Notevoli miglioramenti delle prestazioni delle celle solari tandem perovskite-silicio (come quella nella foto sopra) possono essere ottenuti aggiungendo uno strato intermedio di fluoruro di magnesio. Immagine gentilmente concessa da Erkan Aydin, © 2022 KAUST.
Sebbene le celle solari convenzionali a base di silicio abbiano avuto un impatto inequivocabile sulla produzione di energia rinnovabile, ulteriori miglioramenti delle prestazioni sono diventati sempre più difficili da realizzare man mano che i dispositivi si avvicinano ai limiti di efficienza pratica. Questo vincolo ha spinto gli scienziati a cercare nuove tecnologie da combinare con le celle di silicio per sbloccare efficienze più elevate.
Le celle solari realizzate con cristalli chiamati perovskiti sono una di queste tecnologie emerse rapidamente come un’aggiunta interessante e a basso costo, ma le celle di perovskite sono notoriamente suscettibili ai cambiamenti indotti dalla tensione: l’ombra proiettata da un ramo di un albero sovrastante o da una pianta vicina può zappa un intero modulo in pochi minuti.
Ora, i ricercatori dell’Università di Princeton e della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) hanno collegato la consolidata cella solare in silicio con la promettente perovskite in una cella solare tandem non solo per aumentare l’efficienza complessiva, ma anche per rafforzare la stabilità. I risultati, riportati su Joule il 5 settembre, illustrano che la connessione protegge la fragile cella solare in perovskite dalla rottura indotta dalla tensione, ottenendo al contempo efficienze maggiori di quelle che ciascuna cella può ottenere da sola.
“Le celle solari tandem hanno già dimostrato efficienze di conversione di potenza superiori a quelle delle sole celle solari in silicio o perovskite”, ha affermato Barry Rand, leader della ricerca e professore di ingegneria elettrica e informatica presso l’Andlinger Center for Energy and the Environment. Mentre le efficienze migliori della categoria per le celle solari in silicio e perovskite si aggirano rispettivamente intorno al 27% e al 26%, i dispositivi tandem hanno dimostrato efficienze superiori al 33% in meno di un decennio di ricerca. “Abbiamo pensato che oltre alla loro maggiore efficienza, le celle solari tandem potrebbero anche risolvere alcune delle sfide di stabilità che affrontano le perovskiti collegandole con celle di silicio, che sono molto più stabili”.
Per testare la loro ipotesi, i ricercatori hanno costruito tre stringhe di celle solari: una contenente solo celle solari in silicio, una solo con perovskiti e una composta da celle solari tandem, con le due tecnologie collegate in serie. I ricercatori hanno quindi ombreggiato una delle celle della stringa per simulare le condizioni di ombreggiamento parziale che un pannello solare può incontrare almeno una volta nella sua vita decennale.
Tale ombreggiatura parziale di solito significa la rovina delle perovskiti, poiché le celle ancora illuminate costringono la carica a fluire attraverso la cella ora ombreggiata e inattiva, degradando rapidamente sia essa che l’intero modulo. Le celle solari al silicio, d’altro canto, sono molto più resistenti ai flussi di tensione e possono sopportare periodi di ombreggiatura parziale con meno problemi.
Come previsto, il modulo solare di sola perovskite si è deteriorato rapidamente dopo l’ombreggiamento parziale, mentre il modulo solare in silicio ha subito solo un impatto minimo. È interessante notare, tuttavia, che il modulo solare tandem era altrettanto resistente del modulo di solo silicio, il che implica che collegando le due tecnologie solari, la cella di silicio era in grado di mascherare la fragilità della perovskite.
“Quando si combinano due materiali diversi per formare un prodotto finale, di solito è l’anello più debole che finisce per determinare la forza complessiva della catena”, ha affermato il coautore Stefaan De Wolf, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso KAUST. “Ma in questo caso, in realtà è la componente più forte a proteggere quella più debole.”
I ricercatori hanno affermato che i loro risultati dimostrano che l’ombreggiamento parziale – che è stato un grosso ostacolo per i moduli realizzati esclusivamente con perovskite – potrebbe essere una preoccupazione trascurabile per i dispositivi solari tandem collegati in serie.
Il team ha anche affermato che i risultati sono di buon auspicio per le prospettive di commercializzazione delle perovskiti, perché implicano che le perovskiti potrebbero avere il massimo potenziale se utilizzate in complemento alle celle solari in silicio, per le quali esiste già un ecosistema di produzione maturo. Invece di dover costruire un processo di produzione concorrente, le perovskiti potrebbero essere aggiunte al processo di produzione commercialmente collaudato delle celle solari al silicio.
Sebbene il team abbia osservato che, oltre all’ombreggiamento parziale, restano da risolvere diverse sfide prima che le celle solari tandem raggiungano la durata prevista delle tecnologie solari commerciali, come la loro scarsa resistenza al calore, hanno affermato che i dispositivi tandem potrebbero consentire alla ricerca solare di continuare ad evolversi dopo le celle solari al silicio raggiungono i limiti superiori di efficienza di conversione della potenza.
“Se si potessero risolvere altre sfide legate alla stabilità, le celle solari tandem potrebbero essenzialmente prendere una tecnologia commerciale già di successo e renderla ancora migliore”, ha affermato Rand. “I nostri risultati dimostrano chiaramente che i dispositivi tandem dovrebbero essere un’area a portata di mano per la futura ricerca solare”.
L’articolo, “Resilienza al bias inverso delle celle solari tandem monolitiche con perovskite/silicio”, è stato pubblicato il 5 settembre su Joule. Oltre a Rand e De Wolf, i coautori includono Zhaojian Xu di Princeton; Helen Bristow, Maxime Babics, Badri Vishal, Erkan Aydin, Randi Azmi, Esma Ugur, Bumin Yildirim e Jiang Liu del KAUST Solar Center; e Ross Kerner del Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili (NREL).
Il lavoro è stato supportato da KAUST con i numeri di contratto OSR-CRG2020-4350, OSR-CARF/CCF-3079 e OSR-CRG2022-5035. La ricerca è stata realizzata in parte da NREL con il numero di contratto DE-AC36-08GO28308, e i ricercatori hanno anche ricevuto il sostegno del programma NREL di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio (LDRD).
Di Colton Poore, Centro Andlinger per l’energia e l’ambienteUniversità di Princeton
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