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I cristalli controllati rendono pratico un nuovo materiale solare
Un nuovo modo per controllare la crescita dei materiali cristallini chiamati perovskiti potrebbe portare a celle solari commerciali che colpiscono un punto debole di alte prestazioni e basso costo. Sebbene le singole cellule di perovskite abbiano ottenuto risultati promettenti in laboratorio, fino ad ora non era chiaro come potessero essere prodotte in lotti uniformi.
Alcune perovskiti possono raccogliere l'energia della luce solare in modo molto efficiente perché assorbono fortemente sia la luce visibile che quella infrarossa. E a differenza dei film di silicio, che sono prodotti ad alte temperature, i film di perovskite possono essere realizzati da soluzioni a temperature molto più basse. Dovrebbe essere possibile realizzare celle solari in perovskite utilizzando metodi a basso costo ea bassa energia come la stampa.
Le prime cellule di perovskite sono state prodotte nel 2009, ma il il meglio può già convertire 17,9 per cento dell'energia della luce solare in elettricità. Questo sta iniziando a essere competitivo con le celle a film sottile commerciali come il tellururo di cadmio e il silicio, afferma Timothy Kelly , un chimico presso l'Università del Saskatchewan a Saskatoon, Canada.
Tuttavia, si è dimostrato difficile produrre celle solari in perovskite di alta qualità in modo coerente. Nei lotti prodotti finora c'è un'ampia variazione nell'efficacia con cui le singole celle possono convertire la luce in elettricità. Quando crei 10 diverse celle di perovskite, ottieni 10 diverse efficienze, dice Prashant Kamat , un chimico presso l'Università di Notre Dame in Indiana. È frustrante.
Il problema è causato dalla variazione delle dimensioni dei cristalli in diverse cellule. Per gli elettroni in una cella solare, i confini tra i cristalli sono come pareti, quindi cristalli più grandi offrono meno impedimenti al flusso di elettricità. Nuova ricerca pubblicata oggi sulla rivista Natura Nanotecnologia potrebbe fornire un modo per risolvere questo problema mostrando come controllare la crescita dei cristalli di perovskite.
La perovskite sviluppata per le celle solari ha un elenco di ingredienti che include un idrocarburo, ammoniaca, piombo e iodio. Esistono molte perovskiti - il nome si riferisce alla struttura cristallina di questi materiali - ma questa in particolare è molto promettente per l'uso nelle celle solari. I cristalli sono realizzati in un processo in due fasi che inizia con il rivestimento di una superficie con una soluzione di ioduro di piombo e lasciandola asciugare. Quindi la superficie viene rivestita con una soluzione di ioduro di metilammonio. Quando si asciuga, i composti dei due strati si uniscono per formare cristalli di perovskite.
Michael Gratzel , un chimico presso l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Svizzera, e Parco Nam-Gyu , un chimico della Sungkyunkwan University in Corea, ha ora elaborato una ricetta per assumere il controllo di quel processo. Hanno scoperto che controllando attentamente le concentrazioni delle soluzioni di partenza e altre condizioni di elaborazione, potevano produrre costantemente film di perovskite con i cristalli più grandi necessari per una cella solare efficiente.
I gruppi svizzeri e coreani hanno utilizzato questi metodi per realizzare celle solari in perovskite con un'efficienza media del 16,4% e una variazione di efficienza molto ridotta tra le diverse celle.
Park afferma che ora che è possibile produrre in modo affidabile perovskite di alta qualità, è tempo di affrontare altri problemi con il materiale. Uno è che l'umidità provoca la rottura dei materiali e la perdita di metilammonio. Park afferma che i ricercatori devono trovare un modo per sigillare le celle solari di perovskite contro l'umidità o trovare nuove versioni dei materiali. Un altro problema è che i materiali sono realizzati con piombo, che è tossico.
Avendo imparato da questi materiali, dovremmo passare ad altri, perché il piombo non è ecologico e questo materiale non è stabile, dice Mercouri Kanatzidis , un chimico presso la Northwestern University nell'Illinois. Lui e lo scienziato dei materiali della Northwestern Roberto Chang hanno sviluppato una perovskite senza piombo che sostituisce lo stagno. Attualmente converte la luce in energia elettrica solo con un'efficienza del 6%. Ma sono entrambi ottimisti, indicando come i materiali a base di piombo siano migliorati rapidamente da circa il 3% nel 2009 a circa il 18% oggi.
Nel frattempo, Grätzel ritiene che i materiali esistenti non abbiano ancora raggiunto i loro limiti di prestazioni superiori. Penso che un'efficienza del 20 percento dovrebbe essere possibile nel breve termine, dice.