Fotovoltaico, se il silicio arriva al 36% di efficienza, la perovskite punta al 38%

Della perovskite e delle sue incredibili potenzialità nel settore del fotovoltaico, abbiamo parlato diverse volte, mettendo "in luce" come la ricerca veda in questo materiale non solo un'ottima alternativa al silicio ma anche, in senso più ampio, la migliore scelta possibile fra le componenti con cui produrre moduli solari.

Al netto di alcuni punti deboli, ad esempio la necessità di uno strato di copertura (generalmente il piombo, anche se si stanno già trovando diverse soluzioni) la perovskite, in forza del suo essere naturalmente ferro-magnetica, sta dimostrando di avere potenzialità enormi e, probabilmente, ancora sconosciute.

L’ultima interessante scoperta riguarda un particolare design per celle tandem perovskite/CIGS [ndr, copper indium gallium selenide, ovvero seleniuro di rame indio gallio] ed è fin da subito interessante soffermarsi sul fatto che queste celle inorganiche non contengono piombo.

Precisamente, hanno sottolineato i ricercatori, il design del modulo solare è costituito da una cella superiore che utilizza un assorbitore costituito da un materiale perovskite noto come CsGe0.5Sn0.5I3 e una cella inferiore basata su CIGS. I parametri strutturali di entrambe le celle sono ottimizzati collettivamente per ottenere la massima efficienza possibile.

Gli scienziati hanno costruito la cella superiore con uno strato di trasporto delle lacune (HTL) di ossido di nichel (II) (NiO), l'assorbitore di perovskite, uno strato di trasporto di elettroni di ossido di zinco (ZnO) e uno strato di ossido di stagno drogato con fluoro (TFO). La cella inferiore è stata costruita con uno strato di trasporto delle lacune Spiro-OMeTAD, un assorbitore CIGS, uno strato di trasporto degli elettroni costituito da ossido di titanio (TiO2) e uno strato di ossido di indio-stagno (ITO).

Secondo quanto riferito, i due diversi HTL sono in grado di fornire adeguati offset della distribuzione della banda di valenza e di conduzione.

Il gruppo di ricerca multi-accademico comprende scienziati della Southeast University e dell'University of Liberal Arts Bangladesh che hanno perfezionato un design "su misura" per questa particolare cella, andando a rivelarne il potenziale (tramite simulazione) scoprendo un'efficienza pari al 38,39% con una tensione di 2,48 V. Il metodo proposto, inoltre, risulta applicabile anche ad altre celle tandem, composte da materiali diversi.

"L'obiettivo principale di questo lavoro è trovare una combinazione efficiente di celle solari non tossiche ad alta efficienza in modo da risparmiare tempo e fatica prima di passare alla fabbricazione", hanno commentato gli accademici.

Gli scienziati hanno utilizzato il software di capacità delle celle solari SCAPS-1D (utilizzato anche da alcuni ricercatori indiani per celle di perovskite senza piombo, di cui abbiamo parlato qui), uno strumento di simulazione per celle solari a film sottile sviluppato dall'Università di Gand in Belgio, in grado di simulare le prestazioni delle celle inferiori e superiori ottimizzate separatamente.

"La cella fotovoltaica è modellata in questo software come una pila di strati, in cui sono specificati lo spessore di ogni strato, il drogaggio e altre proprietà fisiche dei materiali che lo compongono", hanno spiegato il team.

Per identificare lo spessore ottimale per l'assorbitore della cella superiore, i ricercatori hanno simulato il dispositivo variandone lo spessore da 100 nm a 1000 nm, fino a individuare il punto ideale "Abbiamo osservato che l'efficienza aumenta gradualmente da 100 nm a 1000 nm, iniziando quasi a saturare a 800 nm e quindi massimizzando a 1000 nm con un valore del 36,25%", hanno affermato.

La simulazione ha inoltre mostrato che le celle superiore e inferiore possono raggiungere un'efficienza potenziale rispettivamente del 24,656% e del 25,062%. "Per entrambe le sottocelle, la densità di corrente coincide con circa 18,64 mA/cm2, il che significa la corrente corrispondente", hanno affermato gli accademici. "I risultati dimostrano che la tensione della cella superiore (1,4885 V) e della cella inferiore (1,0006 V) si sommano per produrre una tensione di cella tandem di 2,48 V, con la cella superiore superiore dominante a causa della sua tensione a circuito aperto relativamente elevata valore".

Nella simulazione, la cella tandem ha raggiunto un'efficienza del 38,39%, una tensione a circuito aperto di 2,48 V, una densità di corrente di cortocircuito di 18,64 mA cm−2 e un fattore di riempimento dell'83,40%. "Le matrici prestazionali della struttura tandem proposta superano quelle indicate nella letteratura più recente", ha concluso il team.

Lo studio "Outstanding conversion efficiency of 38.39% from a Perovskite/CIGS tandem PV cell: A synergic optimization through computational modeling", è pubblicato su Heliyon.