Le celle solari a perovskite (PSCs) sono una tecnologia fotovoltaica innovativa con efficienza molto vicina a quella delle tradizionali tecnologie al Silicio. Tuttavia, I dispositivi a base di perovskite hanno una bassa stabilità in condizioni ambientali, in particolare in condizioni di elevate umidità relativa (RH%). L’umidità causa la degradazione della perovskite e, di conseguenza, un peggioramento dell’efficienza (PCE). La nostra invenzione affronta il problema di stabilità introducendo il materiale altamente idrofobico ZIF-8 all’interno del dispositivo; questo permette di avere una barriera contro l’umidità che previene la degradazione della perovskite aumentando il tempo di vita del dispositivo.
Stato del brevetto
Depositato
Numero di priorità
102021000031412 PCT/IB2022/062299
Data di priorità
15/12/2021
Licenza
INTERNAZIONALE
Mercato
L’instabilità delle celle solari a perovskite è il maggior problema da affrontare per rendere commerciabile questa tecnologia. Attualmente, sono stati fatti numerosi investimenti in ambito accademico e industriale per risolverlo. Il mercato delle celle solari a perovskite ha un potenziale mercato stimato di 5-10 miliardi USD dal 2030 (alliedmarketresearch.com). La nostra invenzione si posiziona inizialmente in una nicchia di questo mercato, con un target nel settore accademico, per poi svilupparsi su larga scala al mercato industriale.
Problema
Le celle solari a perovskite sono dispositivi fotovoltaici che si pongono come la nuova frontiera nel campo delle energie rinnovabili. Le efficienze raggiunte (25.7%) sono molto vicine a quelle dei pannelli al silicio; tuttavia, grazie alla loro processabilità, alle eccellenti proprietà optoelettroniche, e alla scalabilità industriale della loro produzione sono la tecnologia più promettente per sostituire quelle attuali. Le perovskiti hanno una struttura cristallina del tipo ABX3 in cui A è il catione organico (metilammonio, formammidinio), B è il catione metallico (Pb2+) e X è l’alogeno. Condizioni di elevata umidità causano la formazione del complesso idrato che, a sua volta, porta alla deformazione strutturale della perovskite. Questo porta a un peggioramento delle proprietà optoelettroniche e, infine, alla perdita in efficienza del dispositivo. Per risolvere tale problema sono state sviluppate diverse tecniche di incapsulamento in cui il dispositivo è isolato dall’ambiente esterno mediante l’uso di polimeri idrofobici. Tuttavia non tutti i dispositivi hanno mostrato un sufficiente aumento in stabilità tale da renderli commerciabili. Inoltre alcuni polimeri testati, come EVA, hanno mostrato alcune problematiche relative alla loro degradazione in condizioni di elevate umidità.
Limiti attuali tecnologie / Soluzioni
Attualmente, esistono diverse strategie per aumentare la stabilità delle celle a base di perovskite. L’uso di interlayers e passivanti tra il film sottile di perovskite e gli altri strati che compongono la cella ha permesso di aumentare la stabilità dei dispositivi, tuttavia non sono ancora comparabili ai tempi di lavoro raggiunti dai pannelli al silicio. Migliori risultati sono stati raggiunti con l’uso di incapsulanti polimerici usati nel processo di incapsulazione di laminazione vetro-vetro. La cella a perovskite viene isolata dall’ambiente esterno tramite incapsulamento tra due vetri; il butyl rubber viene utilizzato in questo processo come collante tra I vetri mentre i polimeri incapsulanti che agiscono da barriera contro l’umidità sono Surlyn, PDMS, EVA, ma anche POE (poliolefine) e TPU (poliuretano termoplastico). I parametri chiave per valutare l’efficacia di un incapsulante sono la trasmittanza nel range in cui lavora il materiale fotoassorbente, la Tg (temperature di transizione vetrosa), la resistenza alla delaminazione, stabilità chimica, WVTR (water vapor transmission rate), e OTR (oxygen transmission rate). Il butyl rubber utilizzato come collante ha ottimi valori di WVTR e OTR ed ha mostrato ottime proprietà adesive. Tuttavia I polimeri incapsulanti polimerici hanno elevati valori di WVTR e OTR, questo significa che ossigeno e umidità possono penetrare più facilmente all’interno del dispositivo causando la degradazione della perovskite.
Killer Application
Mediante l’uso della nostra tecnologia, l’introduzione di un materiale idrofobico come lo ZIF-8 all’interno dell’incapsulante permette di aumentare l’angolo di contatto del materiale rendendolo più idrofobico. L’applicazione dello ZIF-8 permette quindi di mantenere stabili l’efficienza (PCE) e gli altri parametri fotovoltaici, prevenendo il meccanismo di degradazione della perovskite. In particolare può essere usato per il:
Miglioramento delle prestazioni nella stabilità di celle solari a base di perovskite in ambiente accademico e di ricerca e sviluppo
Miglioramento delle prestazioni nella stabilità di pannelli solari a base di perovskite in applicazioni industriali
Tecnologia e nostra soluzione
L’integrazione dello ZIF-8 sulla superficie del materiale incapsulante rende quest’ultimo idrofobico. Lo ZIF-8 è un materiale poroso che fa parte della famiglia dei MOFs (metal-organic-framework) in cui l’atomo di zinco è coordinato al metil-imidazolio. La componente organica rende altamente idrofobico il materiale che può essere depositato sul polimero, aumentandone l’angolo di contatto e prevenendo sia la penetrazione dell’acqua sia dell’umidità. La PCE dei dispositivi con lo ZIF-8 hanno una maggiore stabilità delle performance rispetto ai devices con gli incapsulanti normalmente utilizzati.
Vantaggi
L’integrazione di materiali altamente idrofobici come lo ZIF-8 all’interno del polimero incapsulante permette di migliorare la stabilità delle celle solari a perovskite mentre mantiene costanti i parametri fotovoltaici e l’efficienza. L’applicazione dello ZIF-8 permette di migliorare le performance dei polimeri rendendoli potenziali candidate come materiali per l’incapsulamento. Inoltre lo ZIF-8 può essere sintetizzato facilmente tramite metodi solvotermici e l’integrazione nel dispositivo viene effettuata con semplici metodi di deposizione.
Roadmap
In futuro verranno sviluppati prototipi con differenti configurazioni: lo ZIF-8 integrato all’interno del materiale polimerico incapsulante e sulla superficie esterna del materiale sigillante. Successivamente, i dispositivi verranno testati tramite test specifici standardizzati in cui verranno valutati il WVTR e OTR dei materiali polimerici integranti ZIF-8.
TRL
Team
