Le tegole sono un ricordo del passato: Oggi, su un numero sempre maggiore di tetti svizzeri si possono vedere grandi rettangoli neri e blu che convertono la luce solare in elettricità. Il colore nero-blu deriva dai cristalli di silicio, poiché la maggior parte delle celle solari disponibili oggi si basa su questo materiale semiconduttore. Tuttavia, il silicio non è l’unico modo per produrre celle solari – e forse non è il migliore.
Le celle fotovoltaiche basate sul silicio sono oggi così avanzate che stanno raggiungendo i limiti della loro efficienza. Anche se si potrebbero ottenere alcuni punti percentuali in più, il limite superiore teorico per l’efficienza di una singola cella al silicio è del 33 percento. In pratica, è leggermente inferiore, poiché si verificano inevitabilmente piccole perdite di energia durante la costruzione e il funzionamento delle celle.
La ragione di questa efficienza limitata è dovuta alle proprietà del materiale del silicio. Il cosiddetto gap di banda del materiale significa che solo i fotoni con una certa energia possono essere convertiti in elettricità. Se l’energia del fotone è troppo alta, non può essere completamente ‘utilizzata’ dalla cella solare.
Due strati sono meglio di uno
Le celle solari realizzate con altri materiali offrono un modo per aggirare questa limitazione, afferma Fan Fu, ricercatore dell’Empa. Il leader del gruppo del Laboratory for Thin Films and Photovoltaics sta ricercando celle solari altamente efficienti in perovskite. Una cella singola di perovskite da sola non raggiunge un’efficienza superiore, perché la perovskite, in quanto semiconduttore, ha anche un gap di banda limitato. La vera forza di questo materiale innovativo sta nel fatto che questo gap di banda – a differenza del silicio – può essere controllato variando la composizione del materiale di perovskite.
Se due perovskiti con gap di banda diverso vengono trasformate in celle solari a film sottile e “impilate” l’una sull’altra, il risultato è una cosiddetta cella solare tandem. Uno strato di perovskite ‘cattura’ i fotoni ad alta energia, l’altro quelli a bassa energia. In teoria, questo permette di raggiungere un’efficienza fino al 45 percento – significativamente superiore al 33 percento delle celle singole. In alternativa, uno strato di perovskite può anche essere combinato con uno strato di silicio per creare una cella tandem altamente efficiente.
Tuttavia, Fu e il suo team stanno attualmente ricercando principalmente celle tandem in perovskite pura, anche nell’ambito del progetto di ricerca UE “SuPerTandem”, in cui sono coinvolti in totale 15 istituti di ricerca e aziende leader in Europa. L’obiettivo del progetto è quello di sviluppare moduli tandem di perovskite flessibili con un’efficienza superiore al 30 percento, che possano essere prodotti con processi scalabili ed economici. Questo è un altro punto di forza delle celle solari in perovskite: “Le celle solari al silicio di solito richiedono monocristalli di silicio di elevata purezza, prodotti ad alte temperature”, spiega Fu. “I film sottili di perovskite, invece, possono essere stampati, vaporizzati o depositati da una soluzione, con una corrispondente bassa impronta di CO2. I piccoli difetti che si verificano nel processo hanno un impatto minimo sulle loro proprietà optoelettroniche”
I potenziali vantaggi di progetti come “SuPerTandem” sono enormi, perché maggiore è l’efficienza, più economico sarà il sistema solare alla fine della giornata. “La cella in sé rappresenta meno del 20 percento del costo di un sistema fotovoltaico”, afferma Fu. “Il restante 80 percento è rappresentato dal cablaggio, dagli inverter, dal sistema di controllo e, naturalmente, dalla manodopera necessaria per l’installazione” Se si aumenta l’efficienza delle singole celle, è sufficiente un impianto fotovoltaico più piccolo – e quindi più economico – per ottenere la stessa produzione di elettricità. Le celle a film sottile di perovskite possono anche essere prodotte su pellicole flessibili e leggere, invece che su pesanti lastre di vetro rigide come le celle al silicio. Ciò significa che possono essere utilizzate in un maggior numero di luoghi, ad esempio sui tetti delle auto o sugli edifici con una bassa capacità di carico.
Dal laboratorio al tetto
Questo grande potenziale delle celle solari di perovskite deve ora essere sfruttato. Oltre a “SuPerTandem”, il team di Fan Fu sta lavorando anche a due progetti svizzeri. In un progetto finanziato dalla Fondazione Nazionale Svizzera per la Scienza (SNSF), il team dell’Empa sta lavorando per comprendere meglio le proprietà fondamentali e le sfide delle celle solari in perovskite, che contribuiscono alla loro efficienza e stabilità. Inoltre, nell’ambito di un progetto con l’Ufficio Federale Svizzero per l’Energia (UFE), sta mettendo immediatamente in pratica le conoscenze acquisite, scalando le celle tandem sviluppate all’Empa.
Cos’altro dobbiamo fare per garantire che i quadrati neri e blu sul tetto siano presto uniti da film di perovskite rossastra? “Prima di tutto, dobbiamo scalare le celle di perovskite dagli attuali prototipi di pochi centimetri alle dimensioni industriali”, dice Fu. È anche importante proteggere efficacemente le celle, ancora un po’ sensibili, dagli effetti del tempo. Il ricercatore dell’Empa è ottimista sul fatto che entrambi i risultati saranno raggiunti nei prossimi cinque-dieci anni. “Stiamo facendo buoni progressi e c’è molto interesse da parte dell’industria”, dice lo scienziato. “La ricerca lavora sulle celle solari di perovskite solo da poco meno di 15 anni. Dopo tutto, la ricerca sulle celle al silicio è in corso da quasi 70 anni”
