Fotovoltaico ad alto rendimento, l’Università di Cagliari in una ricerca per le celle solari di nuova generazione
Le celle solari a perovskite sono il fulcro della ricerca degli esperti del Dipartimento di Fisica dell’Università di Cagliari. Gli scienziati, guidati dal professor Giovanni Bongiovanni, sono in prima linea nel gruppo internazionale al lavoro per creare applicazioni pratiche di nuova generazione e altamente performanti. Pubblicato dalla rivista scientifica ‘’Energy & Environmental Science’’ uno studio del gruppo di ricerca in fotonica e optoelettronica – prima firma della giovane ricercatrice Angelica Simbula – con i risultati ottenuti grazie a sofisticate misure effettuate nei laboratori universitari del Centro Servizi di Ateneo (CeSAR)
Fisica della materia, a Cagliari ricerca di eccellenza per le celle solari di nuova generazione
Energy & Environmental Science, rivista internazionale leader nel campo mondiale dell’energia e dello sviluppo sostenibile, ha appena pubblicato i risultati della ricerca su materiali di nuova generazione per il fotovoltaico ad alte prestazioni, le perovskiti ibride, studiate dal gruppo di Fotonica ed Optoelettronica del Dipartimento di Fisica di Cagliari. I risultati presentati nell’articolo, a prima firma della dottoressa Angelica Simbula, sono stati interamente ottenuti nei laboratori universitari di Cagliari, grazie a sofisticate misure effettuate nel Centro Servizi di Ateneo (CeSAR).
Fotonica e Optoelettronica
Il gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica di UniCa, coordinato dal professor Bongiovanni, docente ordinario di Scienze fisiche, è parte della comunità internazionale che svolge la ricerca fondamentale per lo sviluppo di celle fotovoltaiche a perovskite ad alte prestazioni per la transizione energetica.
I Risultati degli studi
I Risultati degli studi effettuati a Cagliari forniscono un contributo importante alla comprensione, e quindi allo sfruttamento, delle particolari proprietà fisiche che rendono questi materiali molto performanti. Le ricerche sperimentali e teoriche si sono svolte a Cagliari ed hanno coinvolto l’intero gruppo di Fotonica e Optoelettronica. Questo l’elenco degli studiosi dell’Ateneo e degli altri centri internazionali di ricerca che, oltre al professor Giovanni Bongiovanni, hanno condotto le ricerche e firmato l’articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista della Royal Society of Chemistry (UK): Angelica Simbula, Riccardo Pau, Fang Liu, Luyan Wu, Stefano Lai, Alessandra Geddo Lehmann, Alessio Filippetti, Maria Antonietta Loi, Daniela Marongiu, Francesco Quochi, Michele Saba, Andrea Mura.
Il funzionamento delle celle fotovoltaiche conduce sostanzialmente ad una conversione diretta dell’energia della radiazione solare in energia elettrica
“La transizione energetica verso fonti rinnovabili è una delle sfide più importanti e difficili della nostra società – spiega Giovanni Bongiovanni – e l’energia solare rappresenta uno dei pilastri del percorso tecnologico che porterà, tramite la neutralità carbonica programmata per il 2050, ad uno sviluppo sostenibile e rispettoso dell’ambiente in cui viviamo. Negli ultimi dieci anni la capacità fotovoltaica globale è aumentata di più di dieci volte, soprattutto grazie all’innovazione tecnologica, in particolare nel settore della scienza dei materiali, che ha reso gli impianti fotovoltaici economicamente competitivi se non vantaggiosi rispetto alle fonti fossili. Il mercato del fotovoltaico è oggigiorno dominato dai pannelli al silicio”.
Le Celle Perovskilitiche
Le Celle Perovskilitiche sono un particolare tipo di celle fotovoltaiche che utilizzano come materiale assorbente un materiale con struttura perovskitica, ovvero che presenta lo stesso tipo di cella cristallina del titanato di calcio. Su queste celle, a partire dal 2009, si è concentrata un’intensa attività di ricerca, grazie alle potenziali alta efficienza, basso costo di produzione e facilità di processabilità, caratteristiche che le rendono potenzialmente molto appetibili dal punto di vista industriale.“Dal 1955, anno in cui nei laboratori americani della Bell fu realizzato il primo dispositivo fotovoltaico, l’efficienza delle celle solari è andata gradualmente aumentando, passando dall’iniziale 6% del prototipo da laboratorio all’attuale 25% dei migliori moduli oggi presenti nel mercato, un valore molto prossimo al limite teorico previsto dalla termodinamica per questo tipo di celle”.
La Perovskite
La Perovskite vera e propria è un minerale (CaTiO3) trovato per la prima volta nel 1839 sui monti Urali, che ha preso il nome dallo studioso russo Lev Perovski. Con tale nome si indicano anche tutti i composti che hanno la stessa struttura cristallografica del minerale. A seconda del tipo degli atomi o molecole, si possono ottenere materiali con caratteristiche peculiari molto interessanti, quali superconduttività e fotoluminescenza, che ne permettono l’impiego in molti ambiti.
“Un significativo miglioramento nell’efficienza di conversione passa necessariamente per le cosiddette architetture multigiunzione, che utilizzano più semiconduttori in grado di sfruttare regioni diverse dello spettro solare. Queste celle assicurano rendimenti record vicini al 50%. Gli attuali dispositivi multigiunzione hanno però alcuni svantaggi: sono estremamente costosi poiché realizzati mediante crescita epitassiale di film sottili, una tecnologia che non si presta alla produzione di massa necessaria per ricoprire grandi superfici. Il loro utilizzo è quindi relegato in campi specifici, come ad esempio l’aero-spazio, in cui l’alta efficienza controbilancia abbondantemente l’elevato costo di produzione. Questo ostacolo può essere superato tramite l’utilizzo delle perovskiti ibride in quanto materiali realizzati a bassa temperatura ed in soluzione attraverso semplici tecniche a basso costo adatte ad una produzione industriale su vasta scala. Le prime celle tandem con perovskite hanno mostrato efficienze vicine al 30%, già superiori a quelle del silicio, con ottime prospettive di rapidi miglioramenti ben oltre l’attuale valore.”
Misura diretta dei tassi di decadimento radiativo nelle perovskiti ad alogenuri metallici
Il tasso di emissione della radiazione luminosa è un parametro fondamentale nei semiconduttori. Esso determina l’efficienza limite di foto-conversione nelle celle solari. Nelle perovskiti ibride, una classe di materiali molto promettenti per il fotovoltaico di terza generazione, l’emissione luminosa nasce da un processo di ricombinazione bimolecolare. Questo fa sì che il tasso di emissione radiativa dipenda dalla densità dei portatori di carica e quindi non possa essere misurato direttamente con tecniche standard.
In questo lavoro, una misura radiometrica ultraveloce è stata utilizzata per determinare direttamente il tasso di decadimento radiativo in film sottili di perovskiti attraverso una misura calibrata del flusso istantaneo di fotoluminescenza sotto eccitazione laser impulsata al femtosecondo. I risultati ottenuti delineano un quadro coerente dei processi microscopici che determinano l’efficienza di conversione fotovoltaica in questa importante classe di materiali.
La rivista Energy & Environmental Science
Energy & environmental science è una rivista scientifica internazionale dedicata alla pubblicazione di ricerche eccezionalmente importanti e di alta qualità, che affrontano le principali sfide globali e sociali per garantire la fornitura di energia e proteggere il nostro ambiente per il futuro. L’ambito è intenzionalmente ampio e la rivista riconosce la complessità delle questioni e delle sfide relative alla conversione e allo stoccaggio dell’energia, alle tecnologie dei combustibili alternativi e alla scienza ambientale. Per essere pubblicato, il lavoro deve essere collegato al nesso energia-ambiente ed essere di significativo interesse generale per la comunità di lettori.
Per ulteriori approfondimenti si veda l’Abstract dell’articolo scientifico [mf1] pubblicato da “Energy & Environmental Science”
FONTE: Università degli Studi di Cagliari – Dipartimento di Fisica https://www.unica.it/unica/it/dip_fisica.page. Pagine web gruppo di ricerca www.dsf.unica.it/~fotonica