Fino a poco tempo fa, le celle solari a base di calcopirite raggiungevano un’efficienza massima di conversione energetica del 23,35%, come riportato nel 2019 da Solar Frontier, un’ex società di energia solare con sede in Giappone. Tuttavia, finora l'ulteriore miglioramento di questa efficienza si è rivelato impegnativo.
I ricercatori dell'Università di Uppsala e del First Solar European Technology Center AB (ex Evolar AB) in Svezia hanno recentemente raggiunto un'efficienza maggiore del 23,64% nelle celle solari a base di calcopirite. Questa efficienza, riportata in Nature Energy , è stato ottenuto utilizzando due tecniche principali, vale a dire la lega d'argento ad alta concentrazione e la classificazione del gallio con contatto posteriore ripido.
"Un obiettivo primario del nostro studio era quello di aumentare l'efficienza delle celle solari a film sottile basate su CIGS per abbassare in definitiva il prezzo per Watt-picco dei corrispondenti moduli su larga scala", ha detto a Phys Jan Keller, primo autore dell'articolo. org. "Il nostro lavoro si avvale dei risultati di molti gruppi di ricerca in tutto il mondo, ottenuti negli ultimi decenni."
Un precedente sforzo di ricerca che ha ispirato questo articolo è stata la riuscita lega dell’argento con seleniuro di rame, indio e gallio, dimostrata per la prima volta da un gruppo di ricerca in Giappone circa due decenni fa. Inoltre, i ricercatori hanno tratto ispirazione da una ricerca risalente a 10 anni fa, che ha dimostrato gli effetti benefici dell'implementazione di specie alcaline pesanti nei materiali assorbenti.
"Oltre a basarci su circa 40 anni di ricerca internazionale sulle celle solari alla calcopirite, abbiamo combinato quattro diversi approcci per migliorare le prestazioni", ha spiegato Keller. "Nello specifico, abbiamo aggiunto una concentrazione relativamente elevata di argento all'assorbitore, implementato un profilo di profondità del gallio simile a un 'bastone da hockey', adattato un trattamento post-deposizione di RbF alla composizione dell'assorbitore e sottoposto l'assorbitore a un'illuminazione estesa."
Combinando queste strategie di progettazione e fabbricazione, Keller e i suoi colleghi potrebbero migliorare la microstruttura del CIGS, riducendo la densità dei difetti e mitigando le fluttuazioni del gap di banda. Inoltre, potrebbero passivare la superficie dell'assorbitore nella loro cella solare e aumentare la densità del drogante.
Nei test iniziali, la loro cella solare CIGS record ha raggiunto un’elevata efficienza radiativa esterna dell’1,6%, con conseguente deficit di tensione a circuito aperto relativamente basso. In particolare, il dispositivo ha raggiunto la massima efficienza finora riportata tra le celle solari basate su CIGS e le sue prestazioni sono state certificate esternamente dall'istituto indipendente Fraunhofer ISE (Germania).
"Siamo stati in grado di aumentare l'efficienza record precedente delle celle solari basate su CIGS dal 23,35% (Solar Frontier, 2019, Giappone) al 23,64% (certificato esternamente), il che rappresenta un miglioramento sostanziale", ha affermato Keller. "Per la certificazione esterna è necessaria una maschera d'ombra (A=0,9 cm 2 ) doveva essere utilizzato. Senza la maschera d'ombra, nei nostri laboratori abbiamo misurato addirittura un'efficienza del 23,75% (A=1,03 cm 2 )."
Il recente lavoro di questo team di ricercatori introduce un promettente processo di produzione per ottenere efficienze più elevate nelle celle solari a base di calcopirite. Questi risultati potrebbero servire come base per l'ulteriore progresso di queste celle solari, contribuendo potenzialmente alla loro diffusione su larga scala.
Nel loro articolo, Keller e i suoi colleghi delineano una serie di possibili strategie per aumentare le prestazioni delle celle solari a base di calcopirite, con l’obiettivo di raggiungere un’efficienza superiore al 25%. La più semplice di queste strategie comporta la mitigazione delle perdite di assorbimento parassitarie, che può essere ottenuta in vari modi.
"In definitiva, la densità dei difetti della massa dell'assorbitore deve essere ridotta. Sebbene CIGS-PV sia più stabile degli attuali dispositivi a base di perovskite ad efficienza record, soffre di perdite di ricombinazione non radiativa significativamente più elevate. Pertanto, la ricerca futura si concentrerà sul sandwiching una pellicola di calcopirite ancora migliore tra elettrodi ancora più trasparenti," ha aggiunto Keller.
"Un recente studio condotto dall'EMPA (Svizzera) ha dimostrato un elevato potenziale per applicazioni bifacciali, che richiedono la sostituzione del contatto posteriore Mo con uno strato di ossido conduttivo trasparente."
Ulteriori informazioni: Jan Keller et al, Lega d'argento ad alta concentrazione e classificazione del gallio con contatto posteriore ripido che consentono celle solari al seleniuro di gallio indio rame con efficienza del 23,6%, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-024-01472-3
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