi.org/10.1126/science.adr2091}