Ricercatori della Hebrew University: celle solari in perovskite flessibili, semitrasparenti e “color tunable” grazie a micro-pilastri stampati in 3D
Un problema pratico del fotovoltaico semitrasparente: estetica, trasmittanza ed efficienza si tirano spesso per la giacca
Le celle solari semitrasparenti sono tra i candidati più citati per le applicazioni “building-integrated photovoltaics” (BIPV), dove l’elemento fotovoltaico può diventare parte di finestre, facciate o superfici vetrate. Nella pratica, però, molte architetture ottengono trasparenza riducendo lo spessore dello strato assorbente o modificandone la composizione: due strade che possono ridurre la resa o complicare stabilità e riproducibilità. Il lavoro presentato dai ricercatori dell’Università Ebraica di Gerusalemme (Hebrew University of Jerusalem) propone un approccio diverso: non “indebolire” l’assorbitore, ma creare micro-aree inattive in modo controllato, mantenendo invariata la composizione della perovskite.
Chi ha fatto cosa: Magdassi ed Etgar, con una perovskite mista mantenuta invariata
La ricerca è firmata da Vikas Sharma, Ouriel Bliah, Tal Binyamin, Shlomo Magdassi e Lioz Etgar (Hebrew University of Jerusalem, Institute of Chemistry; Center for Nanoscience and Nanotechnology; Casali Center for Applied Chemistry). Nel protocollo descritto, gli autori indicano esplicitamente che il “gioco” non si fa cambiando l’assorbitore: la composizione perovskitica resta la stessa mentre si interviene su micro-patterning e elettrodo superiore trasparente per gestire, rispettivamente, trasmittanza e colore percepito.
La struttura del dispositivo: substrato flessibile, ITO e processi a bassa temperatura
I dispositivi sono realizzati su substrati plastici flessibili con ITO (indium tin oxide), scelta che impone temperature di processo contenute per non danneggiare il supporto. Per lo strato di trasporto elettronico in SnO₂, spesso associato a trattamenti termici elevati, il team adotta una deposizione da soluzione colloidale commerciale e testa diverse condizioni di ricottura (60 °C, 100 °C, 180 °C) abbinate a trattamento al plasma di ossigeno. Dall’analisi riportata, la finestra attorno ai 100 °C risulta un compromesso utile tra proprietà elettriche e compatibilità col substrato, e viene quindi usata per i dispositivi successivi.
“Stampare la trasparenza” invece di assottigliare la perovskite: pilastri polimerici UV e micro-finestre inattive
Il passaggio chiave è l’introduzione di array di micro-pilastri polimerici stampati in 3D via inkjet prima della deposizione dell’attivo. I pilastri sono ottenuti con un monomero UV-curable solvent-free progettato per formare elementi circolari regolari e, una volta reticolato, resistere ai solventi utilizzati negli step successivi. Quando viene depositata la perovskite, questa riempie gli spazi tra pilastri ma lascia le zone dei pilastri prive di materiale attivo: ne risulta una griglia di micro-aree trasparenti (“inactive windows”) che fa passare luce senza richiedere un assorbitore più sottile o chimicamente diverso.
Quanto cambia la trasmittanza: spaziatura dei pilastri e AVT nell’ordine del 34–35%
La trasparenza si regola variando la distanza tra pilastri: più pilastri (o spaziatura più “stretta”) significano meno area attiva e quindi più luce trasmessa. Al passo più spinto l’average visible transmittance (AVT) arriva a circa 34%, rispetto a circa 25% per un dispositivo comparabile senza pilastri. Gli autori riportano anche un esempio di dispositivo flessibile semitrasparente con AVT ~35% e PCE 9,2%, mettendo in evidenza il bilanciamento tra resa elettrica e qualità ottica.
Architettura dei contatti e parametri elettrici: Spiro-OMeTAD e elettrodo trasparente tipo D–M–D
Per completare la cella semitrasparente, viene impiegato Spiro-OMeTAD come hole transport layer e un contatto superiore trasparente realizzato come stack dielettrico–metallo–dielettrico (nel resoconto divulgativo viene citata una struttura MoOx/Au/MoOx). In questa configurazione, i valori indicativi includono Voc ~1,0 V, densità di corrente nell’ordine di 13–15 mA/cm² e fill factor attorno a 62–67%. L’introduzione dei pilastri riduce fisiologicamente l’area attiva (quindi la corrente disponibile), ma la strategia mira a controllare l’ottica senza introdurre penalità sulla chimica dell’assorbitore.
Il controllo del colore senza cambiare perovskite: cavità ottica nell’elettrodo superiore
Una volta impostata la trasparenza tramite micro-finestre, il team regola il colore percepito agendo sullo spessore dello strato superiore dell’elettrodo trasparente. L’idea è trattare lo stack trasparente come una cavità ottica: variando lo spessore del dielettrico (nell’ordine di 15–45 nm nel resoconto), cambia la lunghezza d’onda selettivamente riflessa, con uno spostamento del colore percepito (da toni viola verso giallo) mantenendo trasparenza sopra il 30%. In questa modalità “colorata”, le efficienze riportate scendono nell’ordine di 6–8%, coerentemente con un dispositivo che deve riflettere selettivamente parte della luce visibile per ottenere l’effetto cromatico.
Robustezza meccanica: perché i pilastri aiutano anche nella flessione
I pilastri non servono solo a “disegnare” l’ottica: nei test di bending citati, i dispositivi senza pilastri perdono circa metà dell’efficienza a raggio di 10 mm, mentre quelli con pilastri mantengono circa 85–90%. Anche su cicli ripetuti (ordine di 1000 cicli), viene riportata una ritenzione elevata. Dal punto di vista ingegneristico, una micro-struttura regolare può contribuire a distribuire meglio stress e micro-cricche, oltre a ridurre difetti localizzati nella deposizione dell’attivo attorno alle regioni inattive.
Stabilità e incapsulamento: il vero collo di bottiglia resta la protezione dall’ambiente
Per le perovskiti, stabilità e durabilità restano centrali: umidità, ossigeno, calore e stress operativi possono accelerare degradazione e perdita prestazionale. Viene citato un test di stabilità prolungato (ordine 1200 ore in condizioni ambientali e illuminazione) con una ritenzione superiore per i dispositivi con pilastri rispetto a quelli non strutturati. In parallelo, la letteratura tecnica insiste sul ruolo dell’incapsulamento e delle barriere per portare i dispositivi verso impieghi reali, specialmente in applicazioni edilizie dove cicli termo-igrometrici e UV sono inevitabili.
Impatto per BIPV e retrofit: controllare estetica e trasmittanza con parametri “di processo”
Per finestre e facciate, la richiesta non è solo “quanta energia”, ma anche quanto passa la luce, come appare la superficie e quanto dura. In questo senso, la proposta ha un aspetto pratico: la trasparenza viene regolata con la geometria dei pilastri (quindi con un parametro di stampa), mentre il colore viene regolato con lo spessore dell’elettrodo (quindi con un parametro di deposizione), senza cambiare la perovskite né inseguire ogni volta una nuova composizione per ottenere un’estetica diversa. Questo tipo di separazione tra funzione fotovoltaica (assorbitore) e funzione estetico-ottica (micro-pattern + elettrodo) può semplificare la transizione verso prodotti differenziati per architettura, dove le richieste “di design” variano da progetto a progetto.
