Le celle solari flessibili a film sottile tagliano un nuovo traguardo. Grazie ad un mix di semiconduttori perfettamente integrati e adesi, un gruppo di scienziati è riuscito a creare un’unità con un’efficienza del 24,6% e super flessibile. Al punto da poter essere piegata migliaia di volte senza perdere le sue prestazioni iniziali. Parliamo del nuovo fotovoltaico in perovskite/CIGS, cella tandem che combina in maniera monolitica una sottocella superiore in perovskite ad una sottocella inferiore in seleniuro di rame, indio e gallio.
L’efficienza del fotovoltaico in perovskite/CIGS
Non è la prima volta che questi due materiali si trovano in un’architettura multigiunzione. Come in tutti gli approcci tandem, l’obiettivo di base è superare il limite di Shockley-Queisser delle celle solari a singola giunzione, assorbendo una porzione più ampia dello spettro solare.
Obiettivo che oggi conta diversi tentativi e un record: quello raggiunto nel 2023 da un gruppo di ricercatori della Wuhan University grazie ad una cella solare perovskite/CIGS con un’efficienza del 28.4%. Un valore ancora imbattuto che tuttavia “nasconde una pecca”. Il primato appartiene infatti ad un’unità fotovoltaica tandem a 4 terminali anziché monolitica.
Una differenza non da poco.
FV tandem monolitico vs FV tandem a 4 terminali
Il fotovoltaico tandem a 4 terminali è composto da sottocelle fabbricate separatamente, poi impilate meccanicamente l’una sull’altra e collegate esternamente. Questo significa che ogni sottounità fornisce la propria tensione e genera la propria corrente in maniera indipendente.
L’aspetto negativo? Oltre alla complessità dei collegamenti esterni, questo approccio va incontro ad un maggior rischio di perdite di riflessione e assorbimento a causa della separazione degli strati.
Il fotovoltaico tandem monolitico, detto anche a 2 terminali, è caratterizzato invece da sottocelle fabbricate direttamente l’una sopra l’altra e collegate elettricamente in serie. In questo modo i diversi strati possono essere ottimizzati per assorbire porzioni specifiche dello spettro solare in sequenza, massimizzando l’utilizzo della luce incidente. Con la possibilità aggiuntiva di sfruttare alcuni effetti sinergici tra le sotto celle in grado di incrementare ulteriormente l’efficienza di conversione.
Di contro, la fabbricazione risulta molto più complessa. Per ottenere un buon risultato è necessario non solo che i diversi strati siano ben integrati ma anche che le correnti siano perfettamente bilanciate.
È a questo livello che si inserisce il lavoro dell’Accademia cinese delle scienze.
Il fotovoltaico in perovskite/CIGS flessibile ed efficiente
Il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Ye Jichun del Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) ha sviluppato un processo di fabbricazione con cui ottenere fotovoltaico in perovskite/CIGS monolitico ad alta efficienza e anche estremamente sottile e flessibile.
Il team si è concentrato su una sfida in particolare: migliorare la deposizione della perovskite sulla superficie ruvida della cella CIGS sottostante, evitando la formazione di difetti nella prima o una scarsa adesione.
Per farlo gli scienziati hanno impiegato monostrati autoassemblati – il cui compito è legarsi alla superficie del substrato per renderla più omogenea – integrando simultaneamente uno strato di nucleazione per la perovskite.
Attraverso un’innovativa strategia basata su solventi ad alta e bassa polarità, il gruppo ha potuto controllare attentamente le fasi di distribuzione e organizzazione dei monostrati autoassemblati ottenendo una buona interfaccia con lo strato di perovskite. Nel contempo lo strato di nucleazione pre-miscelato ha reso la superficie del CIGS più “bagnabile” e fornito i siti di crescita per i cristalli di perovskite.
I risultati
Grazie a questo approccio i ricercatori hanno realizzato una cella solare tandem flessibile monolitica in perovskite /CIGS da 1,09 cm² con un’efficienza stabilizzata del 24,6% (certificata al 23,8%). Uno dei valori più alti finora registrati per le celle solari flessibili a film sottile.
Dopo 320 ore di funzionamento e 3.000 cicli di piegatura con un raggio di 1 cm, il dispositivo ha mantenuto oltre il 90% della sua efficienza iniziale, dimostrando un’eccezionale durata meccanica e una stabilità a lungo termine.
i risultati della ricerca appaiono nell’articolo “Antisolvent seeding of self-assembled monolayers for flexible monolithic perovskite/Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells” su Nature Energy.
