Le celle solari hanno fatto molta strada, ma le celle solari a film sottile poco costose sono ancora molto indietro rispetto quelle cristalline più costose in termini di efficienza. Ora, un team di ricercatori suggerisce che l’utilizzo di due pellicole sottili di materiali diversi potrebbe essere la strada da percorrere per creare celle a film sottile convenienti con circa il 34% di efficienza.
“Dieci anni fa sapevo molto poco sulle celle solari , ma mi è diventato chiaro che erano molto importanti”, ha detto Akhlesh Lakhtakia, professore della Evan Pugh University. Indagando sul campo, ha scoperto che i ricercatori si sono avvicinati alle celle solari da due lati, il lato ottico – osservando come viene raccolta la luce del sole – e il lato elettrico – osservando come la luce solare raccolta viene convertita in elettricità. I ricercatori ottici si sforzano di ottimizzare l’acquisizione della luce, mentre i ricercatori elettrici si sforzano di ottimizzare la conversione in elettricità, semplificando entrambi i lati dell’altro.
“Ho deciso di creare un modello in cui sia gli aspetti elettrici che quelli ottici saranno trattati allo stesso modo”, ha detto Lakhtakia. “Avevamo bisogno di aumentare l’efficienza effettiva, perché se l’efficienza di una cella è inferiore al 30% non farà la differenza”. I ricercatori riportano i loro risultati in un recente numero di Applied Physics Letters.
Modelli matematici per creare la miglior combinazione di materiali
Lakhtakia è un teorico. Non produce film sottili in laboratorio, ma crea modelli matematici per testare le possibilità di configurazioni e materiali in modo che altri possano testare i risultati. Il problema, ha detto, era che la struttura matematica dell’ottimizzazione dell’ottica e dell’elettricità sono molto diverse.
Le celle solari sembrano essere dispositivi semplici, ha spiegato. Uno strato superiore trasparente consente alla luce solare di cadere su uno strato di conversione dell’energia. Il materiale scelto per convertire l’energia, assorbe la luce e produce flussi di elettroni caricati negativamente e buchi caricati positivamente che si muovono in direzioni opposte.
Le particelle caricate in modo diverso vengono trasferite a uno strato di contatto superiore e uno strato di contatto inferiore che incanalano l’elettricità fuori dalla cella per l’uso. La quantità di energia che una cellula può produrre dipende dalla quantità di luce solare raccolta e dalla capacità dello strato di conversione. Materiali diversi reagiscono e convertono diverse lunghezze d’onda della luce. “Mi sono reso conto che per aumentare l’efficienza dovevamo assorbire più luce”, ha detto Lakhtakia. “Per farlo abbiamo dovuto rendere lo strato assorbente non omogeneo in modo speciale”.
La combinazione perfetta tra due materiali assorbenti
Quel modo speciale era usare due diversi materiali assorbenti in due diversi film sottili. I ricercatori hanno scelto CIGS disponibile in commercio – diseleniuro di rame e indio gallio – e CZTSSe – seleniuro di rame, zinco, stagno e zolfo – per gli strati. Di per sé, l’efficienza di CIGS è di circa il 20% e quella di CZTSSe è di circa l’11%.
Questi due materiali funzionano in una cella solare perché la struttura di entrambi i materiali è la stessa. Hanno all’incirca la stessa struttura reticolare, quindi possono essere coltivati uno sopra l’altro e assorbono diverse frequenze dello spettro, quindi dovrebbero aumentare l’efficienza, secondo Lakhtakia.
“È stato fantastico”, ha detto Lakhtakia. “Insieme hanno prodotto una cella solare con un’efficienza del 34%. Questo crea una nuova architettura di celle solari, strato su strato. Altri che possono effettivamente realizzare celle solari possono trovare altre formulazioni di strati e forse fare di meglio”. Secondo i ricercatori, il passo successivo è crearli sperimentalmente e vedere quali sono le opzioni per ottenere le risposte finali migliori.
