Nel campo delle tecnologie fotovoltaiche, Le celle solari a base di silicio costituiscono il 90% del mercato. In termini di costo, stabilità ed efficienza (20-22% per una tipica cella solare sul mercato), sono molto più avanti della concorrenza.

Però, dopo decenni di ricerca e investimenti, Le celle solari a base di silicio sono ora vicine alla loro massima efficienza teorica. Di conseguenza, sono necessari nuovi concetti per ottenere una riduzione a lungo termine dei prezzi dell'elettricità solare e consentire alla tecnologia fotovoltaica di diventare un modo più diffuso di generare energia.

Una soluzione è posizionare due diversi tipi di celle solari uno sopra l'altro per massimizzare la conversione dei raggi luminosi in energia elettrica. Queste cellule a "doppia giunzione" sono oggetto di ampia ricerca nella comunità scientifica, ma sono costosi da realizzare. Ora, i team di ricerca a Neuchâtel, dal laboratorio fotovoltaico dell'EPFL e dal centro fotovoltaico CSEM, hanno sviluppato una soluzione economicamente competitiva. Hanno integrato una cella di perovskite direttamente sopra una cella standard a base di silicio, ottenendo un'efficienza record del 25,2 per cento. Il loro metodo di produzione è promettente, perché aggiungerebbe solo qualche passaggio in più all'attuale processo di produzione delle celle di silicio, e il costo sarebbe ragionevole. La loro ricerca è stata pubblicata in Materiali della natura .

Perovskite su silicio:un sandwich nanometrico

Le proprietà uniche della perovskite hanno stimolato molte ricerche sul suo utilizzo nelle celle solari negli ultimi anni. Nel giro di nove anni, l'efficienza di queste celle è aumentata di un fattore sei. La perovskite consente di ottenere un'elevata efficienza di conversione a un costo di produzione potenzialmente limitato.

Nelle cellule tandem, la perovskite è complementare al silicio. Converte la luce blu e verde in modo più efficiente, mentre il silicio è migliore nel convertire la luce rossa e infrarossa. "Combinando i due materiali, possiamo massimizzare l'uso dello spettro solare e aumentare la quantità di energia generata. I calcoli e il lavoro che abbiamo svolto mostrano che presto dovrebbe essere possibile un'efficienza del 30%, " affermano i principali autori dello studio Florent Sahli e Jérémie Werner.

Però, creare una struttura tandem efficace sovrapponendo i due materiali non è un compito facile. "La superficie del silicio è costituita da una serie di piramidi che misurano circa 5 micron, che intrappolano la luce e ne impediscono il riflesso. Però, la tessitura superficiale rende difficile la deposizione di un film omogeneo di perovskite, " spiega Quentin Jeangros, che ha co-autore del documento.

Quando la perovskite si deposita in forma liquida, come di solito è, si accumula nelle valli tra le piramidi lasciando scoperte le cime, portando a cortocircuiti.

Uno strato chiave che garantisce una microstruttura ottimale

Gli scienziati dell'EPFL e del CSEM hanno aggirato questo problema utilizzando metodi di evaporazione per formare uno strato di base inorganico che ricopre completamente le piramidi. Quello strato è poroso, consentendogli di trattenere la soluzione organica liquida che viene poi aggiunta utilizzando una tecnica di deposizione a film sottile chiamata spin-coating. I ricercatori hanno successivamente riscaldato il substrato a una temperatura relativamente bassa di 150 °C per cristallizzare un film omogeneo di perovskite sopra le piramidi di silicio.

"Fino ad ora, l'approccio standard per realizzare una cella tandem perovskite/silicio era di livellare le piramidi della cella di silicio, che ha diminuito le sue proprietà ottiche e quindi le sue prestazioni, prima di depositarvi sopra la cella di perovskite. Ha anche aggiunto passaggi al processo di produzione, "dice Florent Sahli.

Aggiornamento delle tecnologie esistenti

Il nuovo tipo di cella tandem è altamente efficiente e direttamente compatibile con le tecnologie a base di silicio monocristallino, che beneficiano di una lunga esperienza industriale e sono già prodotti in modo redditizio. "Proponiamo di utilizzare apparecchiature già in uso, aggiungendo solo alcune fasi specifiche. I produttori non adotteranno una tecnologia solare completamente nuova, ma semplicemente aggiornando le linee di produzione che già utilizzano per le celle a base di silicio, " spiega Christophe Ballif, responsabile del Laboratorio Fotovoltaico dell'EPFL e del Centro Fotovoltaico del CSEM.

Al momento, la ricerca continua per aumentare ulteriormente l'efficienza e conferire al film di perovskite una maggiore stabilità a lungo termine. Sebbene la squadra abbia fatto un passo avanti, c'è ancora del lavoro da fare prima che la loro tecnologia possa essere adottata commercialmente.