Ricercatori del Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), in collaborazione con ricercatori del Fraunhofer ISE tedesco, hanno intrappolato la luce solare in modo efficiente in una cella solare grazie a uno strato assorbente ultrasottile fatto di GaAs di 205 nm di spessore su uno specchio posteriore nanostrutturato. Questa nuova architettura ha portato l'efficienza della cella a quasi il 20 percento.

Fino ad ora, celle solari all'avanguardia con un'efficienza del 20% richiedono strati di materiale semiconduttore di almeno un micrometro di spessore (GaAs, CdTe o rame indio gallio seleniuro), o anche 40 µm o più, nel caso del silicio. Una significativa riduzione dello spessore consentirebbe un risparmio di materiale di materiali scarsi come il tellerium o l'indio e miglioramenti della produttività industriale grazie a tempi di deposizione più brevi. Però, l'assorbitore diradamento riduce automaticamente l'assorbimento della luce solare e l'efficienza di conversione. Uno specchio piatto sul retro della cella può portare ad un assorbimento a doppio passaggio, ma non più. I precedenti tentativi di intrappolamento della luce sono stati notevolmente limitati nelle prestazioni dalle perdite ottiche ed elettriche.

Ricercatori del team guidato da Stéphane Collin e Andrea Cattoni presso il Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies-C2N (CNRS/University Paris-Saclay), in collaborazione con il Fraunhofer ISE hanno sviluppato una nuova strategia per intrappolare la luce in strati ultrasottili costituiti da soli 205 nm di arseniuro di gallio, un semiconduttore della famiglia III-V. L'idea guida era quella di produrre uno specchio posteriore nanostrutturato per creare più risonanze sovrapposte nella cella solare, identificate come Fabry-Perot e risonanze in modalità guidata. Vincolano la luce a rimanere più a lungo nell'assorbitore, con conseguente assorbimento ottico efficiente nonostante la bassa quantità di materiale. Grazie a numerose risonanze, l'assorbimento è potenziato su un'ampia gamma spettrale che si adatta allo spettro solare dal visibile all'infrarosso. Il controllo della fabbricazione di specchi modellati su scala nanometrica è stato un aspetto chiave del progetto. Il team ha utilizzato la litografia a nanoimpronta, un poco costoso, tecnica rapida e scalabile, per goffrare un film derivato sol-gel di biossido di titanio.

Le celle solari ultrasottili possono essere ulteriormente migliorate? Il lavoro pubblicato su Energia della natura dimostra che questa architettura dovrebbe consentire un'efficienza del 25% a breve termine. Anche se i limiti sono ancora sconosciuti, i ricercatori sono convinti che lo spessore potrebbe essere ulteriormente ridotto di almeno un fattore due senza perdita di efficienza. Le celle solari GaAs sono ancora commercialmente limitate alle applicazioni spaziali a causa del loro costo. Però, i ricercatori stanno già lavorando per estendere questo concetto al fotovoltaico su larga scala in CdTe, CIGS o materiali siliconici.