Un nuovo processo produttivo avvicina il fotovoltaico ad altissima efficienza alla scala industriale
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Le celle tandem composte da due semiconduttori, perovskite e silicio, possono raggiungere efficienze superiori rispetto alle celle solari convenzionali al silicio. Ma l’ostacolo ancora tutto da superare resta la produzione industriale. Dal mondo della ricerca del Karlsruhe Institute of Technology e dell’Università di Valencia arriva un nuovo studio pubblicato su Nature Energy, che apre nuove possibilità di miglioramento. Si tratta di una tecnica sottovuoto rapida e senza l’uso di solventi che deposita strati di perovskite uniformi su superfici di silicio texturizzate, superando una delle maggiori criticità nella produzione di massa.
E’ già noto da tempo nel settore fotovoltaico che le celle solari tandem rappresentino una delle frontiere più promettenti per superare i limiti di efficienza del fotovoltaico. Infatti, combinando uno strato superiore di perovskite con una cella di silicio sottostante, questi dispositivi riescono a sfruttare porzioni complementari dello spettro solare: la perovskite cattura la luce ad alta energia, mentre il silicio converte le componenti a energia inferiore. Il risultato è una conversione complessiva della luce solare nettamente superiore rispetto alle celle a singola giunzione.
Il problema fino ad ora, come dicevamo, è trasformare queste prestazioni da laboratorio in un processo industriale affidabile. Come fare? Depositare uno strato sottile di perovskite in modo rapido, uniforme e su ampie superfici – specie su silicio texturizzato – resta una sfida tecnica tutt’altro che banale.
Un processo sottovuoto che cambia le regole del gioco
I due gruppi di ricerca hanno perfezionato una tecnica nota chiamata sublimazione in spazio ristretto (Close-Space Sublimation, CSS), un processo sottovuoto che consente di depositare i materiali precursori della perovskite direttamente sulla cella di silicio, senza applicare solventi.
Il meccanismo è relativamente semplice: i precursori evaporano e, percorrendo solo pochi millimetri, si depositano sulla superficie del silicio dove reagiscono formando lo strato di perovskite. Il vantaggio? Tempi di conversione ridotti a 10 minuti, un risultato notevole, e un basso consumo di materiale per ciclo, con sorgenti riutilizzabili.
“Per la produzione industriale, non conta solo l’efficienza, ma anche la velocità, la robustezza e la scalabilità di un processo“, sottolinea il professor Ulrich Paetzold del KIT. “Siamo stati in grado di dimostrare che un processo sottovuoto eccezionalmente veloce non solo produce strati uniformi, ma genera anche celle solari a perovskite-silicio efficienti“.
La deposizione della perovskite su wafer microstrutturati è, infatti, uno dei nodi più critici per la scalabilità: ottenere film omogenei su geometrie non planari senza difetti, vuoti o variazioni locali di composizione è estremamente difficile.
Il ruolo del bromo nel controllo del band gap
Per ottenere un band gap adeguato, i ricercatori hanno dovuto risolvere un problema: durante la conversione, il contenuto di bromo, l’elemento chiave per aumentare il band gap, tendeva a disperdersi. La soluzione è arrivata dalla chimica dei precursori organici.
“Modificando il rapporto tra ioduro di metilammonio e bromuro di metilammonio nelle sorgenti organiche, siamo stati in grado di controllare il contenuto di bromo nel materiale finale”, spiega il dottor Alexander Diercks del KIT, che ha lavorato al progetto presso l’Università di Valencia nell’ambito del programma Horizon Europe Nexus.
Superfici lisce, nanostrutturate, microstrutturate
Un altro aspetto cruciale per la scalabilità industriale riguarda la morfologia della superficie del silicio. Le celle ad alta efficienza utilizzano spesso superfici texturizzate – con micro o nanostrutture – per allungare il percorso ottico della luce e massimizzare l’assorbimento. Il problema è che molti processi di deposizione funzionano solo su superfici perfettamente lisce.
Il team ha testato la sublimazione CSS su tre tipologie di sottocelle di silicio:
- Superfici lisce
- Superfici nanostrutturate
- Superfici microstrutturate
I risultati? Strati di perovskite uniformi su tutti e tre i tipi, senza necessità di modificare i parametri di processo. Le analisi al microscopio elettronico a scansione e le misure a raggi X hanno confermato una copertura omogenea. “Un processo che funziona solo su superfici perfettamente lisce sarebbe di utilità limitata per le applicazioni industriali“, osserva il professor Henk Bolink dell’Università di Valencia. «Il fatto che la sublimazione a distanza ravvicinata produca strati uniformi anche su celle di silicio texturizzate rende questo approccio estremamente rilevante per l’implementazione pratica».
| Tipo di superficie | Efficienza |
|---|---|
| Liscia | 23,5% |
| Nanostrutturata | 23,7% |
| Microstrutturata | 24,3% |
Cosa significa per il fotovoltaico di domani
I valori raggiunti dal 23,5 al 24,3% non sono risultati da record. Attualmente i migliori risultati di laboratorio sulle celle tandem perovskite-silicio superano il 33%, ma il vero dato di sicuro interesse a livello d’industria risiede nella dimostrazione che un processo rapido, senza solventi e compatibile con superfici industriali standard possa produrre dispositivi efficienti. Resta naturalmente il tema più difficile: la stabilità operativa nel lungo periodo. Portare queste celle a migliaia di ore di funzionamento reale mantenendo prestazioni elevate sarà probabilmente il vero banco di prova prima di una commercializzazione su larga scala.
