Per quanto riguarda gli elementi, il silicio è secondo solo all'ossigeno quando si tratta di abbondanza sulla Terra. Per questo e le sue proprietà di semiconduttore è stata a lungo la spina dorsale dell'elettronica. Il materiale è in tutto, dai chip alle radio. Dopotutto, è l'omonimo hub della moderna industria tecnologica in California, nella Silicon Valley.
Parlando della soleggiata capitale tecnologica, il silicio è l'elemento principale utilizzato nei pannelli solari. Tre scienziati della Bell Telephone Company del New Jersey hanno brevettato la prima cella solare al silicio, la prima cella solare da considerare pratica, con la sua capacità di convertire il 6 percento della luce in entrata in elettricità utilizzabile negli anni '50. Da allora il materiale ha dominato il mercato solare. Oggi, oltre il 90 percento dei pannelli prodotti in tutto il mondo sono pannelli fotovoltaici in silicio cristallino.
Il silicio ha guadagnato così tanto status e influenza sul mercato, con poca concorrenza nello spazio solare, che pochi sanno che ci sono altre opzioni per il solare.
Le perovskiti, o strutture cristalline, sono un nuovo tipo di cella solare, costituita da elementi comuni come lo ioduro di metilammonio. Le perovskiti sono più facili da fabbricare e hanno il potenziale per convertire la luce solare in elettricità a un ritmo maggiore rispetto alle celle al silicio. La sfida è che i perovskiti sono estremamente fragili.
Gli scienziati dell'Università di Stanford, tuttavia, stanno prendendo in considerazione la natura. Per rendere le perovskiti più resistenti, hanno osservato la struttura elastica dell'occhio di una mosca.
L'occhio composto di una mosca è composto da centinaia di occhi esagonali segmentati, ciascuno schermato con un “impalcatura” proteica organica per protezione. Gli occhi sono organizzati in una forma a nido d'ape, e quando uno fallisce, gli altri continuano a funzionare. L'intero organo mostra una ridondanza e una durata che i ricercatori sperano di ricreare nei pannelli solari.
I ricercatori hanno sottoposto gli scaffold pieni di perovskite attraverso test di frattura. (Dauskardt Lab / Stanford University) Reinhold Dauskardt e il suo gruppo di ingegneria dei materiali hanno creato un'impalcatura a forma di nido d'ape, larga appena 500 micron, da materiale fotoresist standard o sensibile alla luce. Per prendere in prestito un altro esempio dalla natura, proprio come un'ape crea un nido d'ape e poi lo riempie di miele, gli scienziati costruiscono questa struttura protettiva e quindi creano la perovskite al suo interno. Girano una soluzione di elementi all'interno del ponteggio, aggiungono calore e lo guardano cristallizzare per ottenere la struttura della perovskite e le sue proprietà fotovoltaiche. Gli scienziati hanno quindi rivestito la cella solare con un elettrodo d'argento per sigillarla e la sua capacità di catturare energia.
In un test preliminare di laboratorio , le celle solari di Dauskardt, che sono larghe circa sei ciocche di capelli, hanno mantenuto la loro struttura e funzionalità. Se esposte ad alte temperature e umidità (185 gradi Fahrenheit e 85% di umidità relativa) per sei settimane, le celle hanno continuato a produrre elettricità a livelli costanti. Le impalcature intorno alle perovskiti non dissuadevano neppure dalla loro produzione elettrica.
Questo è un risultato rivoluzionario. Prima di questa innovazione, era molto difficile per i ricercatori manipolare e creare celle fotovoltaiche di perovskite, figuriamoci per sopravvivere nell'ambiente.
"Quando ho tenuto discorsi all'inizio del fotovoltaico organico, ho detto, 'se respiri su questi materiali falliranno'. Nel caso dei perovskiti, dico 'se li guardi falliranno' ”, scherza Dauskardt, investigatore principale del nuovo studio, pubblicato su Energy and Environment Science .
Le perovskiti possono essere fino a 100 volte più fragili del vetro. Ma con l'impalcatura utilizzata per indurirlo, la durata meccanica della cellula aumenta di un fattore 30. Aggiunge stabilità chimica e meccanica alla cellula in modo che i ricercatori possano toccarla senza rompersi ed esporla a temperature elevate con minori possibilità di deterioramento.
Se illuminati dal basso, i ponteggi esagonali sono visibili nelle regioni della cella solare rivestite da un elettrodo d'argento. (Dauskardt Lab / Stanford University) I ricercatori dell'Università di Tokyo hanno esplorato per la prima volta la cella fotovoltaica perovskite come alternativa alla cella fotovoltaica al silicio nel 2009, e ricercatori di tutto il mondo sono entrati in campo. Le celle solari perovskite hanno certamente i loro vantaggi. A differenza delle celle al silicio, che richiedono una lavorazione ad alta temperatura per purificare e cristallizzare, le celle solari perovskite sono relativamente semplici da fabbricare.
"Questa è una svolta in una setta della ricerca perovskite perché sta risolvendo i problemi che i concetti della fase iniziale affrontano sul percorso verso la commercializzazione", afferma Dick Co, direttore delle operazioni e divulgazione presso il Centro di ricerca sull'energia solare Argonne-nord-ovest (ANSER). Detto questo, riconosce che lo sviluppo non è universalmente applicabile a tutta la ricerca sulle celle solari perovskite. Ci sono così tanti modi in cui è possibile produrre celle solari perovskite e ogni laboratorio ha il suo obiettivo.
Dal momento che le strutture cristalline possono essere costituite da vari elementi, ci sono anche molte possibilità estetiche. Le celle solari possono essere montate su finestre, piani di auto o altre superfici esposte alla luce. Alcune aziende stanno persino stampando le celle.
Co sospetta che le celle solari perovskite avranno inizialmente un impatto sui mercati di nicchia.
"Potevo vederli venduti su caricabatterie per tastiera iPad, integrati in edifici e forse su automobili, come il cofano ricurvo di un'auto", afferma. "Ma è difficile immaginare di realizzare una [cellula solare di perovskite [prototipo] delle dimensioni di una miniatura grande e ampiamente utilizzata, specialmente quando le fabbriche solari al silicio pompano moduli sufficienti per coprire piccoli paesi."
Tuttavia, con miglioramenti in termini di efficienza e durata, i ricercatori stanno preparando una cella pronta a produrre elettricità in molti ambienti. I ricercatori hanno richiesto un brevetto provvisorio.
Nella nuova cella solare, un'impalcatura esagonale (grigia) viene utilizzata per suddividere la perovskite (nera) in microcelle per fornire stabilità meccanica e chimica. (Dauskardt Lab / Stanford University) Nel test di Dauskardt, le celle hanno raggiunto un tasso di efficienza del 15 percento, che è molto più alto rispetto al primo test del 2009 che ha convertito il 4 percento della luce in elettricità. I tassi di efficienza dei pannelli di silicio si attestano intorno al 25 percento e, in laboratorio, i perovskiti hanno raggiunto un aumento del 20 percento. I ricercatori hanno stimato la capacità di efficienza teorica delle perovskiti fotovoltaiche a circa il 30 percento.
Dauskardt pensa che il suo team potrebbe essere in grado di migliorare l'impalcatura, originariamente costruita con materiali economici e facilmente disponibili, per aumentare l'efficienza della cellula.
“Siamo rimasti così sorpresi di averne potuto realizzare uno nel modo più semplice possibile. Ora la domanda è: ci sono impalcature migliori che possiamo usare? Come possiamo recuperare la luce che sarebbe caduta sul muro dell'impalcatura? ”Dice Dauskardt. Lui e i suoi colleghi hanno in programma di sperimentare materiali che diffondono particelle di luce.
Con il potenziale per una produzione a basso costo, una commercializzazione relativamente rapida (stime di Dauskardt entro i prossimi 3-5 anni) e applicazioni sorprendentemente diverse, la cella solare perovskite potrebbe essere il prossimo grande pannello solare degli anni '20 e oltre.
Quindi quando quella mosca ti ronza nell'orecchio, stai certo che la natura, in tutte le sue forme, ispira.
