La tecnologia delle celle solari a strati


La tecnologia delle celle solari a strati

Gli scienziati hanno creato celle solari a basso costo con una delle più alte efficienze di conversione di potenza.

Il futuro sta diventando più luminoso per l'energia solare. I ricercatori dell'University of Colorado at Boulder hanno creato una cella solare a basso costo con una delle più alte efficienze di conversione di potenza. I ricercatori hanno stratificato le celle utilizzando una combinazione unica di elementi.

«Abbiamo considerato un prodotto di un settore che genera annualmente una cifra d'affari di 30 miliardi di dollari e lo abbiamo migliorato del 30%», ha affermato il dottor Michael D. McGehee, (1) professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica e coautore di un documento, che descrive la tecnologia, pubblicato da Science. (2)

I ricercatori hanno preso una cella solare perovskite, una struttura cristallina progettata per raccogliere fotoni a energia più elevata e la hanno stratificata sopra una cella solare al silicio, che cattura più fotoni nella parte infrarossa dello spettro - composta da energia radiante non visibile che emette calore. Combinata, la perovskite solleva una cella solare al 21% di silicio fino a un'efficienza del 27%, aumentandola di un terzo.

Per anni, le celle solari al silicio sono state lo standard nel settore dell'energia solare, ma le attuali celle a base di silicio convertono in media solo dal 18% al 21% dell'energia del sole in elettricità utilizzabile e raggiungono il massimo a circa il 26,6%. Ciò significa che ora costa di più installare le celle che acquistarle, ha affermato il dottor Michael D. McGehee, membro del Renewable & Sustainable Energy Institute.

L'efficienza media dei pannelli solari perde circa tre punti percentuali quando applicata su un pannello grande. Ciò che migliora drasticamente l'efficienza è mettere un'altra cella solare sopra una esistente - ed è esattamente quello che hanno fatto l'ingegner McGehee e i suoi colleghi ricercatori.

Una formula segreta accessibile

Questa non è la prima volta che i ricercatori hanno stratificato le celle solari per ottenere efficienza. Il concetto, noto anche come celle solari tandem o multi-giunzione, è stato introdotto per la prima volta negli anni '70 e il record mondiale di efficienza delle celle solari è già superiore al 45%. Tuttavia, si è arrivati a un prezzo elevato: 80.000 dollari al metro quadrato, a causa del fatto che le cellule venivano coltivate in uno strato atomico alla volta, creando un unico grande cristallo singolo. Probabilmente non è un costo che può permettersi il proprietario di una casa media o di un'azienda.

Il dottor Michael D. McGehee e i suoi colleghi sono i pionieri in una nuova genezione di celle solari a strati, usando perovskiti, il cui costo è estremamente inferiore. Gli ingegneri hanno iniziato meno di 10 anni fa con il concetto di utilizzare materiali meno costosi sulla parte superiore del silicio e inizialmente hanno raggiunto approssimativamente solo il 13% di efficienza. Ma attraverso miglioramenti tecnologici sono riusciti a raggiungere un tasso doppio di efficienza. La loro formula segreta prevede un'unica lega a triplo alogenuro di cloro, bromo e iodio.

Nelle celle solari esiste un gap di banda ideale, secondo Michael D. McGehee. Questo è lo spazio tra i livelli di energia in un semiconduttore, tra cui gli elettroni saltano e creano energia elettrica.

Il bromo può aumentare questo gap di banda, ma se usato con iodio ed esposto alla luce, questi elementi non rimangono sempre al loro posto. Precedenti studi hanno cercato di usare insieme cloro e iodio, ma a causa delle diverse dimensioni delle particelle di questi elementi, non abbastanza cloro potrebbe adattarsi alla struttura cristallina della perovskite. Ma usando diverse quantità di cloro, bromo e iodio, i ricercatori hanno escogitato un modo per ridurre la struttura cristallina, permettendo a più cloro di adattarsi, stabilizzando e migliorando l'efficienza della cellula.

I perovskiti sono anche poco costosi, non sono ad alta intensità energetica e facili da creare in laboratorio. E anche dopo 1000 ore - quasi 42 giorni - di intensi test di luce e calore, queste nuove celle solari hanno mostrato un cambiamento minimo nella loro efficienza iniziale. Con il mercato dell'energia solare in crescita di circa il 30% all'anno, efficienza, costi e longevità sono importanti considerazioni per le quali le nuove tecnologie diventeranno comuni e dominanti.

Il dottor Michael D. McGehee è ottimista circa il potenziale di questa cella solare a strati di perovskite a banda larga. Non solo ha superato la massima efficienza di una cella solare solo al silicio, «crediamo che possa portarci oltre il 30% di efficienza confinando sulla sua stabilità», conclude McGehee.

Ulteriori autori di questo studio includono Jixian Xu, co-primo autore e ricercatore post-dottorato, Jérémie Werner, ricercatore post-dottorato e Daniel Witter, studente laureato, in ingegneria chimica e biologica all'Università del Colorado Boulder; Caleb Boyd, co-primo autore, visitatore presso l'Università del Colorado Boulder e NREL, e studente laureato presso la Stanford University; così come i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory, della Stanford University e dell'Arizona State University.

Riferimenti:

(1) Michael D. McGehee

(2) Triple-halide wide–band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems

Descrizione foto: le celle solari in tandem di perovskite / silicio sono contendenti alla tecnologia fotovoltaica di prossima generazione, con il potenziale di offrire guadagni di efficienza del modulo a costi minimi. - Credit: Dennis Schroeder / NREL.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Layered solar cell technology boosts efficiency, affordability

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