scienziati sviluppano celle solari quasi invisibili che potrebbero trasformare le finestre in generatori di energia

Immaginate un’auto i cui finestrini e il tettuccio apribile possano contribuire a ricaricare la batteria quando è parcheggiata al sole, oppure un paio di occhiali intelligenti le cui lenti possano catturare la luce per alimentare i componenti elettronici integrati.

Tali applicazioni potrebbero diventare più realizzabili grazie a un nuovo tipo di cella solare trasparente ultrasottile sviluppata da scienziati della Nanyang Technological University di Singapore (NTU Singapore).

Guidati dalla professoressa associata Annalisa Bruno, i ricercatori della NTU hanno creato celle solari a perovskite che sono circa 10.000 volte più sottili di un capello umano e circa 50 volte più sottili delle celle solari a perovskite convenzionali.

Nonostante il loro spessore ridotto, questi dispositivi hanno raggiunto alcune delle più alte efficienze di conversione energetica mai registrate per celle solari a perovskite ultrasottili.

Pubblicati sulla rivista ACS Energy Letters , i loro risultati potrebbero aprire la strada a celle solari integrabili in edifici, veicoli e dispositivi indossabili senza alterarne significativamente l’aspetto.

Poiché le nuove celle solari sono semitrasparenti e neutre dal punto di vista cromatico, potrebbero potenzialmente essere integrate in finestre e facciate senza alterare in modo significativo l’aspetto di un edificio.

“L’ambiente costruito rappresenta circa il 40% del consumo energetico globale, quindi le tecnologie che convertono in modo trasparente le superfici degli edifici in fonti di energia stanno diventando sempre più urgenti”, ha affermato il Prof. Bruno, della Facoltà di Scienze Fisiche e Matematiche e della Facoltà di Scienza e Ingegneria dei Materiali della NTU.

“Le nostre celle solari a perovskite offrono vantaggi distinti, in quanto possono essere prodotte utilizzando processi semplici a temperature relativamente basse. Possono inoltre essere sintonizzate per assorbire specifiche lunghezze d’onda pur rimanendo trasparenti e potrebbero potenzialmente essere prodotte su larga scala, riducendo la loro impronta di carbonio”, ha aggiunto il Prof. Bruno, che è anche Direttore del Cluster per le Energie Rinnovabili e le Soluzioni a Basse Emissioni di Carbonio e per l’Accumulo di Energia presso l’Istituto di Ricerca Energetica della NTU.

A differenza delle celle solari al silicio convenzionali, questi dispositivi a base di perovskite sono in grado di generare elettricità anche in condizioni di luce solare indiretta e diffusa. Ciò li rende particolarmente adatti all’ambiente urbano di Singapore, dove le superfici verticali degli edifici e la frequente copertura nuvolosa spesso limitano l’esposizione diretta alla luce solare.

Ad esempio, se la tecnologia venisse ampliata mantenendo prestazioni simili, le grandi facciate in vetro potrebbero essere trasformate in superfici attive per la produzione di energia solare.

Le stime preliminari suggeriscono che un impianto fotovoltaico su un grande edificio con facciata in vetro, come una torre per uffici a Raffles Place o Marina Bay, potrebbe teoricamente generare diverse centinaia di megawattora di elettricità all’anno.

A seconda della superficie vetrata utilizzabile e dell’orientamento dell’edificio, questo livello di produzione di energia equivarrebbe al consumo annuo di elettricità di circa 100 appartamenti HDB di quattro locali.

Produzione di celle solari quasi invisibili

Le celle solari a perovskite sono composte da diversi strati, tra cui uno strato semiconduttore che assorbe la luce solare e la converte in elettricità.

Per realizzare le celle ultrasottili, il team della NTU ha utilizzato un metodo compatibile con l’industria, noto come evaporazione termica . In questo processo, i materiali di partenza vengono riscaldati in una camera a vuoto fino a evaporare. Il vapore si deposita quindi su una superficie, dove forma una pellicola sottile.

Questo metodo consente di depositare strati di perovskite molto sottili e uniformi su ampie superfici. Inoltre, evita l’uso di solventi tossici e contribuisce a ridurre i difetti nelle celle solari, migliorandone la capacità di convertire la luce in elettricità.

Modificando il processo, i ricercatori sono stati in grado di controllare lo spessore dello strato di perovskite e di creare dispositivi sia opachi che semitrasparenti.

Il team ritiene che questa sia la prima volta che celle solari a perovskite ultrasottili siano state realizzate interamente utilizzando processi sottovuoto. Ciò potrebbe rendere la tecnologia più adatta alla produzione industriale su larga scala in futuro.

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori hanno prodotto strati assorbitori di perovskite ultrasottili, fino a 10 nanometri, mantenendo al contempo prestazioni utili per le celle solari.

Nei dispositivi opachi, le celle hanno raggiunto efficienze di conversione di potenza pari a circa il 7%, l’11% e il 12% per strati di perovskite di 10, 30 e 60 nanometri rispettivamente.

Una cella semitrasparente con uno strato di perovskite sottile 60 nanometri permetteva il passaggio di circa il 41% della luce visibile, convertendo al contempo la luce solare in elettricità con un’efficienza del 7,6%.

I ricercatori hanno affermato che si tratta di una delle migliori prestazioni mai registrate per celle solari a perovskite semitrasparenti realizzate con materiali simili.

Ciò consentirà alla luce naturale di filtrare, generando al contempo una quantità utile di elettricità, aspetto importante per applicazioni come finestre solari, facciate in vetro e superfici edili colorate.

Il primo autore dell’articolo, il dottor Luke White, ex dottorando presso l’Energy Research Institute della NTU, la School of Physical and Mathematical Sciences e la School of Materials Science and Engineering, ha affermato: “Controllando con precisione l’evaporazione termica , siamo in grado di regolare la trasparenza delle celle solari. Questo apre nuove possibilità per l’architettura sostenibile, come ad esempio finestre oscurate che generano elettricità”.

In un commento indipendente, il professor Sam Stranks, professore di Materiali Energetici e Optoelettronica presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biotecnologie dell’Università di Cambridge, ha affermato: “Questo approccio offre un elevato livello di controllo sullo spessore e sull’uniformità del film, che sarà necessario se si vuole che le celle solari semitrasparenti trovino applicazione su superfici più ampie.”

“Le celle solari a perovskite semitrasparenti rappresentano una strada promettente per raccogliere energia da superfici difficili da utilizzare con i pannelli al silicio convenzionali, come finestre, facciate e dispositivi elettronici leggeri.”

“I risultati qui riportati mostrano un promettente equilibrio tra trasparenza e generazione di energia in dispositivi sottilissimi, mentre i prossimi test cruciali riguarderanno la stabilità a lungo termine, la durata e le prestazioni su superfici più ampie.”

Promuovere città sostenibili

La Professoressa Bruno è una pioniera nel campo delle celle solari a perovskite. Il suo precedente lavoro sulle celle solari a perovskite ottenute mediante evaporazione termica è stato ampliato, facendo progredire il settore delle celle solari a perovskite e aprendo la strada all’adozione da parte dell’industria.

Le sue innovazioni sono supportate dall’iniziativa NTU Innovation and Entrepreneurship, che aiuta i team di ricerca ad accelerare e trasformare idee promettenti dai laboratori alla commercializzazione.

un brevetto per lo sviluppo di film di perovskite ultrasottili con una struttura innovativa. Tramite NTUitive, la società di innovazione e imprenditorialità dell’Università, è stato depositato

I ricercatori sono attualmente in contatto con diverse aziende per convalidare e standardizzare il processo di evaporazione termica utilizzato in questo studio. Si impegneranno inoltre a migliorare la stabilità a lungo termine, la durata e le prestazioni su larga scala delle celle solari a perovskite prima che possano essere commercializzate.

Con l’aumento della densità urbana e della domanda di elettricità, gli edifici vengono sempre più considerati non solo come consumatori di energia, ma anche come potenziali fonti di energia pulita.

I pannelli solari sono già ampiamente utilizzati sui tetti. Tuttavia, le superfici verticali degli edifici, comprese finestre e facciate in vetro, rimangono in gran parte inutilizzate.

La loro scoperta rappresenta un passo importante verso celle solari trasparenti integrabili in superfici di uso quotidiano, dalle finestre degli edifici ai veicoli e ai dispositivi elettronici indossabili, aiutando le città a generare più energia pulita senza richiedere ulteriore terreno.

Astratto

 

Le perovskiti alogenate offrono un’eccezionale sintonizzabilità strutturale e compositiva, consentendo lo sviluppo di tecnologie fotovoltaiche di nuova generazione che richiedono elevata semitrasparenza e integrazione estetica. In questo lavoro, sfruttiamo il controllo preciso del processo di evaporazione termica per far crescere assorbitori di perovskite ultrasottili di alta qualità fino a 10 nm. Celle solari a perovskite (PSC) completamente evaporate con assorbitori di MAPbI₃ _sottili fino a 10, 30 e 60 nm raggiungono efficienze di conversione di potenza (PCE) record di circa il 7%, l’11% e il 12%, rispettivamente. La tensione a circuito aperto (Voc) e il fattore di riempimento (FF) rimangono ampiamente paragonabili a quelli delle PSC con assorbitori massivi (300-900 nm), indicando un’elevata qualità optoelettronica e una bassa densità di trappole nei film co-evaporati. Inoltre, le PSC semitrasparenti hanno mostrato una trasparenza media nel visibile (AVT) fino al 65%, mantenendo un’elevata PCE. In effetti, le celle solari ST-PSC con un assorbitore da 60 nm hanno raggiunto un’efficienza di utilizzo della luce (LUE) del 3,13% (41,24% AVT, 7,6% PCE), mentre un assorbitore da 30 nm possiede il più alto potenziale di LUE del 5,15%. Questi risultati rappresentano un passo importante verso sistemi fotovoltaici scalabili, flessibili nel design e ultrasottili, adatti all’integrazione negli edifici e ad applicazioni estetiche.

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