211service.com
Il nuovo materiale solare più eccitante può essere all'altezza del suo clamore?
La perovskite promette di essere meno costosa e più efficiente del silicio e diverse aziende affermano di essere vicine a produrla su larga scala.
29 giugno 2021
Tecnologie del salice
Testare le celle solari di perovskite in laboratorio richiedeva un paio di scarpe da corsa decenti. I materiali si sono sgretolati così rapidamente che gli scienziati sono fuggiti dal punto in cui hanno prodotto le cellule al punto in cui le hanno testate, cercando di misurare le loro prestazioni prima che le cellule si degradino nelle loro mani, di solito entro un paio di minuti.
perovskiti hanno a lungo incantato i ricercatori con la promessa di produrre celle solari poco costose e ultra efficienti. E ora diverse aziende stanno facendo grandi passi avanti verso la produzione di celle solari commerciali in perovskite su larga scala.
Ma l'instabilità dei materiali ha minacciato di far deragliare il loro percorso verso i tetti e le centrali elettriche. Sebbene alcune aziende affermino di aver risolto la sfida, almeno abbastanza bene da immettere sul mercato prodotti preliminari entro l'anno, alcuni ricercatori sono ancora scettici.
La gente vuole che io dica 'So per certo che sarà stabile, sarà efficiente e conquisteremo il mondo', dice Giuseppe Berry , che guida il programma di ricerca sulla perovskite presso il Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili degli Stati Uniti. E una parte di me ci crede, ma una parte di me come scienziato dice: 'Non ho i dati'.
Prendere il sole
Le perovskiti sono materiali sintetici, economici e relativamente semplici da produrre anche in grandi quantità. Le perovskiti comuni utilizzate nel fotovoltaico sono in genere qualcosa come l'alogenuro di piombo di metilammonio, ma la famiglia delle perovskiti comprende migliaia di materiali che condividono la stessa struttura cristallina. Rivestiti su una base flessibile, possono produrre celle solari a film sottile che sono leggere e pieghevoli.
Sebbene negli ultimi decenni siano emersi diversi nuovi materiali fotovoltaici, nessuno ha intaccato molto il mercato, dominato dal silicio. Si trova in circa il 95% delle celle solari esistenti.
Alcune aziende di perovskite, come Tecnologie del salice a Varsavia, stanno cercando di lasciare del tutto il silicio alle spalle. L'azienda, fondata nel 2014, ha sviluppato un processo di stampa a getto d'inchiostro per la produzione di celle solari in perovskite racchiuse in una plastica flessibile. Un pannello contenente le celle di Saule pesa circa un decimo di un pannello di silicio della stessa dimensione.
A maggio Saule ha aperto uno stabilimento in grado di produrre circa 40.000 metri quadrati di pannelli all'anno. Questo è sufficiente per generare circa 10 megawatt di potenza (alcune fabbriche che producono celle di silicio sono centinaia di volte più grandi).
Storia correlata
Queste celle solari flessibili ci avvicinano all'eliminazione dell'abitudine ai combustibili fossili Nessun materiale solare è riuscito a soppiantare il silicio. Le perovskiti, che sono molto più economiche e possono essere trasformate in moduli flessibili, potrebbero cambiarlo.Mentre le perovskiti hanno il potenziale per raggiungere efficienze elevate (il record mondiale poiché una cella di sola perovskite è poco più del 25%), la maggior parte delle celle di perovskite con le migliori prestazioni oggi sono minuscole, larghe meno di un pollice.
L'aumento delle dimensioni rende più difficile il raggiungimento dei potenziali limiti di efficienza. Al momento, i pannelli Saule, larghi un metro, raggiungono un'efficienza di circa il 10%. Questo è sminuito dai pannelli di silicio commerciali di dimensioni simili, che in genere raggiungono un'efficienza di circa il 20%.
Olga Malinkiewicz , fondatore e chief technology officer di Saule, afferma che l'obiettivo dell'azienda era quello di portare fuori dalla porta una cella solare di sola perovskite e che le efficienze inferiori non contano se la tecnologia è abbastanza economica.
Saule sta cercando di andare dove i pannelli solari al silicio non lo faranno: sui tetti che non possono sopportare il peso di pesanti pannelli in vetro o verso applicazioni più specializzate, come le tende a energia solare, che l'azienda sta attualmente testando.
Mentre Saule sta lanciando prodotti a film sottile per applicazioni più di nicchia, altre aziende sperano di battere, o almeno unirsi, il silicio al suo stesso gioco. Con sede nel Regno Unito Oxford PV sta incorporando perovskiti in celle combinate perovskite-silicio.
Poiché il silicio assorbe la luce verso l'estremità rossa dello spettro visibile e le perovskiti possono essere sintonizzate per assorbire diverse lunghezze d'onda, il rivestimento di uno strato di perovskite sopra le celle di silicio consente alle celle combinate di raggiungere efficienze più elevate rispetto al solo silicio.
Le celle combinate di Oxford PV sono pesanti e rigide, come le celle di solo silicio. Ma poiché hanno le stesse dimensioni e forma, le nuove celle possono essere facilmente inserite nei pannelli per gli array sul tetto o i parchi solari.
Oxford PV combina perovskite e silicio per creare celle solari ad alta efficienza.
OXFORD PVChris Caso , Chief Technology Officer di Oxford PV, afferma che l'azienda è concentrata sulla riduzione del costo livellato dell'elettricità, una metrica che tiene conto dell'installazione di un sistema e dei costi operativi a vita. Mentre la stratificazione delle perovskiti sopra il silicio aumenta i costi di produzione, afferma che il costo livellato della cella combinata dovrebbe scendere al di sotto del silicio nel tempo perché queste nuove celle sono più efficienti. Oxford ha stabilito diversi record mondiali di efficienza per questo tipo di celle negli ultimi anni, raggiungendo di recente il 29,5%.
Microquanta semiconduttore , una società cinese di perovskite con sede a Hangzhou, sta prendendo spunto anche dalle celle solari al silicio. L'azienda produce pannelli da celle rigide rivestite di vetro realizzate con perovskiti.
La fabbrica pilota di Microquanta è stata aperta nel 2020 e dovrebbe raggiungere i 100 megawatt di capacità entro la fine dell'anno, afferma Buyi Yan , Chief Technology Officer dell'azienda. L'azienda ha installato pannelli dimostrativi in diversi edifici e parchi solari in tutta la Cina.
Risolvere per la stabilità
La stabilità delle perovskiti è migliorata da pochi minuti a mesi nell'arco di pochi anni. Ma la maggior parte delle celle di silicio installate oggi hanno una garanzia di circa 25 anni, un obiettivo che le perovskiti potrebbero non essere ancora in grado di raggiungere.
Le perovskiti sono particolarmente sensibili all'ossigeno e all'umidità, che possono interferire con i legami nel cristallo, impedendo agli elettroni di muoversi efficacemente attraverso il materiale. I ricercatori hanno lavorato per migliorare la durata delle perovskiti, sia sviluppando ricette di perovskite meno reattive che trovando modi migliori per confezionarle.
Oxford PV, Microquanta e Saule affermano di aver risolto il problema della stabilità, almeno abbastanza bene da vendere i loro primi prodotti.
La stima delle prestazioni a lungo termine delle celle solari viene solitamente eseguita mediante test accelerati, mettendo le celle o i pannelli in condizioni estremamente stressanti per simulare anni di usura. La suite di test più comune per le celle di silicio per esterni è una serie denominata IEC 61215.
Oxford e Microquanta hanno entrambi superato i test di questa serie relativi alle prestazioni delle celle. Saule ha superato alcuni dei test, ma sta ancora lavorando su altri, come il test di umidità, dice Malinkiewicz.
Il superamento della serie completa di solito significa che un pannello solare in silicio durerà almeno 25 anni, anche se i ricercatori non possono essere sicuri se la stessa correlazione vale per nuovi materiali come le perovskiti.
Oxford PV ha esaminato alcune delle migliaia di composti che compongono la famiglia delle perovskite per trovare formulazioni più stabili. La società ha rifiutato di rivelare i dettagli sulle prestazioni, anche se Case afferma di aspettarsi assolutamente che i suoi prodotti abbiano una durata simile alle celle di silicio. L'azienda ha installato pannelli di prova su un tetto nell'Europa centrale a dicembre 2019 e Case afferma che finora i pannelli contenenti le loro celle a strati di perovskite mostrano lo stesso degrado dei pannelli di silicio commerciali che hanno installato per confronto.
Yan di Microquanta afferma che l'azienda ha installato celle di prova all'aperto nel febbraio 2020 che ancora oggi raggiungono la stessa potenza di picco di quando sono state installate.
Microquanta sta dimostrando i suoi pannelli solari sugli edifici e nei parchi solari in tutta la Cina.
SEMICONDUTTORE MICROQUANTAPer migliorare la stabilità dei suoi prodotti, Saule ha apportato modifiche ai contatti metallici nella cella, nonché allo strato di perovskite. La prima generazione di celle di perovskite rivestite in plastica di Saule avrà una garanzia minima di 10 anni sulle prestazioni, afferma Malinkiewicz. Sebbene le celle al silicio durino più a lungo, spera che il prezzo più basso e la facilità di installazione convincano i clienti ad accettare una vita più breve.
Alcuni ricercatori non sono convinti da queste affermazioni. I problemi di stabilità, per quanto ne so, non sono stati affrontati molto bene, dice Letian Dou , ricercatore di perovskite presso la Purdue University in Indiana. Dou dice che è difficile dire cosa stanno facendo queste aziende poiché mantengono segreti i loro sviluppi materiali, anche se aggiunge che il superamento di test esterni come IEC 61215 è promettente.
Il laboratorio di Dou è uno dei tanti che è stato recentemente selezionato per ricevere finanziamenti dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per cercare di risolvere alcuni dei problemi rimanenti della tecnologia. Nel marzo 2021, ha annunciato il dipartimento 40 milioni di dollari in sovvenzioni a sostegno della ricerca sulle perovskiti, principalmente per progetti incentrati sul miglioramento della stabilità di questi materiali e sulla loro facilità di produzione.
Anche se le celle di perovskite stanno ricevendo più finanziamenti e attenzioni, solo il tempo dirà se possono competere o coesistere con il silicio. Tuttavia, i ricercatori sono ottimisti sulla prospettiva di fornire energia solare più economica e più accessibile. I segnali sono tutti buoni, dice Berry al National Renewable Energy Laboratory.
E, aggiunge, anche dopo anni di ricerca, le aziende che operano in questo spazio dovranno comunque accettare qualche incertezza. Se vuoi essere al limite, dice, dovrai convivere con qualche rischio.