Utilizzando strati microstrutturati, un team HZB è stato in grado di aumentare l'efficienza delle celle solari tandem perovskite-silicio, raggiungendo il 25,5%, che è il valore più alto pubblicato fino ad oggi. Il team ha utilizzato simulazioni computazionali per studiare la conversione della luce in vari progetti di dispositivi con diverse superfici nanostrutturate. Ciò ha consentito l'ottimizzazione della gestione della luce e analisi dettagliate del rendimento energetico. Lo studio è stato ora pubblicato su Scienze energetiche e ambientali .

Le celle solari tandem realizzate con composti di perovskite a alogenuri metallici e silicio possono convertire una porzione particolarmente ampia dello spettro solare in energia elettrica. Però, parte della luce viene riflessa e viene quindi persa ai fini della conversione dell'energia. Utilizzando nanostrutture, la riflessione può essere ridotta in modo significativo assicurando che la cella solare catturi più luce. Per esempio, microcaratteristiche piramidali possono essere incise nel silicio. Però, queste caratteristiche provocano microscopiche rugosità sulla superficie del silicio, rendendolo non più adatto come substrato per la deposizione di strati di perovskite estremamente sottili. Questo perché le perovskiti vengono normalmente depositate su un wafer levigato utilizzando l'elaborazione in soluzione per formare un film estremamente sottile, molto più sottile delle caratteristiche piramidali. Uno strato superficiale di silicio ruvido impedisce quindi la formazione di uno strato conforme uniforme.

Efficienza migliorata dal 23,4% al 25,5 percento

Un team guidato dal fisico di HZB Steve Albrecht ha studiato un approccio alternativo alla gestione della luce con trame in celle solari tandem. Il team ha fabbricato un efficiente dispositivo tandem perovskite/silicio il cui strato di silicio è stato inciso sul retro. Lo strato di perovskite potrebbe essere applicato mediante spincoating sul lato anteriore liscio del silicio. Il team ha successivamente applicato una pellicola polimerica per la gestione della luce (LM) sul lato anteriore del dispositivo. Ciò ha consentito la lavorazione di un film di perovskite di alta qualità su una superficie piana, pur beneficiando della trama del lato anteriore. "In questo modo, siamo riusciti a migliorare considerevolmente l'efficienza di una cella tandem monolitica ad eterogiunzione perovskite-silicio dal 23,4% al 25,5%", dice Marko Jošt, primo autore dello studio e borsista post-dottorato nel team di Albrecht.

Il modello numerico mostra la possibilità fino al 32,5%

Inoltre, Jošt e colleghi hanno sviluppato un sofisticato modello numerico per complesse caratteristiche 3D e la loro interazione con la luce. Ciò ha consentito al team di calcolare in che modo i diversi design dei dispositivi con trame su varie interfacce influiscono sull'efficienza. "Sulla base di queste complesse simulazioni e dati empirici, crediamo che un'efficienza del 32,5% possa essere realisticamente raggiunta, se riusciamo a incorporare perovskiti di alta qualità con un gap di banda di 1,66 eV", dice Jost.

Adatto per la costruzione di pannelli fotovoltaici integrati

E il team leader Steve Albrecht aggiunge:"Sulla base di dati meteorologici reali, siamo stati in grado di calcolare la resa energetica nel corso di un anno, per i diversi modelli di celle e per tre diverse posizioni." Inoltre, le simulazioni mostrano che la pellicola LM sul lato anteriore del dispositivo a celle solari è particolarmente vantaggiosa in caso di irradiazione di luce diffusa, cioè non solo sotto luce incidente perpendicolarmente. Le celle solari tandem con il nuovo foglio LM potrebbero quindi essere adatte anche per l'integrazione nel fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV), aprendo enormi nuove aree per la generazione di energia dalle grandi facciate dei grattacieli.