Disordem e progresso. Sembra controintuitivo, ma tant’è: stando a quanto appena scoperto da un’équipe di scienziati della University of Cambridge, i materiali a base di perovskite – il minerale che promette di soppiantare il silicio per la realizzazione di celle solari e led flessibili – hanno un comportamento tanto più efficiente quanto più la loro composizione chimica è disordinata. Una scoperta, dicono gli autori, che semplificherà notevolmente i processi di produzione e ne ridurrà ulteriormente i costi. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Photonics.
Celle solari: silicio vs peroskite
Il materiale più comunemente usato per produrre pannelli solari è il silicio cristallino, costoso e che richiede un processo di produzione molto lungo e scrupoloso per ottenere una conversione energetica efficiente. Il materiale siliconico deve avere una struttura a strati altamente ordinata ed è molto sensibile alle impurità, come ad esempio la polvere, motivo per cui deve essere realizzato in appositi spazi sterili, le clean rooms. Tutto ciò aumenta notevolmente i costi di produzione.
Per ovviare parte di questi problemi le celle solari a perovskite sembrano essere l’alternativa più promettente. La perovskite e un minerale a base di sali di piombo che sono molto più abbondanti e più economici da produrre rispetto al silicio cristallino, e possono essere preparati sotto forma in un inchiostro liquido che viene semplicemente stampato o “spalmato” per produrre un film del materiale.
Inoltre lo spessore necessario per ottenere efficienze simili ai pannelli tradizionali è molto inferiore, circa mille volte più sottile di un capello umano, il che apre la possibilità di incorporarli in finestre o schermi flessibili e ultraleggeri per smartphone.
Efficienze maggiori grazie al “disordine”
L’ipotesi alla base della ricerca del team inglese era che, come nel caso dei materiali al silicio, più fossero stati ordinati i cristalli di perovskite, più sarebbero state efficienti le celle solari. Sorprendentemente invece, gli esperimenti hanno dato il risultato opposto. In pratica i materiali grezzi usati dagli scienziati creano diverse aree con composizioni differenti, con il risultato che si ottiene un materiale altamente disomogeneo ma che raggiunge efficienze molto elevate. Per trovare una spiegazione a questo fenomeno apparentemente controintuitivo gli scienziati, avvalendosi di avanzate tecniche spettroscopiche, hanno studiato i meccanismi di funzionamento di questi materiali. Quello che hanno riscontrato è che la presenza di queste zone a composizione diversa permette di intrappolare le cariche generate a seguito dall’assorbimento della luce solare da parte del materiale. In questo modo le cariche si concentrano in queste zone e vengono più facilmente incanalate e dunque estratte per poter generare un flusso di corrente aumentando l’efficienza della cella solare.
“Ora la sfida entusiasmante sarà di trovare condizioni di fabbricazione che creino il disordine ottimale nei materiali per raggiungere la massima efficienza, pur mantenendo le proprietà strutturali necessarie per applicazioni specifiche”, ha affermato Felix Deschler, uno degli autori del lavoro. “La bellezza dello studio sta proprio nella scoperta controintuitiva che una cosa ‘facile da realizzare’ non significa che sarà necessariamente peggiore. In questo caso si è rivelata addirittura migliore”.
Credits immagine: Ella Maru Studio
Riferimenti: Nature Photonics doi: 10.1038/s41566-019-0546-8