Verso celle solari tandem perovskite/silicio efficienti, scalabili e stabili
È la nuova punta di diamante della ricerca solare, sebbene abbia ancora molta strada da compiere. Parliamo del fotovoltaico in perovskite-silicio, una tecnologia tandem che ha già raggiunto un’efficienza di conversione del 34%. Ben oltre, dunque, il limite di Shockley-Queisser per celle in silicio a singola giunzione, ma allo stesso tempo lontano dal proprio limite.
È qui che entra in campo uno studio condotto dall’Università Politecnica di Hong Kong (PolyU). Qui, un team di ingegneri ha elaborato una revisione degli studi di settore per individuare le principali sfide in termini di stabilità, scalabilità e affidabilità del fotovoltaico perovskite-silicio e le prospettive future.
“Sebbene i dispositivi su scala di laboratorio abbiano mostrato notevoli progressi in termini di efficienza, sono necessari ulteriori sforzi per migliorarne l’affidabilità, inclusa la riduzione al minimo delle perdite di efficienza passando dai dispositivi di piccola area ai moduli di grande area”, ha affermato Li Gang, professore ordinario di tecnologia di conversione dell’energia. “Particolare attenzione dovrebbe essere rivolta anche a garantire che la producibilità dei materiali e dei metodi sia in linea con gli standard industriali”.
Il problemi del fotovoltaico perovskite/silicio
Le perovskiti, grazie alla possibilità di regolare il loro bandgap in fase di sintesi, sono materiali perfetti per il fotovoltaico multigiunzione. Nei dispositivi tandem, ossia a due giunzioni, vengono solitamente impiegate perovskiti a bandgap ampio (1,63–1,7 eV) come celle superiori, in coppia con assorbitori a bandgap stretto (NBG), come ad esempio il silicio o persino altre perovskiti, per quelle inferiori.
Il risultato migliore, ovviamente, è stato ottenuto con lo storico semiconduttore solare. L’accoppiata perovskite/silicio cristallino ha raggiunto un‘efficienza di conversione record del 34,85%, superando il precedente record del 32,9% stabilito dal fotovoltaico tandem in GalnP/GaAs III-V.
Nonostante ciò, non sono ancora stati sviluppati processi produttivi compatibili con l’industria. Non solo. Oltre all’aumento di scala di questi dispositivi, è necessario anche migliorare il rendimento energetico — alzando l’efficienza e la stabilità — e ridurre il costo livellato dell’elettricità — agendo sui costi di produzione.
Come realizzare, dunque, il pieno potenziale delle celle solari perovskite/silicio? Comprendendo i meccanismi delle due principali perdite energetiche. Vale a dire:
- le perdite ottiche, dovute principalmente alla riflessione e all’assorbimento parassita.
- le perdite elettriche, derivate dalla ricombinazione non radiativa e dalle perdite di trasporto dei portatori.
“Questa Review discute in dettaglio queste perdite e fornisce linee guida per migliorare ulteriormente l’efficienza tandem, al fine di sfruttare il pieno potenziale”, scrivono gli scienziati.
Le strategie di intervento
Per minimizzare le perdite ottiche — spiegano gli scienziati — si possono implementare diverse strategie:
- Impiegare elettrodi, strati di trasporto e strati di interconnessione ad alta trasmittanza per minimizzare l’assorbimento parassita.
- Fabbricare rivestimenti antiriflesso.
- Testurizzare le interfacce.
- Ottimizzare l’adattamento dell’indice di rifrazione per ridurre le perdite per riflessione.
Le perdite elettriche possono essere attenuate migliorando la qualità cristallina delle perovskiti WBG, impiegando l’ingegneria degli additivi per una gestione sistematica dei difetti e sviluppando materiali di trasporto adatti.
Sebbene siano stati condotti test preliminari in esterno sulle celle solari tandem a base di perovskite/silicio, i dati certificati sulla loro affidabilità a lungo termine rimangono scarsi. Per valutare meglio l’effettiva durata di vita e il potenziale commerciale di queste celle, i ricercatori raccomandano rigorosi test di stabilità accelerati basati su procedure standardizzate delineate dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale. La ricerca promuove inoltre lo sviluppo di alternative sostenibili all’uso di elementi rari o tossici, insieme a strategie efficienti di riciclaggio o sequestro del piombo, per consentirne una commercializzazione sostenibile.
Lo studio Towards efficient, scalable and stable perovskite/silicon tandem solar cells è stato pubblicato su Nature Photonics.