Progettate celle solari tandem perovskite-organiche in grado di sopprimere l'effetto tunnel inverso, ottenendo un'elevata stabilità in condizioni di ombreggiamento
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Il fotovoltaico thin film resistente all’ombra del PolyU
L’ombreggiamento rappresenta un ostacolo all’efficienza dei pannelli solari. Ma per alcune tecnologie in particolare, come il fotovoltaico a film sottile (thin film), il problema non è solo la minor produzione elettrica. Che si tratti di pellicole a base di tellururo di cadmio (CdTe), seleniuro di rame indio gallio (CIGS), perovskiti o materiali organici, il rischio maggiore è un danno irreversibile che mini la stabilità operativa.
Danno di cui, in alcuni casi, si sa ancora poco a livello elettrochimico. A fare chiarezza è oggi una nuova ricerca della Hong Kong Polytechnic University (PolyU), i cui autori hanno sviluppato una cella solare tandem perovskite-organica “resistente all’ombra”.
Ombreggiamento celle solari, quali soluzioni?
Per inquadrare la questione è necessario fare una distinzione.
Gli studi di settore hanno dimostrato che la capacità di generazione di energia di un modulo fotovoltaico a stringa singola standard diminuisce di circa il 90% quando una specifica cella solare è completamente oscurata. Quindi l’output è compromesso, con il pericolo aggiuntivo di innescare un “effetto hot spot”, in cui le celle in ombra agiscono come dissipatori di energia termica.
Per i moduli commerciali in silicio, tuttavia, sono stati realizzati diversi strumenti in grado di aggirare il problema dell’ombra: dai diodi di bypass che forniscono un percorso alternativo alla corrente quando un gruppo di celle in serie è coperto o danneggiato, agli ottimizzatori di potenza e inverter di stringa avanzati, passando per le “nuove” mezze celle.
Molte di queste soluzioni risultano non applicabili al fotovoltaico thin film. I pannelli vengono, infatti, realizzati come un’unica grande pellicola su cui sono depositati strati microscopici di materiale, successivamente incisi per ottenere le celle. E per ognuno dei materiali attivi l’ombra incide in maniera differente.
La polarizzazione inversa
Lo studio si è focalizzato in particolare su due tecnologie: il fotovoltaico organico e quello in perovskite, particolarmente sensibili alla polarizzazione inversa (o reverse bias). “Questi materiali condividono una debolezza comune […] quando una cella solare viene parzialmente ombreggiata e genera una tensione negativa, le sue prestazioni costanti diventano difficili e i componenti possono persino danneggiarsi”, spiega l’ateneo in una nota stampa.
Ma cosa intendiamo per polarizzazione inversa? Intendiamo una tensione opposta a quella di normale funzionamento che si crea quando una cella va in ombra a causa dell’effetto tunnel inverso: la corrente scorre in senso inverso e anziché generare energia, la cella la assorbe e rischia di danneggiarsi.
Per le celle solari organiche in particolare il comportamento in condizioni di polarizzazione inversa e i meccanismi di trasporto di carica sottostanti sono stati poco studiati.
Il professor Li Gang e il suo team hanno fatto chiarezza su alcuni aspetti del processo rivelando come il motivo per cui i fotovoltaici organici si danneggiano in polarizzazione inversa risieda nei difetti noti come “stati di trappola profondi” all’interno dell’eterogiunzione di massa. “Queste trappole invisibili nel materiale della cella solare immobilizzano le cariche responsabili della generazione di energia, riducendo l’efficienza della cella e causandone persino il danneggiamento”.
FV thin film tandem resistente all’ombra ed efficiente
Una volta identificate e minimizzate le “trappole”, gli scienziati sono stati in grado di realizzare celle fotovoltaiche organiche con una tensione di rottura irreversibile superiora a -35 V. In altre parole in grado di sopportare enormi valori di tensione negativa senza bruciarsi o danneggiarsi. Una volta migliorato lo strato organico, i ricercatori hanno creato un fotovoltaico thin film resistente all’ombra con architettura tandem con la perovskite, in cui le celle organiche proteggono efficacemente lo strato di perovskite.
“Anche dopo l’esposizione a una polarizzazione inversa estrema di -40 V, i dispositivi tandem hanno mantenuto oltre il 90% della loro efficienza iniziale”, scrive l’Università. “Inoltre, queste celle solari tandem si sono dimostrate altamente stabili: dopo un funzionamento continuo a -20 V per 12 ore, hanno mantenuto il 90% della loro efficienza iniziale; e dopo un funzionamento continuo a -4,5 V per 2.000 ore, hanno mantenuto ben il 97% della loro efficienza iniziale, superando di gran lunga tutte le tecnologie solari a film sottile esistenti”.
Il tutto offrendo un’efficienza di conversione superiore al 26%, il che rende questa accoppiata sempre più vicina alle prestazioni richieste dal mercato. Si tratta di un risultato fondamentale per il settore fotovoltaico e non solo per le nuove conoscenze scientifiche sulla polarizzazione inversa.
Il lavoro del team ha ottenuto importanti progressi nella stabilità e nella durata di queste celle facendo progredire il loro sviluppo verso applicazioni pratiche. E aprendo la strada a un futuro post silicio, teoricamente meno costoso e meno geograficamente concentrato sotto il profilo della produzione industriale.
La ricerca “Perovskite–organic tandem solar cells with superior reverse-bias stability” è stata pubblicata su Nature Materials.
