Le celle solari a perovskite promettono efficienze da record, ma restano fragili nel tempo: basta un po' di caldo e di umidità per far calare le prestazioni più in fretta del silicio tradizionale. Un gruppo di ricerca del Korea Institute of Energy Research (KIER), in collaborazione con il team del professor Dong Suk Kim all'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), ha affrontato il problema alla radice, intervenendo su uno degli ingredienti che più contribuisce al degrado: il litio usato per rendere più conduttivo lo strato che trasporta le cariche positive. Il risultato, pubblicato come articolo di copertina su Advanced Science, è una cella che conserva il 95% dell'efficienza iniziale dopo 1.000 ore in condizioni di caldo-umido estremo, senza perdere prestazioni rispetto al processo convenzionale.
TRL 3-4 — Ricerca sperimentale/dimostrazione di laboratorio: risultati ottenuti su celle singole di piccola area, in laboratorio, non ancora su moduli o su celle tandem perovskite-silicio
Impatto potenziale: medio-alto
Il problema: il litio che aiuta la cella, ma poi la danneggia
Nella configurazione più diffusa delle celle a perovskite (architettura "regular", n-i-p), lo strato di trasporto delle cariche positive è realizzato con spiro-OMeTAD, un materiale organico che da solo conduce poco. Per aumentarne la conducibilità, i produttori di celle in laboratorio aggiungono da anni sali di litio (in particolare LiTFSI) insieme a un additivo, la 4-tert-butilpiridina (tBP), che ne favorisce la solubilità e l'uniformità del film. Il problema emerge con l'uso: sotto calore e umidità, il tBP evapora lasciando vuoti microscopici alle interfacce tra gli strati della cella, mentre gli ioni di litio migrano in modo incontrollato fino a raggiungere lo strato di perovskite, accelerando il decadimento delle prestazioni. È un meccanismo di degrado ben noto nella letteratura scientifica sul fotovoltaico a perovskite, e uno dei motivi per cui, finora, l'efficienza da record ottenuta in laboratorio ha convissuto a fatica con una stabilità altrettanto convincente nel tempo.
La soluzione: un catalizzatore che il litio lo toglie, non lo lascia dentro
L'idea del team coreano è controintuitiva rispetto alla pratica corrente: usare il litio solo per il tempo necessario a far avvenire la reazione chimica utile, e poi rimuoverlo del tutto. Nella soluzione precursore dello strato di trasporto, i ricercatori aggiungono una polvere di ossido di nichel (NiOx), che agisce da catalizzatore capace di ossidare lo spiro-OMeTAD in meno di cinque secondi, senza bisogno della tBP. Allo stesso tempo, le particelle di NiOx legano a sé gli ioni di litio presenti nella soluzione, separandoli dai sali originari e trattenendoli sulla propria superficie. A questo punto basta una semplice filtrazione fisica per eliminare le particelle di NiOx insieme al litio che hanno catturato, lasciando una soluzione priva di additivi, di litio residuo e dello stesso catalizzatore. Il film risultante, secondo i ricercatori, ha una conducibilità elettrica 2,5 volte superiore a quella ottenuta con il processo convenzionale, oltre a un'uniformità e un'estrazione di carica migliori.
I numeri: efficienza quasi identica, stabilità molto più alta
La cella campione, realizzata con struttura FTO/SnO2 (strato di trasporto degli elettroni)/perovskite a base di FAPbI3/spiro-OMeTAD trattato con il nuovo processo/elettrodo d'oro, ha raggiunto un'efficienza di conversione di potenza (PCE) del 25,24%, praticamente identica al 25,21% ottenuto con il processo tradizionale a base di litio e tBP: tensione a circuito aperto di 1,175 V, densità di corrente di corto circuito di 25,83 mA/cm², fattore di riempimento dell'83,21% e una potenza stabilizzata del 25,1% sotto illuminazione standard. La differenza si vede invece nei test di invecchiamento accelerato: sottoposte a 85°C e 85% di umidità relativa — condizioni-capestro usate di norma per qualificare la durabilità dei moduli fotovoltaici — le celle prodotte con il nuovo metodo hanno conservato il 95% dell'efficienza iniziale dopo 1.000 ore di esposizione continua, un risultato che il gruppo di ricerca presenta come un netto miglioramento rispetto alle celle realizzate con il processo a base di litio e additivi convenzionali.
Perché conta per il fotovoltaico tandem e la sua commercializzazione
Il punto debole storico delle celle a perovskite non è mai stata l'efficienza di picco, già oggi competitiva con il silicio cristallino nelle configurazioni tandem perovskite-silicio, ma la capacità di mantenerla nel tempo in condizioni operative reali: caldo, umidità, cicli termici ripetuti. Se lo strato di trasporto delle cariche è una delle vie principali di degrado, un metodo che lo rende più stabile senza sacrificare le prestazioni elettriche affronta esattamente il collo di bottiglia che finora ha frenato il passaggio dal laboratorio alla produzione in serie. Resta però un passaggio tutt'altro che scontato: il risultato qui descritto riguarda celle singole a giunzione unica, di area ridotta, mentre l'obiettivo dichiarato dai ricercatori guarda alle celle tandem perovskite-silicio, che hanno geometrie, spessori e condizioni di stress diversi e più complessi. Come sottolinea il ricercatore capo Se Jin Ahn, il lavoro "va oltre le idee e le strategie ampiamente accettate nella fabbricazione convenzionale delle celle solari a perovskite" e punta a diventare "un passaggio significativo nell'affrontare i problemi di durata nel tempo" delle celle tandem, ma la strada che separa una cella di laboratorio da un modulo commerciale qualificato secondo gli standard IEC resta lunga, e passa tipicamente da ulteriori anni di scala-up, test su area più ampia e validazione in condizioni esterne reali.
Il commento di PINET
Per l'Italia e per l'Europa, che su alcune linee di produzione del fotovoltaico di nuova generazione — incluse le celle tandem perovskite-silicio — stanno cercando di ritagliarsi un ruolo industriale dopo aver perso gran parte della manifattura di celle in silicio tradizionali, risultati come questo contano più per il problema che affrontano che per l'annuncio in sé: la stabilità nel tempo, non il record di efficienza, è il vero ostacolo che separa oggi la perovskite da una presenza solida sul mercato. Non ci sono, al momento, elementi per dire se e quando questo specifico processo verrà adottato dai produttori che stanno scalando la tecnologia tandem, né il gruppo di ricerca coreano fornisce una tempistica di commercializzazione: è un risultato di laboratorio, pubblicato su una rivista scientifica di rilievo, che richiede ancora la verifica su celle di area maggiore e su strutture tandem prima di avere un impatto industriale misurabile. Il giudizio più onesto, per ora, è di interesse tecnico accertato e di impatto pratico ancora da dimostrare: esattamente il tipo di passo intermedio, utile ma non risolutivo, che caratterizza buona parte della ricerca sulla stabilità dei materiali perovskite in questa fase della loro maturazione tecnologica.
Fonti: pv magazine Global, "Researchers improve perovskite cell stability with lithium-removal process" e Newswise/National Research Council of Science and Technology (Corea del Sud), "KIER Addresses Solar Cell Lifespan Challenges to Advance Next-Generation Solar Cell Commercialization".
