Cosa sono i materiali Perovskite?

I materiali perossidabili si riferiscono a qualsiasi composto che adotta la struttura cristallina dell'ossido di titanio di calcio (CaTiO3), con la formula generale ABX3. Nelle applicazioni fotovoltaiche, i perovskiti più comuni sono alogenuri organici ibridi, in cui A è tipicamente metilammonium (CH3NH3+) o formamidinium (HC(NH2)2+), B è il piombo (Pb2+

Struttura e composizione di cristallo

La struttura perovskite cubica o tetragonale è costituita da una rete di BX6 octahedra con la cazione del sito A che occupa lo spazio interstiziale. La scelta di A, B e X ioni influisce drammaticamente sulle proprietà optoelettroniche del materiale. Ad esempio, la sostituzione dello iodio con brom allarga il benda, spostando il bordo della cella verso le lunghezze d'onda più corte—una caratteristica utile per taovnde

Proprietà ottiche ed elettroniche

I semiconduttori perovskite presentano coefficienti di assorbimento notevolmente elevati, superiori a 105 cm−1, che rappresentano uno strato di appena poche centinaia di nanometri di spessore, possono assorbire la maggior parte della luce solare incidente.

Avanzamenti recenti in Tecniche di fabbricazione

Le innovazioni produttive sono state critiche nel spostare le celle solari perovskite dalle curiosità dei panchine ai prodotti commerciali più validi. Il campo è stato sviluppato attraverso due principali percorsi di fabbricazione: elaborazione delle soluzioni e deposizione del vapore, ciascuno con vantaggi distinti per la scalabilità e la qualità del film.

Tecniche basate sulla soluzione

I metodi di elaborazione delle soluzioni, come il rivestimento di spin-coating, la stampa di slot-die e la stampa a getto d'inchiostro, sfruttano la solubilità dei precursori di perovskite in solventi comuni come il dimetilformamide (DMF) o il solfossido di dimetil (DMSO).

Deposizione del vapore

I metodi basati sul vaporizzatore, tra cui l'evaporazione termica, la deposizione chimica del vapore (CVD), e la deposizione atomica dello strato (ALD) forniscono un controllo superiore sullo spessore e sull'uniformità delle pellicole, specialmente su superfici strutturate o non piane.

Rivestimento e integrazione di moduli di grande formato

La scala da celle piccole a moduli pratici richiede l'uniformità, la scribing interconnessione e l'incapsulamento. I ricercatori hanno sviluppato il rivestimento della lama e il rivestimento meniscus-guidato per depositare film perovskite uniformi su aree >100 cm2. Inoltre, il rivestimento ultrasoni di spray è emerso come un metodo contactless adatto per superfici curve o irregolari, come i tetti del veicolo.

Vantaggi di prestazione sopra Silicon

Le celle solari Perovskite offrono una combinazione di prestazioni e flessibilità che il silicio non può abbinare, aprendo nuovi domini applicativi e riducendo il costo livellato di energia elettrica (LCOE).

Efficienza Milestones e celle di registrazione

Le cellule perovskite mono-giunti hanno ottenuto un PCE certificato del 25,7% (a partire dal 2023), rivalendo con le migliori cellule di silicio monocristallina (26,1%) ma con una lavorazione molto più semplice.

Flessibilità e Design leggero

A differenza delle piccole ottiche in silicio (spesso 150-200 μm), i film perovskite possono essere depositati su substrati di plastica sottili fino a 10 μm di spessore, producendo celle solari flessibili che pesano fino a 3-5 g di watt. Questa flessibilità consente l'integrazione in superfici curve, utilizzando pareti di tenuta, tetti di auto, ali di droni e anche tessuti indossabili.

Configurazioni Tandem e Multi-Junction

I moduli di percussione a banda larga per l'efficienza di un film leggero (bandgap ~1.1 eV) o CIGS (bandgap ~1.0–1.7 eV) sono dotati di un'attenta ottimizzazione di ogni sub-cellula, mentre i tandem monolitici a banda larga a banda larga richiedono un'attenta ottimizzazione delle cellule a basso costo.

Sfide chiave per la commercializzazione

Nonostante i rapidi progressi, diversi ostacoli tecnici ed economici devono essere superati prima che il fotovoltaico perovskite possa raggiungere un'adozione diffusa del mercato.

Stabilità Sotto le Condizioni Reali

I materiali per la deformazione di particelle di vetro (MAPbI3) sono sottoposti a decomposizione irreversibile a 85°C in presenza di umidità, formando PbI2 e la metilammina volatile.

Preoccupazioni ambientali e sanitarie

Le cellule perovskite più efficienti contengono piombo, sollevando problemi di tossicità per la produzione, l'installazione e lo smaltimento finale della vita. Il piombo può entrare in terreni e acque sotterranee se i pannelli sono rotti o non correttamente riciclati. I ricercatori stanno esplorando alternative prive di piombo come perovskites a base di stagno (ad esempio, FASnI3), composti a base di bismuth, o doppio perovskites come Cs.

Rendimento e produzione

Il sistema di rilevamento del rumore di un modulo di rendimento del 20 % è inferiore a quello del 90 %.

Direzioni e Outlook di mercato

Il futuro del fotovoltaico perovskite dipenderà da una continua innovazione nei materiali, nella produzione e nell'integrazione del sistema.

Perovskites alternativi senza piombo e stabile

La ricerca intensa è focalizzata sullo sviluppo di composizioni prive di piombo che corrispondono alle prestazioni dei materiali basati sul piombo. Leghe di piombo (ad esempio, FA0.75Cs0.25Sn0.5Pb0.5I3) hanno raggiunto l’efficienza del >23% nei tandems, riducendo il livello di efficienza a ~1.2 eV.

Test di incapsulamento e affidabilità avanzata

I filtri di prova di calore di tipo IEC 61282 DWWF sono in grado di garantire una durata di 25 anni, l'incapsulamento deve bloccare i tassi di trasmissione del vapore acqueo inferiori a 10−4 g/m2/giorno, comparabili a quelli fotovoltaici organici.

Adozione del settore e Proiezioni di mercato

Diverse aziende hanno annunciato linee di produzione pilota: Oxford PV prevede di avviare la produzione di volume di celle tandem presso la sua fabbrica di Brandeburgo nel 2025, mirando a 1 GW capacità annuale. Saule Technologies in Polonia si concentra su moduli flessibili e leggeri per l'utilità di Internet delle cose (IoT) e applicazioni off-film.

Percorsi verso la produzione di Gigawatt-Scale

La scala dei livelli di gigawatt richiede investimenti in linee di slot-die o evaporazione automatizzate con larghezze >1 metri, accoppiate con metrologia in linea (ad esempio, mappatura di fotoluminescenza per il rilevamento di difetti). Il costo dei materiali precursori di perovskite (soprattutto gli schermi di alto valore FAI e PbI2) è attualmente più alto del materiale di alimentazione in silicio, ma i prezzi scenderanno con il volume.

Conclusioni

La tecnologia fotovoltaica perovskite ha avanzato da una curiosità di laboratorio ad un serio contendente per l'energia solare di prossima generazione. Con le efficienze di record, fattori di forma flessibili e il potenziale per la produzione a basso costo, perovskites - soprattutto in tandem con il silicio - offrono un percorso chiaro per ridurre il costo livellato dell'elettricità solare.