I trattamenti post-deposizione aumentano l’efficienza delle celle solari a pellicola sottile
Il fotovoltaico (FV) che converte l’energia luminosa dal sole in elettricità è maturato a un ritmo rapido. Le celle solari al silicio di prima generazione continuano a svolgere un ruolo importante nel soddisfare i fabbisogni energetici globali. La produzione annuale globale di moduli fotovoltaici per celle solari di seconda generazione o a pellicola sottile è in crescita. Tuttavia, le efficienze sono state generalmente inferiori rispetto a quelle ottenute con le tecnologie di prima generazione. L’ambizioso progetto Sharc25, finanziato dall’UE, ha cercato di equilibrare le condizioni di gioco. Le celle solari a pellicola sottile sono realizzate depositando strati molto sottili di materiali semiconduttori (pochi micrometri o meno) su un substrato di supporto. Sharc25 si è concentrato principalmente sulle celle solari in seleniuro di rame indio gallio (CIGS) su substrati di vetro, ma non esclusivamente. Innovazioni di rilievo nell’elaborazione post-deposizione e nella progettazione dell’interfaccia hanno aperto la strada a risultati di livello mondiale. Nuovi trattamenti post-deposizione abbattono le barriere Secondo Wolfram Witte, coordinatore del progetto, quando Sharc25 è iniziato nel 2015, «solo pochi istituti di ricerca e aziende nel mondo avevano superato il 20 % di efficienza per le celle solari CIGS, utilizzando tipicamente il trattamento post-deposizione con fluoruro di potassio (KF-PDT)». I partner di Sharc25 ZSW ed Empa erano già tra questi. Oltre al processo KF-PDT per assorbitori CIGS, i ricercatori hanno potenziato il loro repertorio di PDT con metalli alcalini utilizzando il PDT con fluoruro di rubidio (RbF-PDT) o il PDT con fluoruro di cesio (CsF-PDT). I processi migliorati per la fabbricazione di assorbitori CIGS e il design dell’interfaccia avanzato hanno agevolato efficienze ancora più elevate. Nel giugno 2016, il progetto ha ottenuto un nuovo record mondiale per celle solari CIGS a piccola area su substrati di vetro, raggiungendo un’efficienza del 22,6 %. I substrati flessibili offrono una soluzione versatile per applicazioni sia su edifici che portatili. Sharc25 ha fatto passi in avanti anche in questo settore, ottenendo un altro risultato da record mondiale per una cella solare CIGS su substrato flessibile, ovvero un’efficienza pari al 20,8 %. La pubblicazione dei risultati e dei processi associati ha scatenato una nuova ondata di ricerca e sviluppo in tutto il mondo sull’uso del RbF-PDT o CsF-PDT, continuando a spingere le frontiere della tecnologia. Uno sguardo al futuro Le aziende partner stanno commercializzando la tecnologia a pellicola sottile ad alta efficienza, implementando i processi PDT con metalli alcalini per produrre moduli solari di grandi dimensioni da celle solari CIGS a pellicola sottile. Inoltre, le tecnologie di Sharc25 a pellicola sottile potrebbero presto trovare la loro strada nel fotovoltaico in perovskite di terza generazione. La perovskite sta attirando l’attenzione globale grazie a efficienze dimostrate superiori al 20 % insieme al suo elevato livello energetico dell’intervallo di banda. Gli scienziati di Sharc25 hanno fabbricato una cella solare CIGS efficiente al 18 % con RbF-PDT e un livello energetico dell’intervallo di banda ridotto, pari a 1,0 eV. Come spiega Witte: «Questo materiale è un candidato ideale per una cella di fondo in un’applicazione tandem con un materiale ad alto intervallo di banda quale la perovskite di terza generazione come cella superiore». Il team ha diffuso la notizia attraverso numerose presentazioni a conferenze e pubblicazioni prolifiche in riviste scientifiche sottoposte a revisione paritaria. Il consorzio ha anche organizzato due workshop internazionali pubblici di successo. «Sharc25 ha fornito spunti approfonditi sulla fisica delle celle solari CIGS a pellicola sottile ad alta efficienza utilizzando metodi di caratterizzazione avanzati, strumenti analitici, simulazione di dispositivi e modellazione funzionale della densità», conclude Witte. Grazie a questo approccio complementare, Sharc25 ha sviluppato nuovi metodi di miglioramento dell’efficienza, alcuni dei quali sono già stati trasferiti con successo nella produzione. Con nuovi record nell’efficienza delle celle solari CIGS, il team ha alzato il livello nel campo delle celle solari a pellicola sottile.
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