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Le celle solari stampabili si sono un po 'più chiuse
- Mar 02, 2017 -

Una nuova innovazione potrebbe rendere la stampa di celle solari facile ed economica come stampare un giornale. I ricercatori hanno eliminato un ostacolo critico alla produzione nello sviluppo di una relativamente nuova classe di dispositivi solari chiamati celle solari perovskite. Questa tecnologia solare alternativa potrebbe portare a pannelli solari stampabili a basso costo in grado di trasformare quasi qualsiasi superficie in un generatore di energia.


"Le economie di scala hanno notevolmente ridotto il costo della produzione di silicio", ha affermato il professor Ted Sargent, esperto di tecnologie solari emergenti e presidente della ricerca canadese sulle nanotecnologie. "Le celle solari di Perovskite ci consentono di utilizzare tecniche già consolidate nel settore della stampa per produrre celle solari a costi molto contenuti Potenzialmente, le perovskiti e le celle di silicio possono essere sposate per migliorare ulteriormente l'efficienza, ma solo con i progressi nei processi a bassa temperatura."

Oggi, praticamente tutte le celle solari commerciali sono realizzate con sottili fette di silicio cristallino che devono essere lavorate ad una purezza molto elevata. È un processo ad alta intensità energetica, che richiede temperature superiori a 1.000 gradi Celsius e grandi quantità di solventi pericolosi.

Al contrario, le celle solari di perovskite dipendono da uno strato di minuscoli cristalli - ciascuno circa 1000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano - fatto di materiali a basso costo e sensibili alla luce. Poiché le materie prime perovskite possono essere mescolate in un liquido per formare una sorta di "inchiostro solare", possono essere stampate su vetro, plastica o altri materiali utilizzando un semplice processo di stampa a getto d'inchiostro.

Ma, fino ad ora, c'è stata una presa: per generare elettricità, gli elettroni eccitati dall'energia solare devono essere estratti dai cristalli in modo che possano fluire attraverso un circuito. Quell'estrazione avviene in uno strato speciale chiamato strato selettivo di elettroni, o ESL. La difficoltà di produrre una buona ESL è stata una delle principali sfide che frenano lo sviluppo dei dispositivi a celle solari perovskite.

"I materiali più efficaci per preparare gli ESL sono una polvere e devono essere cotti ad alte temperature, oltre i 500 gradi Celsius", ha detto Tan. "Non puoi metterlo sopra un foglio di plastica flessibile o su una cella di silicio completamente fabbricata, ma si scioglierà".

Tan ei suoi colleghi hanno sviluppato una nuova reazione chimica che consente loro di far crescere una ESL fatta di nanoparticelle in soluzione, direttamente sopra l'elettrodo. Mentre il calore è ancora necessario, il processo rimane sempre inferiore a 150 gradi C, molto inferiore al punto di fusione di molte materie plastiche.

Le nuove nanoparticelle sono rivestite con uno strato di atomi di cloro, che li aiuta a legarsi allo strato di perovskite in cima - questo forte legame consente un'estrazione efficiente degli elettroni. In un articolo pubblicato di recente su Science , Tan ei suoi colleghi riportano l'efficienza delle celle solari realizzate con il nuovo metodo al 20,1%.

"Questo è il migliore mai riportato per le tecniche di lavorazione a bassa temperatura", ha detto Tan. Aggiunge che le celle solari di perovskite che usano il vecchio metodo ad alta temperatura sono solo marginalmente migliori con il 22.1%, e anche le migliori celle solari al silicio possono raggiungere solo il 26.3%.

Un altro vantaggio è la stabilità. Molte celle solari di perovskite subiscono un forte calo delle prestazioni dopo solo poche ore, ma le cellule di Tan hanno conservato oltre il 90% della loro efficienza anche dopo 500 ore di utilizzo. "Penso che la nostra nuova tecnica apra la strada per risolvere questo problema", ha detto Tan, che ha intrapreso questo lavoro come parte di una borsa di studio Rubicon.

"Gli studi computazionali del team di Toronto spiegano splendidamente il ruolo dello strato elettrone selettivo di recente sviluppo.Il lavoro illustra il contributo in rapida evoluzione che la scienza computazionale dei materiali sta facendo verso dispositivi energetici razionali di prossima generazione", ha affermato il professor Alan Aspuru-Guzik, un esperto di scienza dei materiali computazionali nel Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica dell'Università di Harvard, che non è stato coinvolto nel lavoro.

"Per aumentare le migliori celle solari al silicio, le tecnologie a film sottile di prossima generazione devono essere compatibili con il processo con una cella finita, il che comporta temperature di elaborazione modeste come quelle riportate dal gruppo di Toronto in Science ", ha affermato il professor Luping Yu di il Dipartimento di Chimica dell'Università di Chicago. Yu è un esperto di celle solari trattate con soluzioni e non è stato coinvolto nel lavoro.

Mantenersi al fresco durante il processo di produzione apre un mondo di possibilità per le applicazioni delle celle solari di perovskite, dalle coperture per smartphone che forniscono funzionalità di ricarica a finestre colorate solari che compensano l'uso di energia da parte degli edifici. A breve termine, la tecnologia di Tan potrebbe essere utilizzata in tandem con le celle solari convenzionali.

"Con il nostro processo a bassa temperatura, potremmo rivestire le nostre cellule di perovskite direttamente sulla parte superiore del silicio senza danneggiare il materiale sottostante", ha affermato Tan. "Se una cella ibrida di perovskite-silicio può spingere l'efficienza fino al 30% o più, rende l'energia solare una proposta economica molto migliore."