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Caffè per le celle solari alla Perovskite

Ancora passi avanti per la tecnologia di produzione di elettricità più promettente. La perovskite migliora di molto con l'aggiunta di caffeina.

Abbiamo parlato più volte della tecnologia dei pannelli solari alla perovskite (vedi La Perovskite guadagna terreno e Pannelli solari di nuova generazione). La perovskite è una classe di composti cristallini facili ed economici da produrre, materiali molto promettenti, particolarmente adatti a formare strati di raccolta della luce su pannelli solari. Un processo affidabile per la loro produzione potrebbe creare un cataclisma nella produzione di tecnologie per le energie rinnovabili, oggi in mano a pochi potentati industriali.

Il termine perovskite in questo caso si riferisce a cristalli con un tipo specifico di struttura, spesso composti da elementi comuni e poco costosi come lo iodio, il piombo e il bromo. Il sacro graal della ricerca sull'energia solare negli ultimi 10 anni.

Nell'ultimo decennio, la ricerca sulla perovskite ha notevolmente migliorato l'efficienza, passando dall'1% dell'energia solare disponibile, al 30%. E, a differenza di quanto riguarda il silicio (il materiale al centro della maggior parte dei pannelli solari commerciali oggi), un pannello in perovskite è facile da produrre.

Il problema è che, se i cristalli sono esposti all'umidità atmosferica e all'ossigeno, si degradano rapidamente. Questa instabilità è la sfida attuale in laboratorio: scienziati di tutto il mondo, universitari, industriali e indipendenti, provano ogni giorno a introdurre diversi composti per proteggere la struttura di perovskite.

In una recente pubblicazione, Rui Wang e Jingjing Xue dell'Università della California, a Los Angeles, descrivono cosa è successo quando hanno usato la caffeina per migliorare la stabilità e le prestazioni delle celle solari di perovskite. Sembra che le strutture di perovskite siano piuttosto sensibili alla caffeina: non solo diventano termicamente più stabili con l'uso di caffeina, ma diventano anche più efficienti.

È stato un momento di "pura fortuna", dice l'ingegnere Yang Yang, consulente di Wang e Xue. Il laboratorio di Yang ha cercato di migliorare la durata di un pannello solare realizzato con perovskite, e quindi promettente ma instabile, connettendo i pannelli con alcuni composti stabilizzanti.

"Avevamo bisogno di un qualche tipo di molecola con coppie isolate di elettroni alle estremità, per interagire con la perovskite e legarsi a essa." dice Yang. Una caratteristica che la caffeina ha effettivamente. E così, non si sa quanto per geniale intuizione e quanto per semplice culo, è stato provato un alcaloide caffeino-simile.

Et voilà: la caffeina interagisce con gli ioni piombo, per creare un blocco molecolare protettivo, che aumenta l'energia di attivazione. Tutto ciò porta alla formazione di un film di perovskite con l'orientamento desiderato e proprietà elettroniche migliorate. Le loro cellule stabilizzate hanno raggiunto un'efficienza di conversione del 19,8%, la maggior parte delle quali è stata mantenuta nonostante l'esposizione prolungata al calore.

La caffeina, con i suoi elettroni isolati esterni, dovuti ai due gruppi di carbonio-ossigeno, può bloccare il piombo nella perovskite, stabilizzando gli estremi e impedendo al materiale di degradarsi, dando alla cella solare una stabilità tutt'altro che disprezzabile.

Per testare questa idea, Yang e i suoi studenti hanno costruito un pannello solare di perovskite con aggiunta di caffeina ai cristalli. Il procedimento è semplicissimo: si mescolano i componenti in un becher. Si aggiunge un po' di caffeina e si mescola in modo uniforme. Infine, si versa il liquido sopra il vetro per formare uno strato di cristallo di perovskite, la base per una cella solare di dimensioni ridotte.

Un'analisi molecolare su quella cella ha confermato che la caffeina si lega agli atomi di piombo della perovskite. Questo permette alla cella di funzionare stabilmente per oltre 1.300 ore con una migliore efficienza (dal 16% al 20%) rispetto al pannello decaffeinato.

Il 20% non è la massima efficienza attualmente raggiunta da pannelli solari di perovskite, ma i risultati suggeriscono che il composto potrebbe aiutare a stabilizzare altri sistemi di perovskite che oggi hanno efficienze molto più elevate. Le celle solari tandem o ibride, prodotte con due diversi tipi di perovskite, sono in grado di raggiungere quasi il 30% di efficienza senza caffeina.

La caffeina sembra consentire ai cristalli di perovskite di formarsi senza il "disordine" tipico di quelli ​​senza il farmaco. Potrebbe essere la spinta decisiva per spingere le celle solari di perovskite alla vendita commerciale.

Sicuramente la scoperta aiuterà i ricercatori a capire come manipolare e ingegnerizzare la perovskite in futuro.

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