Nuovi progressi per le celle solari indoor
Non solo sotto il sole battente. Le celle fotovoltaiche di nuova generazione sono progettate per essere utili anche in ambienti chiusi dove l’unica luce a disposizione è quella diffusa o artificiale. Parliamo in realtà di una sottocategoria precisa della tecnologia solare: il fotovoltaico da interni o indoor, segmento “storico”, oggi al centro di nuove attenzioni da parte del mondo della ricerca.
Le ultime in ordine di tempo sono quelle ricevute dal Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, in Germania. Qui un gruppo di ricercatori, combinando insieme i risultati di diversi progetti scientifici, ha realizzato una cella solare da interni con un’efficienza di conversione del 40%.
Come funziona il fotovoltaico da interni?
A differenza dei moduli e delle celle convenzionali che sfruttano la radiazione solare fino a 1000 W/m2, il fotovoltaico indoor può lavorare efficientemente in condizioni di illuminazione significativamente basse; generalmente si va da pochi milliwatt per metro quadrato a 1-2 W/m2.
Ovviamente minore è l’energia incidente, minore sarà la produzione. Tuttavia la tecnologia si sta dimostrando essenziale per la generazione di energia in dispositivi elettronici a basso consumo. Queste celle possono infatti consentire il funzionamento autonomo di sensori wireless e altri dispositivi intelligenti dell’Internet of Things (IoT), convertendo in modo efficiente la luce ambientale o artificiale in elettricità. E offrendo in questo modo diversi vantaggi per le applicazioni in cui la sostituzione della batteria o l’alimentazione cablata sono opzioni troppo dispendiose o non praticabili.
Fotovoltaico indoor in GaInP, efficiente e duraturo
In questo campo diverse tecnologie a bandgap regolabile hanno raggiunto elevate efficienze di conversione, come ad esempio la perovskite. Peccato che nella pratica manchino di stabilità a lungo termine.
Il lavoro del Fraunhofer ISE si inserisce esattamente a questo livello. Il team ha sviluppato celle solari da interni efficienti e di lunga durata, basate su semiconduttori III-V. Per la precisione gli scienziati si sono focalizzati sul fosfuro di gallio e indio (GaInP) che presenta un bandgap quasi ottimale di 1,9 eV per applicazioni indoor.
La dinamica dei portatori di carica in GaInP di tipo p e di tipo n
Nel loro studio hanno esaminato la dinamica di elettroni e lacune in GaInP di tipo p e di tipo n in condizioni di bassa iniezione di “portatori di carica in eccesso”. Cosa significa bassa iniezione di portatori? Che la concentrazione delle coppie elettrone-lacuna generate dalla luce – quindi i portatori carica in eccesso – risulta inferiore alla concentrazione dei portatori di carica maggioritari già presenti nei semiconduttori drogati.
Nel dettaglio in un semiconduttore di tipo n, gli elettroni liberi sono i portatori maggioritari e le lacune quelli minoritari. In un semiconduttore di tipo p, il contrario.
“Abbiamo scoperto che un tipo specifico di cella solare, la cella GaInP di tipo n, offre prestazioni significativamente migliori rispetto alla variante drogata con p”, spiega Malte Klitzke, autore principale dello studio e ricercatore presso il Fraunhofer ISE. “Le celle GaInP di tipo n trattengono i portatori di carica più a lungo e hanno prestazioni migliori, anche in condizioni di scarsa illuminazione. Per questo motivo, nei nostri esperimenti siamo riusciti a raggiungere efficienze molto elevate nella conversione della luce interna in elettricità.”
Per la precisione il materiale di tipo n ha mostrato tempi di vita dei portatori di carica minoritari due ordini di grandezza superiori in condizioni di scarsa illuminazione grazie ad una significativa riduzione della ricombinazione non radiativa.
I risultati
Una volta testato, il fotovoltaico da interni a eterogiunzione posteriore a base di GaInP di tipo n ha mantenuto densità di portatori di carica in eccesso più elevate. Ciò ha portato a fattori di riempimento (FF) e tensioni a circuito aperto (VOC ) superiori rispetto alle celle a omogiunzione che usano assorbitori di tipo p.
A 100 lux – livello di illuminazione molto basso – la cella del Fraunhofer ISE ha mostrato una VOC di 242 mV e un’efficienza del 37.5%. A arrivando fino al 41.4% a 1000 lux.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Applied Physics Letters (testo in inglese).
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