Celle fotovoltaiche: un nuovo design delle celle tandem Perovskite-CIGS promette un'efficienza del 29,7%

I ricercatori dell'Università di Chitkara, in India, hanno progettato e simulato una cella solare tandem perovskite-CIGS; il risultato è stato un'efficienza del 29,7%.

Lo studio "Perovskite-CIGS Monolithic Tandem Solar Cells with 29.7% Efficiency: A Numerical Study" ha preso in esame una cella solare monoliticamente impilata a due terminali: la parte superiore in perovskite con un bandgap di energia di 1,68 eV, quella inferiore basata su CIGS, con un bandgap di 1,1 eV.

Il progetto aveva una tensione a circuito aperto più elevata, con la cella superiore che fungeva da cella di limitazione della corrente.

I ricercatori hanno condotto una simulazione numerica per prevedere le prestazioni e il comportamento del dispositivo, utilizzando il software di capacità delle celle solari SCAPS-1D, uno strumento di simulazione per celle solari a film sottile sviluppato dall'Università di Ghent in Belgio.

La squadra ha progettato la cella inferiore con un film di ossido di zinco indio (IZO) conduttivo e trasparente, seguito da uno strato tampone di ossido di stagno (IV) (SnO2), uno strato di perovskite e come strato di trasporto del foro il carbazolo metil-sostituito (Me-4PACz).

Per la cella superiore, la scelta è ricaduta sull'utilizzo di un substrato di ossido di indio-stagno (ITO), uno strato di solfuro di cadmio (Cds) e un assorbitore CIGS.

"Nella cella superiore, lo strato di perovskite funge da assorbitore per catturare i fotoni ad alta energia. Allo stesso modo, la cella inferiore utilizza lo strato CIGS per assorbire i fotoni a bassa energia", hanno affermato gli scienziati, evidenziando come entrambe le celle siano collegate tramite uno strato intermedio di ITO per fornire la corrispondenza corrente per la configurazione tandem.

Il team ha testato diversi spessori dello strato assorbitore CIGS, da 0,5 micrometri (μm) fino a 5 μm: in questo modo hanno potuto stabilire a 2,3 μm lo spessore perfetto, dove a un maggiore assorbimento di fotoni corrispondeva un aumento della densità di corrente.

Inoltre, è stato scoperto che esiste una saturazione della densità di corrente per lo spessore oltre 2,3 μm.

Con uno spessore dell'assorbitore ottimizzato di 2,3 μm, la cella inferiore mostrata nella simulazione può raggiungere un'efficienza di conversione di potenza del 16,26%, una tensione a circuito aperto di 0,64 V, una corrente di cortocircuito di 35,98 mA/cm2 e un riempimento fattore del 70,51%.

Lo spessore della cella superiore/inferiore del dispositivo tandem di 347 nm/2,0 μm ha mostrato un'efficienza del 29,72%, una tensione a circuito aperto di 1,92 V, una corrente di cortocircuito di 20,04 mA/cm2 e un fattore di riempimento del 77%.

"La caduta di tensione attraverso la cella solare tandem è la somma della caduta di tensione su entrambe le sottocelle individualmente", ha affermato il team, aggiungendo che la cella superiore eroga meno corrente rispetto alla cella inferiore nella configurazione autonoma e funge da cella di limitazione della corrente.

"La principale limitazione dell'approccio dello spettro filtrato adottato è che ignora le perdite di riflessione interfacciale e gli effetti di interferenza", si legge in una nota dello studio "Il metodo della matrice di trasferimento (TMM) potrà quindi essere utilizzato in futuro per calcolare uno spettro filtrato più accurato."