Fotovoltaico in CdTe: a che punto siamo con l’efficienza?

Le celle solari al tellururo di cadmio rappresentano la tecnologia solare a film sottile più diffusa al mondo, ma le prestazioni presentano ancora ampi margini di miglioramento. Un nuovo approccio potrebbe ora aumentarne la tensione a circuito aperto del 13% e migliorare l'efficienza complessiva

Nella corsa globale all’energia solare, il fotovoltaico in CdTe si è ritagliato uno spazio speciale. Meno conosciuto dell’onnipresente fotovoltaico in silicio, questo segmento rappresenta in realtà la tecnologia a film sottile più diffusa a livello globale, merito di una resa energetica complessivamente buona e di un’applicabilità senza rivali. Tuttavia, con i nuovi trend tecnologici come il fotovoltaico bifacciale e la criticità di approvvigionamento per il tellurio, la ricerca di settore sta tentando di migliorare ulteriormente celle e moduli, sia sotto il profilo dell’efficienza che della sottigliezza.

Le ultime novità in questo campo arrivano da un gruppo di scienziati guidato dalla New York University. Il team ha realizzato un rivestimento protettivo estremamente sottile, essenziale per il processo produttivo, che aumenta le prestazioni delle celle solari al CdTe del 13%.

Per comprendere appieno i risultati, è opportuno fare qualche passo indietro.

Fotovoltaico in CdTe: cos’è e come funziona?

Le celle solari in tellururo di cadmio rappresentano la tecnologia fotovoltaica thin film più diffusa sul mercato globale. Il segmento conta una capacità di generazione installata di oltre 30 GWp (dato del 2023) a livello globale, con la maggior parte del parco in esercizio (circa il 40%) localizzato negli Stati Uniti.

Volendo schematizzare al massimo la loro architettura, è possibile suddividere la cella in una serie di strati che dal basso verso l’alto sono:

• Substrato: realizzato in vetro o plastica, fornisce supporto meccanico (e protezione) agli strati superiori.
• Contatto posteriore: raccoglie l’elettricità generata ed è realizzato in pasta di carbone infusa con rame o altri metalli.
• Strato fotovoltaico: l’assoribitore luminoso è composto sottile strato di CdTe di tipo p che è solitamente associato ad un substrato di solfuro di cadmio (CdS) formando una giunzione p-n.
• Strato di ossido conduttivo trasparente (TCO): a base di ossido di stagno drogato con fluoro (SnO₂:F) o di stannato di cadmio (Cd₂SnO₄) , è completamente trasparente e conduttivo, per permettere il passaggio sia della luce che dell’elettricità
• Strato di vetro.

I vantaggi

Il successo di questa tecnologia è ovviamente legato alle prestazioni. Il solare in CdTe in commercio vanta oggi un’efficienza di conversione del 21,4% lato cella, ma con un record di laboratorio del 23,1% raggiunto nel 2024 da First Solar. Non solo: il coefficiente di temperatura relativamente basso del tellururo di cadmio protegge le prestazioni in caso di temperature operative elevate. Inoltre come tutti i moduli fotovoltaici a film sottile sono molto leggeri e possono essere flessibili (a seconda del substrato scelto); il che significa che possono essere impiegati in applicazioni a basso peso e su superfici curve.

Esistono anche altri vantaggi. Le celle solari in CdTe presentano una durata estesa, una bassa energia incorporata (la somma di tutta l’energia utilizzata nella sua produzione), un processo produttivo rapido e una consolidata bancabilità.

Gli svantaggi

A differenza dei moduli fotovoltaici in silicio, che comprendono celle solari singole saldate assieme, i pannelli solari in CdTe sono integrati monoliticamente. Si tratta di un approccio in cui sottili strati elettronicamente attivi vengono depositati su substrati poco costosi (ad esempio, vetro) e le celle interconnesse vengono formate mediante successivi processi di contatto posteriore.

L’altro lato della medaglia? Durante la metallizzazione di questi moduli – ossia l’aggiunta del cablaggio metallico – si verificano spesso danni critici che abbassano la resa finale. Il processo ad alta temperatura di applicazione dei contatti metallici può infatti rovinare il materiale, in particolare ai confini in cui si incontrano regioni cristalline microscopiche. Questo danno crea vere e proprie barriere capaci di ridurre la potenza in uscita della cella.

Migliorare l’efficienza delle celle solari in CdTe

In aiuto arriva la ricerca condotta dalla New York University e pubblicata su ACS Applied Materials & Interfaces. Il team di ingegneri ha scoperto che l’applicazione tramite spin-coating di un ossido ultrasottile, prima di aggiungere contatti metallici, protegge il fotovoltaico in CdTe dai danni. Il gruppo ha testato allo scopo sia ossido di alluminio e gallio (AlGaOx) che ossido di silicio (SiOx), notando come in entrambi i casi il rivestimento si accumulasse naturalmente in corrispondenza dei punti deboli dell’unità.

Il risultato? Lo strato ha portato a notevoli miglioramenti nella potenza elettrica delle celle, aumentandone del 13% la tensione a circuito aperto. Anche il fattore di riempimento, un altro parametro chiave per l’efficienza, è migliorato, a condizione che lo strato di ossido rimanesse sufficientemente sottile da evitare un aumento della resistenza elettrica.

“Il rivestimento in AlGaOx protegge la cella durante l’evaporazione dei contatti in oro, che si formano ad alta temperatura e si condensano in superficie. Senza questa protezione, si danneggia l’interfaccia e si creano difetti che riducono le prestazioni del dispositivo”, spiegano gli scienziati.

Leggi l’articolo “Selective Isolation of Surface Grain Boundaries by Oxide Dielectrics Improves Cd(Se,Te) Device Performance” su ACS Applied Materials & Interfaces (2025).

FAQ sul fotovoltaico in CdTe