Efficienza, Basso Costo e Flessibilità per il Futuro del Fotovoltaico
La Nuova Frontiera dell'Energia Solare (RDM-AI11_25)
Le celle solari in perovskite, efficienti e low-cost, promettono rivoluzione green con moduli flessibili e tandem oltre il 33% di efficienza.
Le celle solari in perovskite sono una rivoluzione nel fotovoltaico: efficienti, economiche, leggere e versatili. Prodotte a basse temperature, superano il silicio in resa energetica e costi. Le celle tandem perovskite-silicio superano il 33% di efficienza. Ideali per tetti, edifici e veicoli, offrono flessibilità e trasparenza. Nonostante la sfida della stabilità, promettono un futuro solare più accessibile e sostenibile.
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Tecnologia e Futuro: Meno Fossili, Più Energia Pulita
La domanda di elettricità aumenta ovunque. Usiamo più auto elettriche, più riscaldamento elettrico, più computer e grandi data center. Le energie rinnovabili (sfruttando il sole e il vento) sono cresciute in fretta. Però, per raggiungere gli obiettivi sul clima, servono più innovazioni e nuove infrastrutture.
Lo Stato dell'Energia Oggi
Nel 2024, il mondo ha prodotto il 15% in più di energia da fonti rinnovabili. Questo è l'aumento annuale più grande mai registrato.
Però, c'è un dato negativo: le emissioni di CO2 sono salite dell'1%, toccando un nuovo massimo storico. Nonostante questo, l'Agenzia internazionale dell'energia (IEA) pensa che il consumo di combustibili fossili (come petrolio e gas) comincerà a scendere prima del 2030. Questo avverrà grazie alla diffusione veloce delle tecnologie sostenibili.
Le Nuove Tecnologie Che Cambiano Tutto
Il settore delle energie rinnovabili sta vivendo una grande trasformazione. Nuove tecnologie stanno rendendo l'energia pulita più accessibile e meno costosa.
- · Il Fotovoltaico: I pannelli solari sono una tecnologia nota, ma continuano a migliorare. Le nuove celle solari usano materiali speciali chiamati perovskiti. Questi offrono un'efficienza maggiore e la loro produzione costa meno rispetto ai pannelli in silicio. Sono anche leggeri e flessibili, ideali per tetti, facciate o auto. Esiste anche il fotovoltaico bifacciale, che prende luce da entrambi i lati del pannello, aumentando la produzione di energia fino al 30%.
- · L'Eolico in Alto Mare: Le turbine eoliche galleggianti sono una grande novità. A differenza di quelle fissate al fondale, queste possono essere installate in acque profonde. Lì, il vento è più forte e costante. Questo apre nuove opportunità per sfruttare l'energia eolica negli oceani.
- · L'Idrogeno Verde: È prodotto con l'elettricità da fonti rinnovabili. L'idrogeno verde è un modo pulito per immagazzinare grandi quantità di energia. È utile per settori difficili da elettrificare, come l'industria pesante (acciaio, cemento) e le grandi navi. È visto come una soluzione chiave per azzerare le emissioni globali.
Queste innovazioni stanno ridisegnando il panorama energetico globale.
Cosa sono le celle solari in perovskite
Le celle solari in perovskite sono dispositivi fotovoltaici che utilizzano come materiale assorbente un composto con struttura cristallina di tipo perovskite (vedi immagine). Queste perovskiti spesso sono ibridi organico-inorganici a base di alogenuro di piombo o stagno e sono lavorabili in film sottili con processi a basso costo
Struttura cristallina delle perovskiti CH3NH3PbX3. Il catione metil-ammonio (CH3NH3+) è circondato dagli ottaedri PbX6. (credit Christopher Eames e altri)
Il Funzionamento delle Celle Solari a Perovskite
Le celle solari realizzate con materiali perovskitici rappresentano una tecnologia di nuova generazione. La loro efficienza nel convertire la luce solare in elettricità è eccezionale.
Il funzionamento di una cella a perovskite si basa su una serie di semplici passaggi:
- · Assorbimento della Luce Solare: Il materiale perovskite cattura i fotoni solari. Crea così delle coppie di cariche elettriche: gli elettroni e le lacune. Poiché la perovskite assorbe molto bene la luce, bastano strati sottili del materiale per catturare gran parte della radiazione solare.
Assorbimento della Luce Solare
- · Separazione delle Cariche: L'energia della luce spinge un elettrone in una posizione più esterna (banda di conduzione), lasciando dietro di sé una lacuna (nella banda di valenza). La struttura della cella e gli strati esterni sono pensati per separare subito queste cariche. Questo è essenziale per evitare che elettroni e lacune si riuniscano o si "ricombinino" perdendo energia.
Separazione delle cariche
- · Trasporto e Raccolta: Gli elettroni e le lacune, una volta separati, viaggiano verso elettrodi opposti. Usano strati specializzati: gli strati di trasporto degli elettroni (ETL) e gli strati di trasporto delle lacune (HTL). Infine, vengono raccolti ai contatti elettrici, generando così corrente continua.
- · Circuito Esterno: La corrente creata scorre nel circuito esterno per fornire energia utile. La quantità di tensione elettrica (voltaggio) che la cella produce dipende dalla composizione della perovskite e dalle proprietà elettriche degli elettrodi di contatto.
Alcuni ricercatori hanno studiato il comportamento di materiali come FAPbI3 al variare della temperatura.
La temperatura gioca un ruolo cruciale nel comportamento delle perovskiti come FAPbI3: non si tratta solo di un dettaglio sperimentale, ma di un fattore che può cambiare la struttura cristallina, la mobilità delle molecole interne e, di conseguenza, le proprietà elettroniche del materiale. A temperature diverse le perovskiti possono adottare fasi cristalline differenti, con diverse simmetrie e angoli di inclinazione degli ottaedri PbI6; queste variazioni modificano la banda proibita, l’assorbimento della luce e la capacità del materiale di trasportare cariche, con effetti diretti sull’efficienza di una cella solare.
Un elemento particolarmente sensibile alla temperatura sono i cationi organici (FA) che occupano gli spazi tra gli ottaedri. A temperature elevate questi cationi ruotano e riorientano rapidamente, contribuendo a un equilibrio dinamico che aiuta a schermare difetti e a facilitare il trasporto delle cariche. Al freddo, però, la loro mobilità può arrestarsi: lo studio mostra che i cationi FA si «congelano» in configurazioni metastabili che impediscono al sistema di raggiungere lo stato termodinamico più stabile. Questo congelamento spiega perché in laboratorio sia difficile osservare sempre la stessa struttura di base e perché alcuni esperimenti riportino risultati contrastanti.
Le conseguenze pratiche sono importanti: una fase metastabile o una transizione inattesa possono alterare la banda proibita, aumentare i tassi di ricombinazione o rendere il materiale più vulnerabile a degradazione sotto luce, umidità o stress termico. Per dispositivi installati in condizioni reali — soggetti a escursioni giorno-notte e stagionali — ciò può tradursi in perdita di performance o in una durata inferiore rispetto alle aspettative. Per questo motivo conoscere il comportamento alle diverse temperature è essenziale per progettare celle solari affidabili.
Le possibili contromisure includono la progettazione di miscele di cationi o modifiche chimiche che riducano la tendenza al congelamento, la messa a punto di passivazioni che limitino le trappole per le cariche e l’uso di incapsulamenti o controlli termici nei moduli per evitare che rimangano a lungo in condizioni critiche. Inoltre, è essenziale che i protocolli di test includano cicli termici realistici in grado di riprodurre le escursioni ambientali; solo così si potrà valutare la resilienza dei materiali nelle applicazioni reali.
Le Perovskite: La Rivoluzione del Fotovoltaico
Le celle solari in perovskite stanno per arrivare sul mercato. Questo materiale è versatile ed efficiente. Lo si potrà usare nei moduli fotovoltaici, sui dispositivi portatili, nelle facciate degli edifici e nelle stazioni di ricarica solare. La perovskite è una delle tecnologie più promettenti per il futuro dell'energia solare
Un'Ascesa Veloce e Sorprendente
L'arrivo della perovskite nel settore fotovoltaico è stato uno dei progressi più rapidi nella storia dell'energia.
- · Nel 2009, i ricercatori giapponesi hanno creato la prima cella solare in perovskite. L'efficienza era solo del 3-4%.
- · Solo quattro anni dopo, nel 2013, l'efficienza era già salita al 15%.
- · Nel 2021, la tecnologia ha raggiunto il 25,7%.
A maggio 2025, la University of Science and Technology of China ha stabilito un record: un'efficienza del 26,7% per una cella a singola giunzione. Questo valore si avvicina molto al limite massimo che la teoria permette.
La Potenza delle Celle Tandem
Il vero salto di qualità si ha con le celle tandem, che uniscono la perovskite al tradizionale silicio. Nel 2023, queste celle tandem hanno superato il 33,9% di efficienza.
Per capire l'importanza di questo dato, basti pensare che i pannelli solari in silicio che si comprano oggi hanno un'efficienza media del 21-22%. La combinazione con la perovskite non solo aumenta l'efficienza, ma permette anche di usare in modo più efficace la luce solare, spingendo oltre il limite delle tecnologie attuali. La perovskite sta quindi trasformando il mercato e i limiti di ciò che è possibile ottenere dal sole.
Vantaggi del fotovoltaico in perovskite rispetto al silicio tradizionale
Le celle solari realizzate in perovskite rappresentano una tecnologia di grande impatto. Esse offrono molti vantaggi rispetto ai tradizionali pannelli in silicio. Questi progressi potrebbero rendere la perovskite la tecnologia solare principale del futuro.
La perovskite supera il silicio in diversi aspetti chiave, rendendola ideale per nuove applicazioni:
- · Maggiore Efficienza: Sulla stessa superficie, i pannelli in perovskite possono raggiungere un'efficienza di conversione energetica fino al 50% superiore rispetto a quelli in silicio. Nelle aree dove lo spazio è limitato, come le coperture dei parcheggi, questo significa produrre molta più elettricità.
- · Costi di Produzione Più Bassi: La fabbricazione delle celle in silicio richiede temperature altissime (oltre 1400°C). La perovskite, invece, può essere depositata a temperature molto più basse (sotto i 150°C). Questo processo è più semplice, riduce notevolmente i costi energetici di produzione e l'investimento iniziale nelle fabbriche.
- · Estrema Leggerezza: Lo spessore del materiale in perovskite è di pochi centinaia di nanometri. È molto più sottile del silicio. Per questo motivo, i moduli in perovskite sono estremamente leggeri. Strutture di supporto, come quelle usate per i tetti dei parcheggi, possono essere meno robuste e quindi meno costose.
- · Flessibilità e Adattabilità: La perovskite può essere applicata su materiali flessibili. Questo permette di creare pannelli che si piegano e si adattano a superfici curve o design architettonici moderni.
- · Semitrasparenza: Una caratteristica unica è la possibilità di creare pannelli con una trasparenza variabile (dal 20 al 40%). Ciò apre la strada all'integrazione nelle finestre o nelle vetrate, che possono così generare elettricità pur mantenendo la luminosità.
In sintesi, la perovskite promette di trasformare il modo in cui produciamo energia solare, rendendola più efficiente, economica e integrabile nelle nostre strutture quotidiane.
Ilsole24ore, Mai così tanta energia pulita, ma servono nuove tecnologie per rispettare l’agenda climatica
Progetti e finanza, Tecnologie emergenti nelle energie rinnovabili: il futuro dell’energia sostenibile
RossiniEnergy, Perovskite Fotovoltaico: Rivoluzione dell’energia solare con efficienza record
Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, Julia Wiktor. Revealing the Low-Temperature Phase of FAPbI3 Using a Machine-Learned Potential. Journal of the American Chemical Society, 2025
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