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High Performance Wide Bandgap and Stable Perovskite-on-Silicon Tandem Solar Cells

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Silicio strutturato come possibile miglior partner delle perovskiti

Combinare perovskiti e silicio nelle celle solari tandem potrebbe abbattere la barriera dell’efficienza delle celle solari convenzionali e catapultare l’energia solare nella mentalità comune. La ricerca finanziata dall’UE ha messo in evidenza materiali, processi e metodi di fabbricazione in grado di renderlo presto possibile.

CAMBIAMENTO CLIMATICO E AMBIENTE

TECNOLOGIE INDUSTRIALI

© PV-LAB, EPFL

Il settore fotovoltaico (FV) si è evoluto enormemente dalla creazione della prima cella solare funzionale in silicio nel 1950. Nel 2018, a livello globale, è stata installata più capacità FV solare di qualsiasi altra tecnologia per la produzione energetica, persino più dell’insieme di tutti i combustibili fossili e dell’energia nucleare e più di tutte le altre fonti rinnovabili combinate. Nonostante i notevoli progressi, la quota dell’energia solare nel 2018 era ancora soltanto il 2 % della potenza d’uscita globale. Per penetrare il mercato, sono necessari notevoli aumenti nell’efficienza di conversione energetica al fine di consentire riduzioni percentuali dei costi a valle. Le perovskiti sono tra i materiali più promettenti a richiamare l’attenzione. Con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, il progetto POSITS ha applicato caratterizzazione e metodi di lavorazione high-tech al fine di far progredire la tecnologia per sfruttarne le potenzialità.

L’importante potenziale delle perovskiti

Mentre la tecnologia FV in silicio ha 65 anni di storia al suo attivo, le perovskiti sono sotto i riflettori da un decennio soltanto. Tuttavia, secondo il borsista del progetto dott. Terry Chien-Jen Yang, «le celle solari in perovskite hanno compiuto progressi senza precedenti in termini di efficienza di conversione energetica dal 3,8 % nel 2009 al 25,2 % certificato nel 2019». L’efficienza di queste celle può essere ulteriormente rafforzata combinando materiali con bande proibite differenti, per consentire un migliore utilizzo dello spettro solare. Ad esempio, le celle solari tandem che combinano il silicio con una banda proibita di 1,12 eV e le perovskiti con una banda proibita compresa nell’intervallo 1,65-1,7 eV dispongono del potenziale per raggiungere efficienze superiori al 30 %, valori fuori dalla portata del solo silicio.

Coltivare una tecnologia emergente e superare le sfide

Il metodo più efficace per regolare la banda proibita delle perovskiti è attraverso la sostituzione degli alogenuri. Tuttavia, ciò può portare a instabilità. Come spiega Yang, «Uno dei problemi principali è la segregazione di fase fotoindotta, un fenomeno che causa la separazione del materiale di perovskite in domini ricchi di iodio e bromo. Ciò riduce il voltaggio e l’efficienza delle celle di perovskite con banda proibita elevata». POSITS si prefigge di caratterizzare questa segregazione e stabilire i modi per migliorarla. I ricercatori hanno esaminato determinati materiali di perovskite come candidati per il miglioramento della stabilità e la riduzione della segregazione di fase. Usando metodi ottici e strutturali, il team ha caratterizzato indici di rifrazione complessi di perovskiti con banda proibita elevata. L’approfondita ricerca ha inoltre studiato la cinetica della segregazione di fase, selezionando i meccanismi di controllo della velocità e l’incidenza del processo sul rendimento della luminescenza. Ancora più importante è stato forse il contributo di POSITS nello sviluppo di una tecnica di deposizione ibrida in due fasi per sfruttare celle funzionali su celle strutturate anziché con celle inferiori in silicio piatte. Con ciò si è dimostrata l’importanza della struttura nel creare correnti di corto circuito più elevate rispetto alle progettazioni tandem di perovskite su silicio piatto. I risultati più recenti di POSITS sono stati presentati per la pubblicazione. Come riassume Yang, «L’utilizzo commercialmente rilevante di celle strutturate anziché celle inferiori in silicio piatte potrebbe rappresentare il futuro della tecnologia delle celle solari tandem perovskite su silicio. Siamo ancora un po’ lontani dal nostro obiettivo di efficienza del 30 %, ma abbiamo notevolmente rafforzato le nostre conoscenze sui materiali e i dispositivi necessari per raggiungerlo». Pur essendo ancora necessari dei miglioramenti di prestazioni e stabilità a lungo termine, le perovskiti sono in procinto di svolgere un ruolo importante nel futuro delle celle solari e potenzialmente di altri dispositivi optoelettronici utilizzati oggi.

Parole chiave

POSITS, solare, perovskite, cella solare, silicio, efficienza, tandem, fotovoltaico (FV), banda proibita

Informazioni relative al progetto

ID dell’accordo di sovvenzione: 747221

Stato

Progetto concluso

  • Data di avvio

    1 Giugno 2017

  • Data di completamento

    31 Maggio 2019

Finanziato da:

H2020-EU.1.3.2.

  • Bilancio complessivo:

    € 175 419,60

  • Contributo UE

    € 175 419,60

Coordinato da:

ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE