Kesteriti – il materiale di prossima generazione per celle solari tandem ad alta efficienza
Le tecnologie della cella solare stanno diventando progressivamente più economiche e più efficienti in termini di conversione della luce solare in elettricità. Ulteriori progressi dipendono dal miglioramento delle tecnologie attuali secondo nuove modalità, utilizzando al contempo materiali a basso costo e stabili. «Un modo per ottenere prestazioni superiori è quello di usare celle solari tandem, dove due celle solari sono usate una sopra l’altra», afferma il prof. Bart Vermang, che è stato il responsabile del progetto SWInG, finanziato dall’UE. A differenza delle tecnologie concorrenti, i ricercatori hanno lavorato allo sviluppo di celle solari basate sulla kesterite, che si basano su elementi non tossici abbondanti sulla Terra. Questi semiconduttori complessi a composizione quaternaria sono ritenuti idonei a sostituire gli strati assorbitori contenenti indio nelle celle solari tandem a pellicola sottile. Migliori celle solari in kesterite con il germanio Le kesteriti sono composti semiconduttori formati dagli elementi rame, stagno, zinco e selenio. Questi semiconduttori possono essere usati quale materiale assorbitore ottico nelle celle solari tandem, con un’efficienza massima relativamente alta pari al 12,6 %. Il loro uso è molto apprezzato dal momento che sono composte da elementi comuni invece che da indio, evitando così un possibile rischio legato a una fornitura insufficiente. Cambiamenti specifici nella composizione di semiconduttori come la kesterite hanno reso possibile il miglioramento della loro idoneità quali strati assorbitori nelle celle solari. «Nonostante le interessanti proprietà fondamentali del materiale, le kesteriti hanno una banda proibita inferiore a 1,5 eV, un valore basso. La sostituzione di atomi di stagno con il germanio può incrementare la banda proibita ottica se combinata con una cella a bassa banda proibita in una struttura tandem, consentendo al materiale di convertire una percentuale più grande di luce solare in energia elettrica», fa notare il prof. Vermang. La squadra del progetto ha dimostrato che, inserendo il germanio al posto dello stagno nella kesterite, si ottenevano celle solari funzionanti che raggiungevano un’efficienza nella conversione di energia massima pari a 8,4 %, che è un valore record per questo materiale. Affrontare le sfide attuali con le celle solari in kesterite La squadra del progetto ha posto grande attenzione sullo sviluppo di processi per sintetizzare celle solari in kesterite con ampia banda proibita usando il germanio, oltre che sulla comprensione delle proprietà fisiche ed elettriche dello strato assorbitore per efficienze di conversione più alte. Le principali sfide per la ricerca che sono state affrontate includevano lo sviluppo di processi scalabili e di caratteristiche tecniche per la sintesi di assorbitori ad ampia banda proibita di alta qualità nonché per contatto posteriore e strati cuscinetto idonei. I ricercatori hanno utilizzato metodi di spettroscopia a raggi X duri e morbidi per l’analisi della struttura chimica ed elettronica degli strati assorbitori appena sviluppati e delle loro interfacce. Il loro lavoro è stato completato da metodi avanzati di caratterizzazione elettrica e materiale per indagare le proprietà della kesterite su scala atomica. Tutti questi dati hanno portato alla progettazione di un modello di cella solare che descrive la struttura della cella solare sviluppata in SWInG. SWInG ha fatto progredire la comprensione delle questioni fondamentali che influenzano l’efficienza della conversione di energia delle celle solari di kesterite con ampia banda proibita. «SWInG ha sviluppato nuove idee fuori dagli schemi che forniscono nuove strade tecnologiche per la sfida energetica in Europa e nel mondo. Questo progetto rappresenta un primo passo decisivo per migliorare notevolmente le prestazioni delle attuali tecnologie fotovoltaiche con un aumento ragionevole dei costi di fabbricazione e per sostenere lo sviluppo del mercato FV a pellicola sottile in Europa», fa notare il prof. Vermang.
Parole chiave
SWInG, germanio, cella solare in kesterite, strato assorbitore, efficienza conversione energia, ampia banda proibita, stagno
