Alla fine di una delle estati più calde mai registrate, mentre le lotte su come alimentare le case infuriano, l'energia solare rinnovabile continua a rappresentare un'opzione che non aggiunge in modo significativo gas serra all'ambiente in cambio dell'illuminazione e del raffreddamento delle nostre case. Ed è appena stato dato un altro vantaggio attraverso la scienza dei materiali.

In un nuovo studio pubblicato su Energie , i ricercatori hanno trovato un modo per ridurre i costi di produzione delle celle solari di oltre il 10%.

"Migliorare il costo per unità di potenza a livello di cella può avere effetti enormi a valle, "dice Joshua Pearce, professore di scienze dei materiali e ingegneria elettrica alla Michigan Tech. Già, lui dice, i costi dell'energia solare sono paragonabili alle forme convenzionali di elettricità ed è la fonte di energia in più rapida crescita. Questo calo del 10% dovrebbe spingere il solare in prima linea ancora più velocemente.

La sostituzione del silicio utilizzato nelle celle solari per l'energia rinnovabile riduce i costi

Il silicio è il materiale standard per la cattura della luce utilizzato nelle celle solari fotovoltaiche (PV). Si presenta in due forme principali:cristalli perfetti che costano di più e producono rendimenti più elevati e silicio multicristallino che costano meno, ma offre efficienze inferiori. Con l'incisione comune per ridurre la luce riflessa, entrambi i tipi perdono ancora un po' di luce, che è ciò che conferisce alla maggior parte dei pannelli solari il loro colore blu.

I ricercatori sapevano già che il silicio nanostrutturato con incisione a secco rende il silicio nero (nero-Si) che è più efficiente nel catturare la luce rispetto ai trattamenti di incisione standard. Non ha colore perché il processo di incisione a secco prende una superficie di silicio normalmente piatta e "la incide in una foresta di aghi su scala nanometrica, " Dice Pearce. "Quegli aghi afferrano la luce e non la lasciano scappare. È come guardare negli occhi Darth Vader".

Normalmente una superficie così elevata con molti difetti superficiali danneggerebbe le prestazioni elettriche, ma i ricercatori dell'Università di Aalto hanno scoperto che quando il silicio viene trattato anche con un appropriato rivestimento di deposizione di strati atomici (ALD), gli effetti dei difetti superficiali sono mitigati.

Il pensiero tipico è stato che il costo delle celle al silicio nero derivanti dall'incisione a secco e dall'ALD è troppo elevato per l'uso pratico, soprattutto in un settore in cui, Pearce dice, "i margini sono estremamente ridotti. Tutti cercano di abbassare i costi il ​​più possibile".

Però, i risultati del loro studio hanno scioccato persino Pearce. Mentre i ricercatori hanno scoperto che la produzione di singole celle posteriori a emettitore passivo al Si nero (PERC) era tra il 15,8 e il 25,1% più costosa rispetto alla produzione di celle convenzionali, hanno anche scoperto che i guadagni di efficienza e la capacità di passare al materiale di partenza in silicio multicristallino meno costoso superano di gran lunga questi costi aggiuntivi:nel complesso il costo per unità di potenza è diminuito del 10,8 percento.

Il futuro delle rinnovabili e della produzione di energia solare attraverso la scienza dei materiali

Il nero non è solo migliore del blu quando si tratta di pannelli solari. I miglioramenti potrebbero iniziare a battere il principale concorrente energetico delle rinnovabili nell'arena del cambiamento climatico.

"Per le persone che pensano che la tecnologia del carbone sarà in grado di competere con il solare, dovrebbero sapere che i costi solari stanno ancora scendendo. La maggior parte delle compagnie carbonifere sono già, o vicino, in bancarotta adesso, " Dice Pearce. "Non c'è modo che il carbone possa competere con il solare in futuro."

Aggiunge, "Questo studio indica dove andrà il futuro nella produzione di fotovoltaico e cosa i paesi potrebbero voler fare per darsi un vantaggio competitivo".

Fare squadra attraverso l'Atlantico per l'efficienza dell'energia solare

Pearce ha completato questo studio mentre era in anno sabbatico come distinta cattedra Fulbright presso l'Università di Aalto in Finlandia. Ha lavorato con il gruppo di fisica elettronica di Hele Savin e ha avuto accesso ai loro dati su questi processi. I ricercatori sono stati anche in grado di ottenere informazioni sui costi di produzione dalle aziende, che non è pubblico, ma sono stati autorizzati a utilizzare per questo studio, insieme alla letteratura pubblicata sulle celle solari.

Mentre il prezzo spot per le celle solari può cambiare di giorno in giorno, o anche di ora, i risultati sono ancora validi. "Questo è il 10 percento di declino tra i tipi di cellule da qualunque sia il numero quel giorno, " dice. Questo perché i confronti sono stati fatti sui costi relativi, costi non assoluti. Questo è anche il motivo per cui le tariffe fluttuanti arbitrariamente non sono state prese in considerazione nei calcoli.

Quali sono le prospettive per l'energia solare e le energie rinnovabili

Pearce afferma che mentre il processo di produzione può ancora essere ottimizzato per ottenere qualche punto percentuale in più di efficienza, il prossimo passo per questo studio deve essere utilizzato dai responsabili politici per accelerare la produzione del fotovoltaico. Per un paese come la Cina, che già domina la produzione mondiale di fotovoltaico, "fare questo cambiamento relativamente piccolo è piuttosto banale." L'Unione Europea, che attualmente produce molte delle attrezzature di produzione, dovrebbe anche "esaminare attentamente la scalabilità degli strumenti di incisione ionica reattiva profonda e ALD per soddisfare le esigenze del mercato fotovoltaico in rapida espansione". Spera che paesi come gli Stati Uniti, che dominava il campo solare, utilizzerà questi dati a livello politico per superare i produttori internazionali di rana, e investire nella produzione delle nuove macchine per produrre questi tipi di celle solari.

"Non so quale tecnologia finirà per dominare il campo solare, " Egli ha detto, tuttavia "Lo studio mostra il chiaro impulso economico per muoversi nella direzione del PERC di silicio nero inciso a secco che prima non c'era".

Questo studio è stato condotto con Chiara Modanese, Hannu Laine, Toni Pasanen e Hele Savin della Aalto University in Finlandia.