By Venetia 
Silvia Mariotti – Google Scholar
Le celle solari tandem a perovskite-silicio, che hanno recentemente fatto notizia per le loro prestazioni record, sono ora oggetto di spiegazioni scientifiche dettagliate. Questi dispositivi possono convertire circa un terzo della radiazione solare incidente in energia elettrica, un risultato impressionante, specialmente considerando il potenziale costo contenuto di questa tecnologia. Un team del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ha fornito dati scientifici e ha descritto questo progresso sulla rivista Science.
Il professor Steve Albrecht, a capo di un gruppo di ricerca sulle celle solari tandem a perovskite presso l’HZB, ha dichiarato: “Questo traguardo è stato possibile grazie alla nostra esperienza sia nella tecnologia delle eterogiunzioni in silicio che nelle celle solari a perovskite, frutto di una stretta collaborazione”. I ricercatori hanno già stabilito diversi record mondiali di efficienza per le celle solari tandem.
Le celle solari tandem hanno fatto notizia anche nel dicembre 2022, quando hanno raggiunto un nuovo record di efficienza, convertendo il 32,5% della luce solare incidente in energia elettrica. Questo record è stato superato nel mese di aprile 2023 da un gruppo del PV Lab del KAUST in Arabia Saudita. Il campo della ricerca è altamente competitivo, con molti gruppi che lavorano a livello globale.
Ora, il team dell’HZB è nuovamente il primo a presentare una pubblicazione tecnica rigorosa e peer-reviewed con dati misurati precisi e dettagli sulla struttura della cella tandem. Albrecht e il suo team hanno utilizzato un composto di perovskite notevolmente migliorato e una modifica della superficie tramite una nuova molecola di ioduro di piperazinio sviluppata dai ricercatori post-dottorato Dr. Silvia Mariotti e Dr. Eike Köhnen. Questa innovazione ha ridotto notevolmente la ricombinazione delle cariche e le perdite associate.
Utilizzando tecniche di misurazione specializzate, i ricercatori sono stati in grado di analizzare i processi fondamentali alle interfacce e nei vari strati della cella tandem, ottimizzando ulteriormente le prestazioni sulla base di una comprensione più profonda. Questi sviluppi sono stati poi integrati nelle celle solari tandem, con ulteriori aggiustamenti all’elettrodo superiore per migliorare l’ottica.
Numerosi esperti di diversi istituti hanno contribuito alla produzione e allo sviluppo delle celle tandem. Un gruppo dell’Università di Potsdam ha effettuato misurazioni optoelettroniche avanzate delle celle singole e tandem; le nuove molecole per la modifica della superficie sono state sintetizzate al Joxe Mari Korta Center di San Sebastián, in Spagna; e un team dell’Università Tecnica di Kaunas, in Lituania, ha assistito nel processamento dei nuovi composti di perovskite di altissima qualità. Solo combinando tutte queste modifiche è stato possibile raggiungere valori massimi di fotovoltaggio (tensione a circuito aperto) e photocurrent, e quindi efficienza.
Sviluppi Imponenti negli Anni Recenti
Negli ultimi anni, vari istituti di ricerca e aziende fotovoltaiche in tutto il mondo hanno continuamente migliorato l’efficienza delle celle solari. In particolare, gli ultimi due anni sono stati molto entusiasmanti: i team dell’HZB hanno raggiunto un valore record di poco meno del 30% (29,8%) per le celle solari tandem in silicio e perovskite alla fine del 2021, introducendo strutture nanometriche periodiche nelle celle solari.
Nell’estate del 2022, l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera ha riportato una cella tandem certificata con un’efficienza del 31,3%. Da dicembre 2022 a metà aprile 2023, il record mondiale è tornato all’HZB con un valore del 32,5%, fino a quando il laboratorio di fotovoltaico del KAUST in Arabia Saudita ha dimostrato una cella tandem perovskite-silicio con un’efficienza del 33,2%. KAUST è riuscito a incrementare ulteriormente questo valore al 33,7% nel maggio 2023.
“Siamo molto entusiasti di questi straordinari progressi nella nostra disciplina scientifica”, ha affermato Albrecht. “Questi risultati ci danno speranza che questa tecnologia possa dare un contributo significativo a un approvvigionamento energetico sostenibile nella lotta contro il cambiamento climatico nei prossimi anni, poiché la scalabilità e la produzione industriale delle celle solari tandem a perovskite/silicio sono anche fattibili”.
Il direttore scientifico dell’HZB, professor Bernd Rech, ha dichiarato: “L’efficienza delle celle solari a silicio/perovskite è ora in un intervallo precedentemente raggiunto solo da costosi semiconduttori III/V. Le tecnologie per la produzione di tali celle tandem sono già disponibili in linea di principio e potenzialmente a basso costo; ora l’attenzione si concentra su ulteriori miglioramenti nell’area della stabilità per l’uso esterno”.
Per ulteriori dettagli, puoi consultare l’articolo di Silvia Mariotti et al., “Ingegneria delle interfacce per celle solari tandem a tre haluri di perovskite-silicio ad alte prestazioni”, pubblicato su Science (2023). DOI: 10.1126/science.adf5872
Scopri di più sulle recenti scoperte e innovazioni nel campo delle celle solari seguendo questo link.