Fotovoltaico, la ricerca supera il 36% di efficienza con una cella solare a base di silicio

La ricerca nel settore dello sfruttamento dell'irradiazione solare per ricavare energia elettrica ha fatto un altro grande passo in avanti, con il risultato ottenuto dagli sforzi congiunti del Fraunhofer ISE e AMOLF. I due Istituti (rispettivamente tedesco con sede a Friburgo ed olandese con sede ad Amsterdam) hanno dichiarato di aver aver raggiunto un'efficienza del 36,1%.

Il modulo solare che ha segnato il nuovo record di efficienza è una cella multigiunzione a base di silicio e semiconduttori III-V come il fosfuro di gallio indio (GaInP) e arseniuro di gallio (GaAs), dotata inoltre di un nanorivestimento metallo/polimero appositamente progettato per ottimizzare la distribuzione dell'irraggiamento solare oltre l'angolo critico di riflessione interna della cella.

"Il team Fraunhofer è famoso in tutto il mondo per la fabbricazione di celle solari ad altissima efficienza basate su silicio e semiconduttori III-V come GaInP o GaAs...", ha affermato l'Istituto tedesco in una nota. "… Mentre gli accademici di AMOLF hanno accumulato molti anni di esperienza nell'ottimizzazione della gestione della luce nelle celle solari. In questo progetto abbiamo riunito queste conoscenze, raggiungendo questo risultato straordinario".

La cella si basa sulla tecnologia TOPCon sviluppata dal Fraunhofer ISE e su un nanorivestimento metallo/polimero appositamente progettato, fornito da AMOLF: l'Istituto olandese vanta una solida e vasta conoscenza nel settore, e ha pubblicato nel 2022 i risultati della sua ultima ricerca, "Record efficiencies in thin film photovoltaic cells".

Quest'ultimo è posizionato sul fondo della sottocella in silicio e, secondo quanto riferito, è l'elemento chiave dell'ottimizzazione della distribuzione della diffusione della luce oltre l'angolo critico di riflessione interna totale nella cella.

"In particolare, ottimizziamo la geometria di una serie esagonale di nano-dischi d'argento (Ag) integrati con il contatto posteriore Ag e mostriamo come passo, raggio e altezza dei singoli diffrattori controllano la distribuzione della potenza su diversi ordini di diffrazione, riducendo allo stesso tempo al minimo le perdite di dissipazione plasmonica nell'intervallo di lunghezze d'onda di interesse", hanno spiegato congiuntamente i due gruppi di ricerca.

Infine, tramite l'utilizzo della litografia con impronta conforme del substrato (SCIL), un'innovativa tecnologia di nanoimpronta su scala intera del wafer, gli accademici hanno fabbricato i riflettori posteriori metagrattanti nanostrutturati.

Una volta assemblate tutte le parti del modulo, gli accademici hanno collegato la celle superiore e quella inferiore mediante collegamento diretto del wafer a temperatura ambiente: ne è risultato un modulo solare quadrato di 2 cm x 2 cm comprendente contatti frontali, un rivestimento antiriflesso (ARC) e uno strato Ag spesso 1 μm sul lato posteriore che funge da contatto elettrico e specchio planare.

"Dopo la nanoimpronta e l'attacco, le cellule sono state rispedite al Fraunhofer ISE per un'immersione finale in HF [ndr, acido fluoridrico, tramite un processo illustrato anche da ENEA in questo documento] seguita dalla metallizzazione", ha aggiunto il team olandese.

Attraverso diverse valutazioni numeriche e sperimentali, il gruppo olandese-tedesco ha scoperto che l'efficienza quantica esterna (EQE) del dispositivo multigiunzione su un riflettore posteriore planare è migliorata di oltre 1,52 mA/cm2.

"Nel complesso, il nostro lavoro dimostra il potenziale dell'intrappolamento della luce nanofotonica per migliorare l'efficienza delle celle solari multi-giunzione a base di silicio, aprendo la strada a tecnologie di energia solare più efficienti e sostenibili", hanno affermato gli accademici.