Scienziati rendono più sicure le celle solari perovskite perovskite ibride ad alte prestazioni


Due campioni di celle solari di laboratorio, uno (a destra) con una pellicola protettiva che assorbe il piombo applicata sul retro. Credito: Northern Illinois University

I ricercatori della Northern Illinois University e del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) a Golden, Colorado, hanno riferito il 19 febbraio 2020, sulla rivista Nature su una potenziale svolta nello sviluppo dell’ibrido celle solari perovskite.

Considerate stelle nascenti nel campo dell’energia solare, le celle solari perovskite convertono la luce in elettricità. Sono potenzialmente più economici e più semplici da produrre rispetto alle tradizionali celle solari a base di silicio e, almeno su piccola scala in ambienti di laboratorio, hanno dimostrato livelli di efficienza comparabili. Ma le sfide principali rimangono prima che possano diventare una tecnologia commerciale competitiva.

Una delle principali sfide è l’uso del piombo. La maggior parte delle celle solari ibride perovskite ibride conterconto piombo dissolvable, sollevando preoccupazioni per potenziali perdite da celle danneggiate.

Guidati da Tao Xu di NIU e Kai shu di NREL, un team di scienziati ha sviluppato una tecnica per sequestrare il piombo utilizzato per produrre celle solari perovskite e ridurre al minimo le potenziali perdite tossiche applicando pellicole che assorbono il piombo sulla parte anteriore e posteriore della cella solare.

I ricercatori di cellule solari NIU Xun Li (a sinistra), uno studente laureato in chimica e biochimica, e Tao Xu, professore di chimica e biochimica. Credito: Northern Illinois University

“La questione della tossicità dei piombo è stata una delle sfide più irritanti dell’ultimo miglio nel campo delle celle solari perovskite”, ha detto Xu, professore di chimica della NIU. “Pensiamo di avere un rimedio molto promettente a questo problema, e potrebbe essere un punto di svolta.

“In caso di cellule danneggiate, il nostro dispositivo cattura la maggior parte del piombo, impedendogli di lisciviare nelle acque sotterranee e nei suoli. I film che usiamo sono insolubili in acqua.”

In condizioni di gravi danni alle celle solari in un ambiente di laboratorio, le pellicole che assorbono piombo hanno sequestrato il 96% delle perdite di piombo, hanno detto gli scienziati. I loro esperimenti indicano inoltre che gli strati che assorbono il piombo non influiscono negativamente sulle prestazioni delle cellule o sulla stabilità del funzionamento a lungo termine.

Le celle solari di Perovskite sono così chiamate perché usano una classe di strutture cristalline simili a quella che si trovano nel minerale noto come perovskite. Il composto strutturato perovskite all’interno di queste celle solari è più comunemente un materiale ibrido a base di alode organico-inorganico.

Credito: Northern Illinois University

Gli scienziati hanno iniziato a studiare queste strutture cristalline per l’uso nelle celle solari solo circa un decennio fa e hanno rapidamente aumentato la loro efficienza di conversione dell’energia solare. Mentre le celle solari tradizionali in silicio sono prodotte con processi precisi che utilizzano alte temperature, le perovskiti possono essere prodotte utilizzando soluzioni chimiche a temperatura ambiente.

Il nuovo approccio “on-device sequestration approach” può essere facilmente incorporato con le attuali configurazioni di celle solari perovskite, ha detto Xu.

Una pellicola trasparente che assorbe il piombo viene applicata a un vetro conduttore sulla parte anteriore della cella solare. La pellicola di sequestro contiene forti gruppi di acidi fosforici leganti di piombo, ma non ostacola la cattura cellulare della luce. Una pellicola polimerica meno costosa miscelata con agenti di chelante di piombo viene utilizzata sull’elettrodo metallico posteriore, che non ha bisogno di trasparenza.

“I materiali sono pronti a scaffale, ma non sono mai stati utilizzati per questo scopo”, ha detto Xu. “La luce deve entrare nella cella per essere assorbita dallo strato di perovskite, e la pellicola frontale in realtà agisce come un agente antiriflesso, migliorando solo un po’.”

I test per la perdita di piombo includevano il martellamento e la frantumazione del vetro anteriore di celle da 2,5-x-2,5 cm e il graffio del retro delle celle solari con una lama di rasoio, prima di immergerle in acqua. I film possono assorbire la stragrande maggioranza del piombo in cellule gravemente danneggiate a causa dell’ingresso di acqua.

“Vale la pena notare che l’approccio dicuito per il sequestro di piombo è applicabile anche ad altre tecnologie basate su perovskite, come l’illuminazione a stato solido, il display e le applicazioni dei sensori”, ha dichiarato , uno scienziato senior di NREL.

Riferimento: “Sequestro di piombo on-device per le celle solari perovskite” di Xun Li, Fei , Haiying He, Joseph J. Berry, Kai ‘hu e Tao Xu, 19 febbraio 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2001-x

Gli scienziati hanno chiesto un brevetto per i loro film che assorbono piombo. Altri autori dello studio di ricerca includono Xun Li, studente laureato NIU; Haiying He dell’Università valparaiso; e Fei e Joseph Berry della NREL.

La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dall’Ufficio DOE Solar Energy Technologies. L’Ufficio tecnologie per l’energia solare sta inoltre fornendo assistenza finanziaria per l’ulteriore sviluppo dei film di sequestro di piombo per le celle solari ibride perovskite.