Con una svolta significativa per la tecnologia fotovoltaica, i ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) e della Humboldt-Universität tedeschi hanno raggiunto un nuovo record mondiale di efficienza di conversione dell'energia pari al 25,5% per una cella solare tandem CIGS alla perovskite-. Questo traguardo, certificato dall'ESTI (European Solar Test Installation), rappresenta l'efficienza più alta mai registrata per questa specifica combinazione di materiali e segna un importante passo avanti nello sviluppo delle tecnologie solari a film sottile.
L'architettura tandem
Questo dispositivo è in grado di raggiungere un record mondiale in termini di efficienza grazie al suo design che utilizza sia una cella superiore (perovskite) che una cella inferiore (CIGS) che insieme costituiscono quella che è nota come una "struttura tandem monolitica". Pertanto, ciascuna parte della cella assorbe e converte l'energia solare a diverse lunghezze d'onda all'interno dello spettro solare-ovvero, la cella superiore assorbe la luce ad alta energia (ultravioletta); mentre la cella inferiore assorbe la luce a bassa energia (infrarossi). Come risultato di questa struttura, la parte superiore della cella superiore e quella inferiore della cella inferiore assorbiranno parti diverse dello spettro solare con un'efficienza maggiore di quella che ciascun singolo dispositivo otterrebbe da solo; creando così un aumento dell'efficienza totale quando i due dispositivi lavorano insieme in una disposizione tandem.
Innovazioni tecniche dietro la svolta
Per raggiungere questo record, i ricercatori dell'HZB e della Humboldt-Universität hanno ottimizzato sistematicamente molteplici aspetti dell'architettura del dispositivo. Hanno esplorato le celle inferiori basate su CIGS- con band gap accuratamente calibrati di 1,05 eV e 1,1 eV, insieme a due diversi spessori di strati di ossido di zinco drogato con alluminio-. Questa meticolosa progettazione del bandgap ha consentito loro di abbinare meglio la generazione corrente tra le sottocelle superiori e inferiori-un fattore critico nelle prestazioni dei dispositivi tandem.
Il team ha inoltre condotto uno screening approfondito dei materiali degli strati di trasporto dei fori, testando varie combinazioni di ossido di nichel (NiOx) e monostrati autoassemblati (SAM). Questi strati di interfaccia svolgono un ruolo cruciale nell'estrazione dei portatori di carica fotogenerati, sopprimendo al contempo le perdite per ricombinazione-un meccanismo di limitazione dell'efficienza primaria-nelle celle solari. Identificando le configurazioni ottimali dell'interfaccia, i ricercatori sono stati in grado di migliorare contemporaneamente la selettività di carica e ridurre al minimo le perdite di energia sui contatti.
Forse la cosa più importante è che il team ha perfezionato la formazione dei contatti elettron-selettivi controllando con precisione la velocità di evaporazione termica iniziale del buckminsterfullerene (C60) depositato su uno strato di passivazione ultrasottile di fluoruro di litio (LiF) da 1 nm. Questo approccio sofisticato ha consentito quella che hanno descritto come "una formazione di interfacce più controllata e un migliore allineamento elettronico", dimostrando che l'ingegneria su scala nanometrica degli strati di contatto può produrre sostanziali miglioramenti delle prestazioni.
Dalla cella di laboratorio al modulo pratico
Sebbene l'efficienza record sia stata raggiunta su un dispositivo di piccola-area di 1.081 cm², i ricercatori hanno dimostrato che le loro ottimizzazioni potevano essere tradotte in formati più grandi. Utilizzando una pila simile di materiali, hanno fabbricato un mini-modulo con un'area di 2,25 cm² che ha raggiunto un'efficienza di circa il 19,7%. Sebbene ciò rappresenti un calo significativo rispetto all'efficienza delle piccole-cellule, fornisce prove incoraggianti del fatto che l'interfaccia sottostante e le strategie di contatto possono essere adattate oltre l'ambito del laboratorio.
Un trampolino di lancio, non la destinazione finale
Forse l’aspetto più interessante di questo annuncio è ciò che suggerisce sul potenziale futuro. Il ricercatore dell'HZB Guillermo Farias Basulto ha osservato che "la fisica alla base della nostra attuale architettura cellulare indica che il 25,5% è solo una pietra miliare iniziale". I test interni-di progetti simili hanno già raggiunto efficienze fino al 27,5%, il che significa che il concetto fondamentale del dispositivo ha ancora un notevole potenziale non sfruttato.
La ricerca è stata condotta nell'ambito del progetto "SOLMATES", un'iniziativa finanziata dall'UE-guidata da HZB per esplorare l'integrazione delle tecnologie CIGS e perovskite. Il precedente record di HZB nell'ambito di questo programma era pari al 24,6%, rendendo il salto al 25,5% un passo avanti significativo, anche se incrementale.
Implicazioni per l'industria solare
Questo risultato ha un significato importante per l’industria delle celle solari. Una cella CIGS a film sottile-presenterà numerosi vantaggi rispetto alle celle solari a film sottile-convenzionali, tra cui la flessibilità, la capacità di funzionare bene in condizioni parzialmente illuminate e i bassi costi di produzione. Combinando i vantaggi delle celle CIGS con i vantaggi delle celle alla perovskite, le celle CIGS hanno il potenziale per essere utilizzate per nuove applicazioni nell'elettronica flessibile e nel BIPV, dove le celle al silicio non possono essere utilizzate.
I risultati dello studio indicano inoltre che i tandem CIGS-alla perovskite sono competitivi con i sistemi tandem basati sul silicio-. Oltre a poter essere fabbricati utilizzando solo una pellicola sottile, possono anche essere realizzati utilizzando meno di un micrometro di materiale. Il loro design ultra-leggero e flessibile offrirà nuove opportunità per il loro utilizzo nella creazione di-soluzioni integrate o applicazioni elettroniche portatili.
La strada da percorrere
Sebbene il 25,5% sia un risultato degno di nota, il limite di efficienza teorico per i tandem CIGS-di perovskite supera il 30%. Il divario tra i dati attuali e questo limite teorico suggerisce che rimangono possibili miglioramenti sostanziali attraverso la continua ottimizzazione della qualità dei materiali, dell’ingegneria dell’interfaccia e della gestione ottica. L'approccio sistematico del team tedesco-che esplora molteplici gap di banda, combinazioni di livelli di trasporto e strategie di ingegneria dei contatti-fornisce un modello metodologico per gli sforzi futuri.
Mentre l’industria solare globale continua la sua rapida espansione, le innovazioni nella tecnologia delle celle tandem svolgeranno un ruolo sempre più importante nel ridurre il costo dell’elettricità solare. Il raggiungimento da parte dei ricercatori tedeschi di un'efficienza del 25,5% per i tandem CIGS di perovskite- rappresenta non solo un nuovo record mondiale, ma una dimostrazione dello straordinario potenziale che si trova all'intersezione di questi due straordinari sistemi di materiali. Con i-risultati interni che già suggeriscono che il 27,5% è a portata di mano, e con il limite teorico ancora molto più alto, il viaggio verso un'efficienza solare davvero trasformativa è lungi dall'essere finito.
