Celle solari allo stagno senza piombo mantengono il 95% dell'efficienza dopo 1.600 ore

Le celle solari di nuova generazione basate su perovskiti sono tra le più efficienti oggi disponibili, ma molte contengono piombo, un metallo pericoloso per l'ambiente e la salute. Le perovskiti a base di stagno sono considerate una delle alternative non tossiche più promettenti, con un problema però non secondario: i materiali a base di stagno risultano estremamente vulnerabili all'ossigeno e all'umidità, degradandosi in poche ore o pochi giorni una volta esposti all'aria.

Ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison, del National Laboratory of the Rockies e di altre istituzioni collaboranti hanno sviluppato una perovskite allo stagno dotata di quella che equivale a un impermeabile incorporato, capace di proteggere il materiale da aria e acqua senza comprometterne la capacità di trasformare la luce solare in elettricità. La ricerca, pubblicata sulla rivista scientifica Nature Materials, ha prodotto celle solari con un'efficienza di conversione del 16,2%, tra i valori più alti finora riportati per questa tecnologia.

I pannelli solari, le turbine eoliche, le batterie e le infrastrutture che raccolgono e trasportano elettricità restano comunque componenti fisici, la cui produzione ha un impatto ambientale. Se l'energia solare deve diventare davvero più pulita, guardare anche ai materiali usati per produrla, e non solo all'elettricità generata, è parte del problema. Eliminare il piombo dalle celle più efficienti significherebbe ridurre uno dei nodi ambientali più discussi di questa tecnologia.

Per risolvere il problema della fragilità dello stagno, il gruppo ha studiato il modo in cui i componenti del materiale ibrido si assemblano tra loro, creando perovskiti allo stagno con componenti organici sostituiti con fluoro, cloro e bromo, poi confrontati tra loro. La versione al cloro ha permesso ai cristalli di compattarsi in modo più stretto, una struttura che rende molto più difficile la penetrazione di ossigeno e acqua. La differenza è risultata significativa: mentre i materiali convenzionali a base di stagno iniziano a degradarsi entro poche ore o giorni all'aria aperta, il nuovo materiale ha mantenuto la propria struttura e luminosità per diversi mesi, restando integro anche dopo giorni di immersione in acqua.

"Le perovskiti allo stagno sono materiali molto promettenti per l'energia solare, ma sono estremamente sensibili all'aria e all'umidità", ha spiegato Song Jin, professore di chimica all'ateneo e autore corrispondente dello studio. "Volevamo trovare un modo per proteggere questi materiali preservando le proprietà che li rendono interessanti per le celle solari." Secondo Christopher Triggs, primo autore dello studio e da poco dottore di ricerca in chimica dei materiali, "un cambiamento relativamente piccolo nella progettazione del materiale produce un miglioramento così ampio nella stabilità".

I dispositivi migliori hanno mantenuto oltre il 95% dell'efficienza iniziale dopo 1.600 ore in aria secca. Sottoposti a una prova più severa, con luce solare simulata continua a 55 gradi Celsius, hanno conservato l'80% dell'efficienza iniziale dopo mille ore. Resta comunque la distanza tra un risultato di laboratorio e un pannello solare commercialmente valido: "Questo ci offre una nuova strategia di progettazione per rendere le celle solari allo stagno sia efficienti sia molto più robuste", ha commentato Kai Zhu, tra i ricercatori che hanno collaborato alla realizzazione delle celle funzionanti.