I ricercatori dell’EPFL PV-Lab sono riusciti a spingere ulteriormente avanti le prestazioni delle celle solari a tripla giunzione composte da due film di perovskite e una sotto-unità in silicio, migliorando la gestione dei portatori di carica
I progressi del fotovoltaico multigiunzione
Il limite di efficienza, teorizzato oltre il 40%, è ancora lontano, ma l’accoppiata perovskite-silicio a tripla giunzione sta compiendo enormi passi avanti verso la meta.
L’ultimo progresso è quello ottenuto nei laboratori dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), in Svizzera, dove un gruppo di scienziati ha segnato il nuovo record mondiale nella conversione della luce in elettricità con questo tipo di architettura: un 30,02% di efficienza su un’area attiva di 1 cm². Il valore supera di ben 2,92 punti percentuali il precedente primato, frutto della National University of Singapore.
Perovskite-silicio a tripla giunzione vs giunzione multipla III-V
Il risultato è stato certificato in maniera indipendente e, anche se ancorato alla scala di laboratorio, rappresenta un enorme successo. “Abbiamo dimostrato – spiega il ricercatore Kerem Artuk, primo autore dello studio pubblicato – che, grazie a una progettazione e a processi intelligenti, possiamo raggiungere livelli di prestazioni tradizionalmente riservati alle più costose celle solari a giunzione multipla III-V, utilizzate nello spazio e composte da più strati di semiconduttori. Queste possono raggiungere un’efficienza fino al 37% e costano circa 1.000 volte di più rispetto alle celle terrestri per watt”.
“Il nostro approccio – conclude Artuk – apre le porte a una nuova generazione di celle fotovoltaiche a giunzione multipla ad alta efficienza e industrialmente valide.”
I problemi della cella Perovskite/Perovskite/Si
Il lavoro degli scienziati dell’EPFL si è focalizzato su due degli attuali colli di bottiglia del fotovoltaico perovskite-silicio a tripla giunzione. Il primo è il deficit di tensione a circuito aperto (Voc) nella cella superiore composta da una perovskite a banda proibita larga. Questa unità ha il compito di catturare i fotoni ad alta energia (luce blu/UV) ma la tensione generata è spesso inferiore a quella teoricamente possibile in base al bandgap del materiale. Il motivo è principalmente legato ai difetti sulla superficie della perovskite o all’interfaccia con i livelli di trasporto di carica, che aumentando la ricombinazione dei portatori di carica.
Altro problema: la corrente totale del dispositivo è limitata dalla cella intermedia in perovskite che potrebbe non riuscire a catturare abbastanza fotoni per bilanciare il sistema. La causa? essenzialmente strutturale essendo questo strato solitamente più sottile degli altri due. Ma ovviamente essendo le diverse celle collegate in serie la corrente totale del dispositivo viene limitata da quella che ne genera meno.
La triplice soluzione
Per sciogliere questi nodi tecnici, il team ha apportato tre modifiche al materiale e al design ottico del dispositivo. Innanzitutto, ha aggiunto un additivo (la 4-idrossibenzilammina) che guida la formazione dei cristalli di perovskite eliminando i difetti e consentendo alla cella superiore di generare una Voc più elevata (1,4 V).
Per superare le limitazioni di corrente, invece, è stato messo a punto un nuovo metodo in tre fasi per fabbricare una cella intermedia con uno strato più spesso di perovskite ma uniforme e strutturalmente integro.
Il team ha anche aggiunto delle nanoparticelle in ossido di silicio tra la cella di silicio inferiore e la cella di perovskite intermedia. Queste particelle agiscono come un riflettore ottico rispedendo parte della luce solare verso la seconda cella e aumentando così sia l’assorbimento dei fotoni che la fotocorrente.
Lo studio Triple-junction solar cells with improved carrier and photon management, firmato da Kerem Artuk et al., è stato pubblicato su Nature (testo in inglese).
