L'interposizione di uno strato di silicio ricco di ossigeno tra una cella solare e il suo contatto metallico ha consentito ai ricercatori in Europa di battere i record di prestazioni per l'efficienza con cui le celle solari al silicio convertono la luce solare in elettricità. Ma la sfida ora è come rendere questi cosiddetti contatti passivanti adatti alla produzione di massa.

"Attualmente c'è molto entusiasmo per la passivazione dei contatti tra la comunità delle celle solari, " ha affermato il dott. Byungsul Min presso l'Istituto per la ricerca sull'energia solare di Hamelin (ISFH), Germania. Quest'anno, la tecnologia ha permesso al suo laboratorio di stabilire un nuovo record di efficienza del 26,1% per il tipo di celle solari che domina il mercato del fotovoltaico. I pannelli solari commerciali attualmente funzionano con un'efficienza di circa il 20%.

I contatti passivanti sono costituiti da due sottili strati di silicio ossidato e cristallizzato inseriti tra una cella solare e il suo contatto metallico. Parlando a una sala gremita questo settembre alla Conferenza europea sull'energia solare fotovoltaica a Bruxelles, Belgio, Il Dr. Min ha affermato che gli strati funzionano guarendo i legami atomici rotti sulla superficie del silicio e riducendo il rischio che le cariche elettriche rimangano intrappolate mentre fuoriescono dalla cella solare.

Il progetto è stato sviluppato nel 2013 dall'ISFH e dal Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE di Friburgo, Germania. Negli ultimi anni, ha portato l'efficienza di conversione dell'energia del fotovoltaico al silicio al di sopra del 25%, un tetto che aveva limitato l'efficienza che i ricercatori potevano ottenere in laboratorio per oltre un decennio.

Fabbricazione di massa

Ancora, Il Dr. Min afferma che finora pochi produttori hanno adottato contatti passivanti nell'industria. Come parte di un progetto chiamato DISC, ora sta coordinando il lavoro con istituti di ricerca e produttori di apparecchiature in tutta Europa per ottimizzare la loro progettazione per la fabbricazione di massa.

Realizzare celle solari da record con contatti passivanti ha finora richiesto materiali costosi e complesse tecniche di laboratorio che, secondo il Dr. Min, non possono essere adottate nelle catene di montaggio in fabbrica. Però, sbarazzandosi di questi approcci sofisticati e sostituendoli con strumenti già comuni nell'industria delle celle solari, il consorzio DISC prevede di ridurre i costi di produzione della tecnologia.

L'ISFH ha notevolmente sostituito uno strato contenente indio costoso e altamente conduttivo che si deposita sulla superficie della cella per raccogliere meglio le cariche elettriche dal contatto passivante. Mettendo a punto le condizioni di pressione e temperatura durante la produzione, Il Dr. Min può ora formare uno strato contenente zinco che presenta proprietà fisiche comparabili utilizzando materiali abbondanti.

Il fornitore di apparecchiature olandese Meco sta scambiando complesse fasi di litografia con tecniche di placcatura in grado di metallizzare i contatti elettrici delle celle solari a contatto passivante con portate sufficientemente elevate per le linee di assemblaggio in fabbrica.

Durante l'ultimo anno, I campioni di DISC hanno fatto la spola in tutta la Francia, Germania, Svizzera e Paesi Bassi, in qualità di partner, svolgono il loro ruolo in una linea di approvvigionamento internazionale. Ogni laboratorio aggiunge uno strato di silicio o altri materiali in cui è specializzato, costruire gradualmente la pila di semiconduttori in una cella solare funzionante.

"Questo agosto, abbiamo completato le nostre prime celle solari di dimensioni industriali, " ha affermato il Dr. Min. "Hanno già raggiunto efficienze di conversione dell'energia superiori al 21%." Questo rientra nella gamma delle celle solari oggi sul mercato.

Nel corso del prossimo anno, Il Dr. Min si aspetta che la messa a punto degli strati in questi dispositivi di fabbrica aiuterà a migliorare le loro prestazioni rispetto a quelle della concorrenza. In un settore in cui una differenza di appena mezza percentuale può creare o distruggere le aziende, una tecnologia con un potenziale dimostrato di oltre il 25% di efficienza in laboratorio offre prospettive allettanti per i produttori.

"Dobbiamo puntare a una maggiore efficienza delle celle solari, " concordò il dottor Martin Hermle, uno dei pionieri della passivazione dei contatti al Fraunhofer ISE. Il suo gruppo di ricerca sta ora sviluppando metodi di deposizione industriale per le celle solari prodotte in DISC, e lo sviluppo di modi per aumentare ulteriormente la loro efficienza di conversione energetica in un altro progetto chiamato Nano-Tandem.

"Il costo dei pannelli solari è in gran parte dettato dalla loro superficie. Se puoi realizzare celle con un'efficienza del 30% invece del 20% o del 15%, che aiuta davvero a ridurre il costo complessivo dell'energia solare."

33% di efficienza

All'inizio di quest'anno, Fraunhofer ISE ha prodotto una cella solare che ha raggiunto un'incredibile efficienza del 33%. I ricercatori hanno impilato una cella solare al silicio che incorporava contatti passivanti con due celle solari aggiuntive realizzate con materiali più esotici, basato su elementi del terzo e quinto gruppo della tavola periodica.

"Queste celle superiori sono brave ad assorbire le sfumature blu della luce, ma sono fatti di elementi relativamente rari, come gallio o indio, che sono anche più lenti da assemblare rispetto alle tradizionali celle solari al silicio, " ha detto il dottor Hermle. "Se vuoi competere sul mercato di massa, devi ridurre il costo della deposizione del materiale di circa due ordini di grandezza."

Una soluzione che Nano-Tandem sta esplorando è usarne meno. Fraunhofer ISE ha spedito celle solari al silicio con contatti passivanti a IBM Research Zürich, dove i partner del progetto stanno posizionando le celle solari sopra di esse non come strati solidi, ma come tappeti di fili larghi appena 1000 atomi. La startup Sol Voltaics e l'Università di Lund in Svezia stanno sviluppando un modo potenzialmente più economico per produrre i nanofili, assemblandoli da molecole di gas mentre volano attraverso un forno tubolare.

Il coordinatore Nano-Tandem, il professor Lars Samuelson dell'Università di Lund, afferma che le materie prime utilizzate sono costose, ma quegli effetti fotonici in loro potrebbero capovolgere la loro economia. Lui dice che, assemblato con saggezza, i produttori potrebbero in linea di principio utilizzare il 90% di materiale in meno senza un grande impatto sull'efficienza o sull'assorbimento della luce delle loro celle solari.

Questo è il tipo di vantaggio innovativo che il Dr. Hermle descrive come cruciale per mantenere gli istituti di ricerca europei a capo della tecnologia delle celle solari. Mentre il mercato delle celle solari sale alle stelle in cifre annuali a 11 cifre, La concorrenza asiatica sta costringendo sempre più i produttori europei a chiudere l'attività.

Il Dr. Hermle afferma che i contatti passivanti offrono un esempio di come l'industria europea possa rimanere rilevante di fronte alla concorrenza globale. "Questa è una tecnologia che è arrivata davvero dall'Europa al mercato delle celle solari, " Egli ha detto.