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Scatenare il potenziale delle perovskiti per le celle solari

Le perovskiti, un'ampia categoria di composti che condividono una certa struttura cristallina, hanno attirato molta attenzione come potenziali nuove celle solari a causa del loro basso costo, flessibilità, e relativamente facile processo di produzione. Ma molto rimane sconosciuto sui dettagli della loro struttura e sugli effetti della sostituzione di diversi metalli o altri elementi all'interno del materiale.

Le celle solari convenzionali in silicio devono essere lavorate a temperature superiori 1,400 gradi Celsius, utilizzando attrezzature costose che limitano il loro potenziale di aumento della produzione. In contrasto, le perovskiti possono essere lavorate in una soluzione liquida a temperature fino a 100 gradi, utilizzando attrezzature poco costose. Cosa c'è di più, le perovskiti possono essere depositate su una varietà di substrati, comprese le plastiche flessibili, consentendo una varietà di nuovi usi che sarebbero impossibili con più spessi, wafer di silicio più rigidi.

Le celle solari fatte di perovskite hanno grandi promesse, in parte perché possono essere facilmente realizzati su substrati flessibili, come questa cella sperimentale. Immagine: Ken Richardson

Adesso, i ricercatori sono riusciti a decifrare un aspetto chiave del comportamento delle perovskiti realizzate con diverse formulazioni: Con alcuni additivi esiste una sorta di "punto debole" in cui quantità maggiori miglioreranno le prestazioni e oltre il quale ulteriori quantità inizieranno a degradarle. I risultati sono dettagliati questa settimana nel diario Scienza, in un articolo dell'ex postdoc del MIT Juan-Pablo Correa-Baena, MIT professors Tonio Buonassisi and Moungi Bawendi, e 18 altri al MIT, l'Università della California a San Diego, e altre istituzioni.

Le perovskiti sono una famiglia di composti che condividono una struttura cristallina in tre parti. Ogni parte può essere composta da uno qualsiasi di diversi elementi o composti, portando a una gamma molto ampia di possibili formulazioni. Buonassisi paragona la progettazione di una nuova perovskite all'ordinazione da un menu, sceglierne uno (o più) da ciascuna colonna A, colonna B, e (per convenzione) colonna X. “Puoi mescolare e abbinare," lui dice, ma fino ad ora tutte le variazioni potevano essere studiate solo per tentativi ed errori, poiché i ricercatori non avevano una comprensione di base di ciò che stava accadendo nel materiale.

In una precedente ricerca di un team della Scuola politecnica federale svizzera di Losanna, a cui ha partecipato Correa-Baena, aveva scoperto che l'aggiunta di alcuni metalli alcalini alla miscela di perovskite potrebbe migliorare l'efficienza del materiale nella conversione dell'energia solare in elettricità, da circa 19 per cento a circa 22 per cento. Ma all'epoca non c'era alcuna spiegazione per questo miglioramento, e nessuna comprensione di cosa stessero facendo esattamente questi metalli all'interno del complesso. “Si sapeva molto poco su come la microstruttura influenzi le prestazioni,” Buonassisi says.

Adesso, mappatura dettagliata utilizzando misure di fluorescenza di nano-raggi X di sincrotrone ad alta risoluzione, che può sondare il materiale con un raggio appena un millesimo della larghezza di un capello, ha rivelato i dettagli del processo, con potenziali indizi su come migliorare ulteriormente le prestazioni del materiale.

Si scopre che l'aggiunta di questi metalli alcalini, come il cesio o il rubidio, al composto di perovskite aiuta alcuni degli altri componenti a mescolarsi più agevolmente. Come lo descrive il team, questi additivi aiutano ad “omogeneizzare” la miscela, facendolo condurre l'elettricità più facilmente e migliorando così la sua efficienza come cella solare. Ma, hanno trovato, che funziona solo fino a un certo punto. Oltre una certa concentrazione, questi metalli aggiunti si aggregano, formando regioni che interferiscono con la conduttività del materiale e contrastano in parte il vantaggio iniziale. Nel mezzo, per ogni data formulazione di questi composti complessi, è il punto debole che offre le migliori prestazioni, hanno trovato.

“È una grande scoperta,dice Correa-Baena, che a gennaio è diventato assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria presso la Georgia Tech. Cosa hanno scoperto i ricercatori, dopo circa tre anni di lavoro al MIT e con collaboratori all'UCSD, era “cosa succede quando aggiungi quei metalli alcalini, e perché le prestazioni migliorano. Hanno potuto osservare direttamente i cambiamenti nella composizione del materiale, e rivelare, tra l'altro, questi effetti compensativi di omogeneizzazione e aggregazione.

“L'idea è quella, sulla base di questi risultati, ora sappiamo che dovremmo esaminare sistemi simili, in termini di aggiunta di metalli alcalini o altri metalli,” o variando altre parti della ricetta, Dice Correa-Baena. Mentre le perovskiti possono avere grandi vantaggi rispetto alle celle solari al silicio convenzionali, soprattutto in termini di basso costo di creazione di fabbriche per produrli, richiedono ancora ulteriore lavoro per aumentare la loro efficienza complessiva e migliorare la loro longevità, che è significativamente indietro rispetto a quello delle celle di silicio.

Sebbene i ricercatori abbiano chiarito i cambiamenti strutturali che avvengono nel materiale perovskite quando si aggiungono metalli diversi, e i conseguenti cambiamenti nelle prestazioni, “ancora non capiamo la chimica dietro questo,dice Correa-Baena. Questo è l'oggetto della ricerca in corso da parte del team. L'efficienza massima teorica di queste celle solari di perovskite è di circa 31 per cento, secondo Correa-Baena, e la migliore performance fino ad oggi è in giro 23 per cento, quindi rimane un margine significativo per un potenziale miglioramento.

Anche se potrebbero volerci anni prima che le perovskiti realizzino il loro pieno potenziale, almeno due società sono già in procinto di allestire linee di produzione, e si aspettano di iniziare a vendere i loro primi moduli entro il prossimo anno o giù di lì. Alcuni di questi sono piccoli, celle solari trasparenti e colorate progettate per essere integrate nella facciata di un edificio. “Sta già accadendo,dice Correa-Baena, "ma c'è ancora del lavoro da fare per renderli più durevoli".

Una volta problemi di producibilità su larga scala, efficienza, e la durata sono affrontate, Buonassisi says, le perovskiti potrebbero diventare un attore importante nel settore delle energie rinnovabili. “Se riescono a rendere sostenibile, moduli ad alta efficienza preservando il basso costo di fabbricazione, questo potrebbe cambiare il gioco," lui dice. "Potrebbe consentire l'espansione dell'energia solare molto più velocemente di quanto abbiamo visto".

Le celle solari di perovskite “sono ora i principali candidati per la commercializzazione. così, fornendo approfondimenti, come fatto in questo lavoro, contribuisce allo sviluppo futuro," dice Michael Saliba, un ricercatore senior sulla fisica della materia soffice presso l'Università di Friburgo, Svizzera, e assicurati che.

Croce aggiunge, “Questo è un grande lavoro che sta facendo luce su alcuni dei materiali più studiati. L'uso di sincrotrone basato, nuove tecniche in combinazione con una nuova ingegneria dei materiali è della massima qualità, e merita di apparire in una rivista di così alto rango. Aggiunge che il lavoro in questo campo “sta progredendo rapidamente. così, avere una conoscenza più dettagliata sarà importante per affrontare le future sfide ingegneristiche”.


fonte: http://news.mit.edu

Di Marie

Commento ( 1 )

  1. Questo è un articolo utile! Sicuramente un bisogno di leggere e
    una rivelazione! Mi è stato davvero molto utile grazie mille.

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