È l’ultima frontiera per la produzione energetica green innovativa. Ecco le caratteristiche e i vantaggi applicativi che spingono molti Paesi e aziende a investire in questa nuova tecnologia
La perovskite è il fotovoltaico di ultima generazione. Apre a opportunità significative in termini di elevate efficienze e costi di lavorazione ridotti. Soprattutto offre tante possibilità applicative per l’energia solare: può essere la base per celle solari tandem, fotovoltaico integrato negli edifici, applicazioni spaziali, integrato con batterie di accumulo e supercondensatori. Il suo potenziale è grande, ma la tecnologia delle celle solari a perovskite è ancora nelle primissime fasi di commercializzazione rispetto ad altre tecnologie solari mature. Ma è solo questione di tempo perché è una tecnologia di estremo interesse scientifico e industriale in tutto il mondo, Italia compresa.
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Cos’è la perovskite e quali vantaggi che offre
La perovskite è un materiale costituito da titanato di calcio. Il suo nome deriva dal collezionista di minerali russo Lev Alekseyevich Perovskij. Per formare strutture di perovskite (si parla spesso, al plurale, di perovskiti) si possono combinare insieme un gran numero di elementi diversi. Contando su questa flessibilità compositiva, gli scienziati possono progettare cristalli per avere un’ampia varietà di caratteristiche fisiche, ottiche ed elettriche. I cristalli di perovskite si trovano oggi nelle macchine ad ultrasuoni, nei chip di memoria e nelle celle solari.
Il fotovoltaico a perovskite presenta grandi potenzialità e vantaggi rispetto al tradizionale silicio: si tratta di sostanze economiche da produrre e relativamente semplici da sintetizzare. La perovskite, inoltre, non è in competizione col silicio. Si stanno facendo sempre più spazio celle tandem che combinano il silicio con la perovskite, le cui applicazioni commerciali sono realmente possibili già quest’anno. Ma la perovskite è considerata il futuro delle celle solari, poiché la sua struttura distintiva la rende perfetta per realizzare un prodotto fotovoltaico efficiente e a basso costo.
Tutte le celle fotovoltaiche si basano su semiconduttori – materiali a metà strada tra isolanti elettrici come il vetro e conduttori metallici come il rame – per trasformare l’energia della luce in elettricità. La luce del sole eccita gli elettroni nel materiale semiconduttore, che fluiscono negli elettrodi conduttori e producono corrente elettrica.
Il silicio è stato finora il protagonista pressoché assoluto nell’impiego delle celle solari, da svariati decenni, sia per le sue proprietà sia perché è relativamente abbondante e stabile. Le celle solari di perovskite possono essere prodotte utilizzando più semplici tecniche di deposizione additiva, come la stampa, con costi sensibilmente inferiori. A causa della flessibilità compositiva delle perovskiti, possono anche essere sintonizzate per adattarsi idealmente allo spettro del sole.
Come detto, però, silicio e perovskite non sono per forza in concorrenza. Tutt’altro. Si stanno, infatti, sperimentando celle alternative, dette celle tandem, che uniscono i due materiali e i loro pregi per un prodotto dalle elevate prestazioni.
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Celle tandem, opzione per il fotovoltaico di ultima generazione
Le celle tandem rappresentano uno dei passi promettenti per il fotovoltaico di ultima generazione. Combinano una cella solare particolarmente efficiente nella parte infrarossa dello spettro solare con un’altra ottimizzata nella gamma blu e ultravioletta. La tecnologia si basa su un sistema tandem in cui una cella di perovskite viene depositata su una cella di silicio, massimizzando la potenza generata dalla cella combinata.
Le celle fotovoltaiche in perovskite su silicio generano più elettricità rispetto alla tecnologia al silicio standard e promettono di accelerare la diffusione del solare in tutto il mondo.
Intanto, questo sistema ha infranto i record mondiali per l’efficienza di conversione solare, superando il 31% in laboratorio. A evidenziarlo è Oxford PV, società inglese (nata come spin-off della celebre università e oggi ha sede e centro di R&D nel Regno Unito e stabilimento produttivo in Germania) di vertice specializzata in tecnologia solare con perovskite.
Essa pianifica il lancio commerciale della sua cella tandem in perovskite su silicio già quest’anno, prevedendo un’efficienza di conversione del 27% e un rendimento energetico del 24%, rispetto a un rendimento di circa il 20%-22% per la maggior parte dei pannelli solari di silicio attualmente sul mercato.
Intanto ha stabilito un nuovo record mondiale per l’efficienza di una cella solare di dimensioni commerciali, segnando una svolta significativa nella spinta verso un’economia globale a basse emissioni di carbonio. La cella fotovoltaica da record ha convertito il 28,6% dell’energia solare in elettricità, come certificato dall’istituto tedesco Fraunhofer ISE. È stata realizzata depositando un film sottile del materiale perovskite su una cella solare al silicio convenzionale. La soluzione tandem “perovskite-su-silicio” raggiunge un’efficienza di conversione sostanzialmente superiore a quella delle celle solari tradizionali solo silicio, che in media sono del 22-24%.
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Il fotovoltaico di ultima generazione in Europa e nel mondo
Oxford PV prevede di espandere il suo stabilimento produttivo pilota, in Germania, e di aumentare la produzione a 10 GW entro la fine del decennio. È solo una delle attività di sviluppo industriale per il fotovoltaico di ultima generazione con perovskite.
In Francia, l’Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (IPVF) ha siglato una partnership con il produttore nazionale Voltec Solar per costruire una fabbrica di pannelli solari che produrrà celle tandem 4T Perovskite/Silicio. I partner mirano ad avviare la produzione nel 2025 e aumentare la capacità a 5 GW entro il 2030.
Ma non è finita qui. Segnala Mckinsey che in Turchia, Kalyon Solar Technologies ha potenziato il suo impianto integrato lingotto-modulo da 1,2 GW ottenendo un finanziamento di circa 85 milioni di dollari dal governo turco per aumentare la capacità del suo impianto di produzione di moduli solari integrato verticalmente ad Ankara.
Analogamente, Meyer Burger in Svizzera, ex produttore di apparecchiature, punta a 4,2 GW entro il 2025 (utilizzando anche la tecnologia delle celle HJT), e i produttori norvegesi di lingotti e wafer, NorSun e Norwegian Crystals, pianificano circa 4 GW di nuova capacità.
Negli USA
L’interesse sulle perovskiti per il fotovoltaico di ultima generazione è vivo in tutto il mondo. Gli Stati Uniti stanno promuovendo lo sviluppo del fotovoltaico di ultima generazione, in particolare gli impieghi della perovskite. Il programma di finanziamento PVRD (Fiscal Year 2022 Photovoltaics Research and Development) dell’Ufficio per le Tecnologie dell’Energia Solare del Dipartimento dell’Energia statunitense (DOE) ha stanziato quest’anno 28 milioni di dollari per sostenere progetti che riducono i costi e le vulnerabilità della catena di fornitura, sviluppando ulteriormente tecnologie solari durevoli e riciclabili e promuovono le tecnologie fotovoltaiche a perovskite verso la commercializzazione.
Già nel 2021 il DOE aveva annunciato 128 milioni di dollari in finanziamenti di ricerca su soluzioni in grado di abbassare il prezzo dell’energia solare del 60% entro il 2030. Sul totale, 63 milioni di dollari sarebbero andati per sostenere l’avanzamento di due materiali per le celle solari, uno dei quali sono proprio le perovskiti.
Sempre negli USA, il National Renewable Energy Laboratory (NREL), del DOE, ha da poco messo a punto una cella fotovoltaica bifacciale in perovskite. Consente alla luce solare di raggiungere entrambi i lati del dispositivo, offrendo un potenziale ancora più interessante per produrre rendimenti energetici più elevati a costi complessivi inferiori.
In oriente
La Cina è anch’essa interessata allo sviluppo del fotovoltaico a perovskite. Di recente la startup Renshine Solar avvierà la produzione di pannelli a elevate prestazioni. Nel frattempo anche in Corea del Sud si evidenzia l’interesse a puntare su questa tecnologia. Il produttore fotovoltaico tedesco Qcells ha intenzione di investire 100 milioni di dollari in una linea di produzione pilota di celle tandem di perovskite presso il suo stabilimento nel Paese asiatico. La linea pilota per le celle fotovoltaiche a base di perovskite dovrebbe essere operativa in fabbrica entro la fine del 2024.
Italia tra i protagonisti sul fotovoltaico con perovskite
In Italia si stanno portando avanti molteplici attività di ricerca e sviluppo, ma si stanno già ponendo le basi per una prossima attività industriale e commerciale. In Sicilia, 3Sun di Enel sta costruendo un impianto da 3 GW che produrrà moduli con tecnologia a celle a eterogiunzione (HJT) e, nel tempo, celle tandem, con una tabella di marcia verso un’efficienza delle celle superiore al 30%. Lo scorso maggio hanno raggiunto un nuovo record in laboratorio: con un’efficienza di conversione di potenza del 26,5% supera nettamente il primato precedente (25,8%), stabilito nel dicembre 2022 da una cella dello stesso tipo.
FuturaSun
In termini di strategie industriali è da segnalare che la società veneta FuturaSun ha acquisito la startup Solertix, specializzata nella ricerca sulla tecnologia delle Perovskite Solar Cells e nel loro upscaling per applicazioni industriali. Come specifica in una nota la stessa azienda veneta, Solertix è nata dall’esperienza del Polo Solare Organico della Università di Roma Tor Vergata (CHOSE), centro di ricerca italiano fondato dal Professor Aldo Di Carlo, specializzato sul fotovoltaico di ultima generazione, all’avanguardia mondiale sui moduli in perovskite.
BeDimensional
C’è poi un’altra realtà di interesse per il fotovoltaico con perovskite: è la startup BeDimensional, nata come spin-off dei Graphene Labs dell’IIT (istituto Italiano di Tecnologia) di Genova, specializzata nella produzione di cristalli bidimensionali. Ha partecipato alla realizzazione di Diamond, progetto triennale co-finanziato dalla Commissione Europea che mira a ottimizzare i materiali e gli stack di celle di perovskite. Inoltre, ha collaborato, insieme all’Università di Roma Tor Vergata, lo stesso IIT, Greatcell Solar Italia, CNR-ISM, l’Università di Siena e all’Università ellenica del Mediterraneo, per la realizzazione di un parco solare made in Italy, a Creta, dove si stanno sperimentando i pannelli fotovoltaici più avanzati del mondo. Oltre alla perovskite, sfruttano anche grafene e altri materiali bidimensionali.
L’Italia della ricerca può contare su personalità di livello mondiale: una è certamente Giulia Grancini, docente e scienziata pluripremiata del Dipartimento di Chimica dell’Università di Pavia, a capo del gruppo di ricerca PVsquared2. Lei e al suo gruppo si sono aggiudicati nel 2021 il nuovo record mondiale di efficienza per celle solari innovative basate su inchiostri a perovskite.
Andrea Ballocchi
