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Lo studio del solvente risolve il puzzle della durabilità delle celle solari

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Lo studio del solvente risolve il puzzle della durabilità delle celle solari

Una scoperta degli ingegneri della Rice University avvicina alla commercializzazione le celle solari in perovskite a doppio strato efficienti e stabili. Le cellule sono spesse circa un micron, con strati 2D e 3D. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

Gli ingegneri della Rice University affermano di aver risolto un enigma di vecchia data nella realizzazione di pannelli solari stabili ed efficienti con perovskiti agli alogenuri.

È stato necessario trovare il giusto design del solvente per applicare uno strato superiore 2D della composizione e dello spessore desiderati senza distruggere quello inferiore 3D (o viceversa). Una tale cella trasformerebbe più luce solare in elettricità rispetto a entrambi gli strati da soli, con una migliore stabilità.

L’ingegnere chimico e biomolecolare Aditya Mohite e il suo laboratorio presso la George R. Brown School of Engineering della Rice hanno riportato su Science il loro successo nella costruzione di sottili celle solari 3D/2D che offrono un’efficienza di conversione di potenza del 24,5%.

È efficiente quanto la maggior parte delle celle solari disponibili in commercio, ha affermato Mohite.

“Questo è davvero buono per le cellule bifacciali flessibili in cui la luce arriva da entrambi i lati e anche per le cellule a contatto con la schiena”, ha detto. “Le perovskiti 2D assorbono fotoni blu e visibili e il lato 3D assorbe il vicino infrarosso”.

Le perovskiti sono cristalli con reticoli cubici noti per essere efficienti raccoglitori di luce, ma i materiali tendono a essere sollecitati dalla luce, dall’umidità e dal calore. Mohite e molti altri hanno lavorato per anni per rendere pratiche le celle solari in perovskite.

Il nuovo progresso, ha detto, rimuove in gran parte l’ultimo grande ostacolo alla produzione commerciale.

Lo studio del solvente risolve il puzzle della durabilità delle celle solari

Secondo una nuova ricerca della Rice University, la produzione di celle solari ad alta efficienza con strati di perovskiti 2D e 3D mediante processi multipli può essere semplificata da solventi che consentono la deposizione in soluzione di uno strato senza distruggere l’altro. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

“Questo è significativo a più livelli”, ha detto Mohite. “Uno è che è fondamentalmente difficile realizzare un doppio strato trattato in soluzione quando entrambi gli strati sono dello stesso materiale. Il problema è che entrambi si dissolvono negli stessi solventi.

“Quando metti uno strato 2D sopra uno strato 3D, il solvente distrugge lo strato sottostante”, ha detto. “Ma il nostro nuovo metodo risolve questo problema.”

Mohite ha affermato che le celle di perovskite 2D sono stabili, ma meno efficienti nel convertire la luce solare. Le perovskiti 3D sono più efficienti ma meno stabili. La loro combinazione incorpora le migliori caratteristiche di entrambi.

“Questo porta a efficienze molto elevate perché ora, per la prima volta sul campo, siamo in grado di creare livelli con un controllo straordinario”, ha affermato. “Ci consente di controllare il flusso di carica ed energia non solo per le celle solari, ma anche per i dispositivi optoelettronici e i LED”.

L’efficienza delle celle di prova esposte all’equivalente di laboratorio del 100% di luce solare per più di 2.000 ore “non si degrada nemmeno dell’1%”, ha affermato. Senza contare un substrato di vetro, le cellule avevano uno spessore di circa 1 micron.

L’elaborazione della soluzione è ampiamente utilizzata nell’industria e incorpora una gamma di tecniche – rivestimento per rotazione, rivestimento per immersione, rivestimento per lame, rivestimento per scanalature e altre – per depositare materiale su una superficie in un liquido. Quando il liquido evapora, rimane il rivestimento puro.

La chiave è un equilibrio tra due proprietà del solvente stesso: la sua costante dielettrica e il numero del donatore Gutmann. La costante dielettrica è il rapporto tra la permeabilità elettrica del materiale e il suo spazio libero. Ciò determina quanto bene un solvente può dissolvere un composto ionico. Il numero del donatore è una misura della capacità di donare elettroni delle molecole di solvente.

“Se trovi la correlazione tra di loro, scoprirai che ci sono circa quattro solventi che ti consentono di dissolvere le perovskiti e ricoprirle senza distruggere lo strato 3D”, ha detto Mohite.

Ha affermato che la loro scoperta dovrebbe essere compatibile con la produzione roll-to-roll che in genere produce 30 metri di celle solari al minuto.

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    Andrew Torma, uno studente laureato in Fisica Applicata presso la Rice University, convalida la struttura elettronica di una cella solare a perovskite 2D/3D. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

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    Lo studente laureato della Rice University Siraj Sidhik avvia un esperimento per esporre una cellula di perovskite a doppio strato alla luce solare artificiale. Le celle create nel laboratorio Rice esposte a una luce intensa per 2.000 ore hanno degradato la loro efficienza di meno dell’1%. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

“Questa svolta sta portando, per la prima volta, a eterostrutture di dispositivi perovskiti contenenti più di uno strato attivo”, ha affermato il coautore Jacky Even, professore di fisica presso l’Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Rennes, in Francia. “Il sogno di progettare complesse architetture di semiconduttori con perovskiti sta per diventare realtà. Nuove applicazioni e l’esplorazione di nuovi fenomeni fisici saranno i prossimi passi”.

“Ciò ha implicazioni non solo per l’energia solare, ma anche per l’idrogeno verde, con celle in grado di produrre energia e convertirla in idrogeno”, ha affermato Mohite. “Potrebbe anche abilitare il solare senza rete per auto, droni, fotovoltaico integrato negli edifici o persino agricoltura”.

Lo studente laureato Rice Siraj Sidhik è l’autore principale dell’articolo.


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