I ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dell'Università del New South Wales hanno raggiunto un nuovo record mondiale di efficienza per le celle solari a due giunzioni, creando una cella con due strati che assorbono la luce che converte il 32,9% della luce solare in elettricità.

La chiave del design della cella è una serie di oltre 150 strati ultrasottili di semiconduttori alternati che creano pozzi quantici nell'assorbitore inferiore della cella, permettendogli di catturare energia da una gamma chiave dello spettro solare. Mentre il nuovo record migliora solo leggermente rispetto al precedente record di efficienza del 32,8%, è la prima cella solare multigiunzione con efficienza record a utilizzare una struttura bilanciata in deformazione, un design che promette ulteriori miglioramenti.

La nuova cella è descritta in un articolo su Advanced Energy Materials intitolato "Celle solari ad alta efficienza GaAs e GaInP/GaAs con pozzi quantici GaInAs/GaAsP bilanciati a deformazione". Le cellule hanno uno strato di fosfuro di gallio indio (GaInP) per la loro giunzione superiore e una giunzione inferiore di arseniuro di gallio (GaAs) striato con 80 strati sovrapposti di pozzi quantici. Un pozzo quantico viene creato quando un sottile strato di materiale semiconduttore è inserito tra due strati di materiale con una banda proibita più ampia, confinando i portatori di carica allo strato centrale.

I pozzi quantistici offrono possibilità

L'inclusione di così tanti pozzi quantici nella giunzione inferiore riduce il bandgap effettivo di quella giunzione, aumentando la lunghezza d'onda della luce che può assorbire. L'acquisizione di lunghezze d'onda più lunghe consente alla cella tandem di acquisire più energia dallo spettro solare, rendendo la cella più efficiente nel convertire la luce in elettricità.

Tradizionalmente, i pozzi quantistici sono stati utilizzati principalmente nei laser, LED, ed elettronica per le telecomunicazioni. Come parte del processo di sviluppo, il team NREL ha prodotto una cella a giunzione singola che ha dimostrato un'efficienza radiativa esterna molto elevata (> 40%):l'efficienza con cui la cella converte l'elettricità in luce quando viene eseguita al contrario. Anche se il team non stava cercando di costruire un dispositivo LED, i loro pozzi quantistici di alta qualità hanno dimostrato un certo potenziale in questo settore, pure.

Il bilanciamento della tensione sblocca un nuovo record

Il lavoro precedente ha tentato di utilizzare i pozzi quantici per regolare il bandgap delle giunzioni delle celle solari, ma non ha prodotto celle con efficienza record, in parte perché è difficile coltivarne tanti, molti strati di materiale per pozzi quantici di alta qualità. Se gli strati diventano troppo spessi o la deformazione meccanica all'interno del reticolo cristallino non è adeguatamente bilanciata, la cellula sviluppa difetti.

Per la loro cella da record mondiale, il team ha alternato strati di arseniuro di gallio indio, in compressione, e fosfuro di arseniuro di gallio, sotto tensione. Controllando attentamente lo spessore di questi strati, la deformazione degli equilibri delle forze di compressione e trazione tra gli strati. Una serie di laser è stata utilizzata per misurare la curvatura del wafer durante il processo di crescita, consentendo ai ricercatori di rilevare e regolare la deformazione nel reticolo cristallino.

"Questo lavoro porterà a celle solari ad alta efficienza per applicazioni con un solo sole, che potrebbe essere un driver significativo dell'adozione diffusa di queste cellule, " ha detto Myles Steiner, uno scienziato senior del team NREL. "Ora, una sfida chiave per il futuro è imparare come produrre queste celle in modo competitivo in termini di costi".

La collaborazione a livello mondiale produce risultati

Lo sviluppo di questo progetto di cella è nato da una stretta collaborazione tra una parte del gruppo di ricerca sul fotovoltaico cristallino ad alta efficienza del NREL e un team dell'Università del New South Wales (UNSW). Infatti, Steiner ha trascorso 3 mesi all'inizio del 2020 nel Nuovo Galles del Sud con i suoi collaboratori australiani, lavorando al progetto come parte di una sovvenzione del Fulbright Scholars Program.

"La nostra partnership ha riunito la lunga esperienza di NREL nella crescita epitassiale e il lavoro di UNSW nella modellazione delle celle solari, che ci ha aiutato a collaborare efficacemente a distanza, " disse Nicholas Ekins-Daukes, che ha guidato la squadra UNSW. "Sono rimasto colpito dalla rapidità con cui siamo stati in grado di sviluppare il primo composito, materiale semiconduttore a deformazione bilanciata per superare le prestazioni di una cella solare convenzionale".