Fotovoltaico in perovskite nello spazio. Ecco il progetto P4SPACE

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Lei è una scienziata di grande talento, mente geniale che sta dietro all’organizzazione della conferenza PVPSACE-2023 che si è svolta la settimana scorsa presso l’Università La Sapienza di Roma, con l’obiettivo di investigare con i massimi esperti mondiali il fotovoltaico di nuova generazione per lo spazio. Stiamo parlando della dottoressa Narges Yaghoobi Nia, la Principal Investigator del progetto finanziato dal fondo europeo P4SPACE attivato dall’Università La Sapienza di Roma, dalla Scuola di Ingegneria Aerospaziale di Roma e dall’Università Politecnica Federale di Losanna.

pv magazine: Come sciogliere il ghiaccio sul tema spazio?
Innanzitutto, parlando di come si presenta. La troposfera, dove volano gli aerei e i droni, è lo strato più basso in cui viviamo, da 8 a 14,5 km di altitudine dalla superficie terrestre. La stratosfera, dove c’è lo strato di ozono, si estende fino a circa 50 km ed è il punto più alto che può essere raggiunto da specifici velivoli a reazione. La mesosfera, con il suo punto più alto a circa 85 km, è l’ambiente dove bruciano le meteore e dove si accede con razzi sonda e aerei a razzo. La termosfera inizia immediatamente sopra la mesosfera e si estende fino a 600 km: qui si trovano l’aurora e i satelliti, ma anche la Stazione Spaziale Internazionale si trova qui, tra i 350 e i 420 km. Nell’esosfera, caratterizzata da pochi atomi di ossigeno e idrogeno, si trovano i satelliti artificiali. La Karman line che si trova proprio dove inizia lo spazio, è posizionata tra la mesosfera e la termosfera, è il punto dove non è più possibile volare tramite il sostentamento dell’aria perché l’atmosfera diventa troppo rarefatta.

Entriamo nel tema dell’Economia dello Spazio, un grande business da un trilione di dollari…
La space economy è definita dall’OCSE come “l’intera gamma di attività e l’uso di risorse che creano valore e benefici per gli esseri umani nel corso dell’esplorazione, della ricerca, della comprensione, della gestione e dell’utilizzo dello spazio”. È un business che richiede ricerca e sviluppo per innovare in tema di alimentazione energetica.

Avvicinandoci a parlare di applicazioni fotovoltaiche nello spazio, come presentare l’ambiente a livello fisico?
Si tratta di un ambiente caratterizzato da forti radiazioni, che comprende principalmente raggi gamma, raggi X, raggi β, raggi UV, protoni, neutroni ed elettroni. A causa della mancanza di assorbimento atmosferico, la luce solare è più intensa (1367 W m-2) e particolarmente potenziata nell’intervallo spettrale UV, dando origine allo spettro solare AM0. Inoltre, c’è alto vuoto e temperatura alternata, ad esempio all’altitudine della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) ci sono cicli di temperatura di -100/+70 ˚C ogni 100 minuti.

Alla luce di queste caratteristiche ambientali, quale tecnologia fotovoltaica potrebbe essere ideale?
La perovskite ha mostrato una migliore resistenza alle radiazioni rispetto al vetro e ha presentato una potenza specifica elevatissima, difficilmente raggiungibile da altri tipi di celle solari. Queste caratteristiche rendono la perovskite un promettente candidato alla tecnologia energetica per le applicazioni spaziali.

Quali le specifiche caratteristiche che convincono di più?
L’alta potenza specifica (W/g), la sua “stampabilità”, il bassissimo costo, il processo di fabbricazione in soluzione, la resistenza intrinseca alle radiazioni, la compatibilità con le forme irregolari delle infrastrutture e la sua risposta unica per le irradiazioni in condizioni di scarsa luminosità.

Il costo non era molto importante per l’economia spaziale tradizionale, ma che dire della nuova economia spaziale con più attori commerciali privati?
È in effetti sempre più importante l’alta efficienza in dispositivi a basso costo. I FV a tripla giunzione III-V sono efficienti, ma molto costosi, mentre il fotovoltaico al silicio è a basso costo ma ha un’efficienza inferiori e dimensioni ridotte. La sfida principale è quindi quella di raggiungere una PCE >30% con un sistema a basso costo.

È una sfida in cui entrano in gioco in modo sempre più convincente quindi le celle in perovskite?
Esatto. Le celle tandem a base di perovskite possono assecondare questa esigenza grazie a una fabbricazione stampabile a basso costo e ad alte efficienze di fotoconversione. In particolare, le celle tandem flessibili in perovskite, che finora hanno raggiunto il 25% di PCE, possono essere realizzate con pesi ridotti e flessibilità, due vantaggi per le celle fotovoltaiche nelle missioni spaziali.

Quali sono le ultime scoperte scientifiche in tale direzione?
Le celle solari a perovskite hanno raggiunto, nel corso degli anni, una formidabile efficienza di conversione di potenza del 25,7%, mentre in configurazione tandem ha raggiunto il 33.7% di efficienza. Una delle strategie responsabili dello sviluppo di celle solari a perovskite stabili e altamente efficienti è la modifica dei cationi monovalenti del sito A (metilammonio, formamidinio, cesio, ecc.) nelle perovskiti di alogenuri di piombo. È stato studiato sistematicamente l’impatto della modifica dei cationi monovalenti nelle perovskiti di alogenuro di piombo sul loro comportamento optoelettronico, di trasporto di carica e fotovoltaico. Sono state confermate la riduzione della densità di trappole e il miglioramento della mobilità dei portatori di carica dopo l’introduzione di FA e Cs nel sistema MAPb(I0,85Br0,15)3. L’ulteriore passivazione della perovskite a triplo catione con K e Rb migliora le caratteristiche optoelettroniche, il trasporto di carica e l’efficienza di estrazione della carica nelle celle solari a perovskite alogenata.

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