Perovskite, il minerale per pannelli fotovoltaici trasparenti: cos’è e perché è unico

La perovskite – il cui nome deriva dal mineralogista russo Lev Alekseevič Perovskij – è un minerale cristallino composto da titanato di calcio (CaTiO₃) ed è considerato un candidato innovativo per sostituire il silicio come costituente principe nelle celle solari per via delle sue proprietà uniche. Il vantaggio della perovskite rispetto al silicio risiede nella loro proprietà fisica di assorbimento della radiazione solare: rispetto ad una comune cella in silicio, una cella perovskitica è in grado di reagire a una gamma molto più ampia di frequenze rispetto alla sola luce visibile, convertendo molta più energia solare in energia elettrica. Oltre che più efficienti, le celle solari a perovskite (che al momento sono ancora sperimentali) sono anche più leggere e flessibili di quelle al silicio, e possono essere trasparenti, il che permetterebbe di realizzare in futuro pannelli fotovoltaici integrati nei vetri delle finestre e in generale in ogni superficie esterna. Prima però occorre risolvere alcuni problemi di durata e stabilità, oltre che evitare il rischio di rilascio di piombo.

Cos'è la perovskite e dove si trova

Chiariamo subito un punto: perovskite è un termine che si utilizza tanto per il minerale cristallino di cui sopra quanto a indicare strutture cristalline simili a quella di cui si compone quest’ultimo ma fatte di materiali differenti. Un po’ come “pallone”: è sia un gioco a cui moltissimi italiani sono affezionati, sia il nome che diamo a praticamente qualsiasi oggetto sferico cui si può dare un calcio e far rotolar. Quando parliamo di celle solari in perovskite non intendiamo dunque necessariamente celle fatte di questo minerale, ma di celle di materiali differenti che imitano la particolare struttura cristallina di questo minerale.

I giacimenti di perovskite si trovano soprattutto negli USA, in Australia e in Brasile, ma anche in Europa (Germania, Francia, Austria, Svizzera e in Italia in Lazio e Campania). Il minerale si trova tipicamente nelle rocce metamorfiche di contatto ed è presente anche in particolari tipi di meteorite (le condriti).

Da cosa è formata e qual è la sua struttura

La “vera” perovskite è formata da calcio, titanio e ossigeno e ha formula bruta CaTiO₃. Una struttura perovskitica è un qualsiasi materiale che abbia la stessa formula bruta della vera perovskite (ovvero sia fatta da un’unità fondamentale composta da cinque atomi in totale, di tre nature differenti) e conservi di quest’ultima la stessa struttura cristallografica. Il modo più semplice di descrivere quest’ultima è quello di immaginare un cubo con atomi di titanio agli angoli, atomi di ossigeno ai punti medi dei bordi e un atomo di calcio al centro, come nella figura qui in basso.

Perché la perovskite è usata per costruire i pannelli fotovoltaici: le proprietà

Al variare degli atomi o delle molecole che vanno a occupare le posizioni descritte sopra, le perovskiti possono realmente avere una varietà impressionante di proprietà, sia dal punto di vista della ricerca di base che da quello ingegneristico. Spaziando dalle celle a combustibile alla superconduttività, dalla magnetoresistenza gigante alle applicazioni di spintronica, la famiglia delle perovskiti si presta a moltissime applicazioni.

A oggi l’applicazione più importante della perovskite consiste nelle celle solari, e le perovskiti sono riconosciute dai più come estremamente promettenti per la fabbricazione di sistemi fotovoltaici commerciali ad alta efficienza. Per questo motivo il mondo accademico ha riservato alla perovskite, fin dagli albori delle sue applicazioni, un’attenzione e uno sforzo particolari. Le celle fotovoltaiche in perovskite sono ancora oggi oggetto di ricerca e miglioramento continui: basti pensare che l’efficienza delle celle solari sperimentali in questo materiale è passata da appena il 2% nel 2016 al 29,8% nel 2021, superando l’efficienza massima mai raggiunta dalle celle solari a singola giunzione in silicio. A partire dal 2016 le celle solari in perovskite hanno rappresentato la tecnologia solare a più rapido sviluppo sul pianeta e alcuni esperti prevedono che il mercato del fotovoltaico in perovskite raggiungerà i 214 milioni di dollari nel 2025 su scala globale.

Quali sono le potenzialità e i limiti delle celle solari perovskitiche

Le celle solari in perovskite, al di là dei vantaggi in termini di efficienza, offrono un’ampia gamma di interessanti caratteristiche, non ultime la loro flessibilità, leggerezza e semitrasparenza: quest’ultima proprietà è quella che ha spinto il colosso giapponese Panasonic a porsi l'obiettivo di commercializzare i pannelli di perovskite nei prossimi cinque anni, per realizzare quello che si chiama in gergo un fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV, Building-Integrated PhotoVoltaics). Un pannello solare integrato nel vetro architettonico, una finestra in grado di generare energia!

Il sogno della multinazionale high-tech giapponese è quello di trasformare le finestre e le pareti degli edifici in “centrali elettriche ”. E l’azienda nipponica ha già sviluppato pannelli di vetro graduati di perovskite con una trasparenza variabile fra il 20% e il 40%. Questa tecnologia potrebbe aiutare a contrastare il cambiamento climatico, soprattutto per tutti quei Paesi geograficamente impossibilitati all’installazione di grandi parchi fotovoltaici.

Bisogna ricordare però che questa tecnologia non è ancora pronta al suo debutto commerciale: le celle solari in perovskite dovranno vincere diverse sfide tecniche e inegneristiche prima di raggiungere un vero successo sul mercato. I problemi principali a oggi riguardano la durata e la stabilità delle celle, e il rischio che tali dispositivi possano rilasciare piombo (elemento altamente tossico per le specie viventi) nell’ambiente circostante.

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