(Phys.org)—Gli scienziati hanno progettato una nuova cella solare multigiunzione che, nelle simulazioni, può raggiungere un'efficienza del 51,8%. Queste elevate prestazioni superano l'attuale obiettivo del 50% di efficienza nella ricerca sulle celle solari multigiunzione, nonché l'attuale record mondiale del 43,5% per una cella solare a 3 giunzioni.

Il lavoro è stato svolto da una collaborazione di ricercatori del California Institute of Technology di Pasadena; il National Institute of Standards and Technology di Gaithersburg, Maryland; l'Università del Maryland a College Park; e Boeing-Spectrolab, Inc., a Sylmar, California. Il team ha pubblicato un documento sul proprio lavoro in un recente numero di Lettere di fisica applicata .

Come spiegano i ricercatori, Le celle solari multigiunzione sono uno dei dispositivi più promettenti per convertire in modo efficiente la luce solare in elettricità. Nelle celle solari multigiunzione, ogni giunzione o sottocella assorbe e converte la luce solare da una regione specifica dello spettro. Le sottocelle possono essere impilate una sopra l'altra in modo che la luce solare colpisca prima la sottocella con la banda proibita più alta, che è sintonizzato sulla luce con le lunghezze d'onda più corte o le energie più alte. Le lunghezze d'onda più lunghe passano attraverso la prima sottocella e colpiscono le sottocelle con bandgap inferiore.

Questa disposizione offre un vantaggio significativo rispetto alle celle solari a giunzione singola, che hanno un'efficienza teorica massima di solo il 34%. In teoria, una cella solare a "giunzione infinita" ha un'efficienza massima teorica di quasi l'87%. Ma per avvicinarsi a questo livello, le celle solari multigiunzione non solo necessitano di più sottocelle, ma materiali semiconduttori ottimali per le sottocelle per fornire una combinazione di bande proibite che coprano il più possibile lo spettro solare.

Per migliorare le attuali migliori celle solari multigiunzione, i ricercatori qui si sono concentrati sul miglioramento dell'attuale corrispondenza tra le diverse sottocelle, insieme all'utilizzo di un design a reticolo. Entrambi questi fattori hanno precedentemente limitato l'efficienza delle celle solari multigiunzione.

"La corrispondenza reticolare corrisponde alla corrispondenza tra le celle dell'unità cristallina delle diverse sottocelle, " autrice principale Marina Leite, un ricercatore energetico presso il National Institute of Standards and Technology, detto Phys.org . "Utilizzando sottocelle che sono abbinate a reticolo, possiamo ridurre al minimo le dislocazioni e altri difetti del cristallo che possono influenzare significativamente le prestazioni del dispositivo. Per le configurazioni tandem a due terminali è necessaria una corrispondenza di corrente perché in questo caso un'unica corrente attraversa tutte le sottocelle e le tensioni si sommano; perciò, se una sottocella ha meno fotocorrente limiterà la corrente generata dall'intero dispositivo. La corrispondenza attuale è desiderata in modo che ogni singola sottocella funzioni al proprio punto di massima potenza operativa."

I ricercatori hanno eseguito simulazioni dell'intero dispositivo per studiare la potenziale efficienza della cella solare. Per ogni strato nella modellazione, hanno considerato numerosi fattori, come la composizione del materiale, costante reticolare, spessore, costante dielettrica, affinità elettronica, banda proibita, densità effettiva di banda di valenza e di conduzione, motilità di elettroni e lacune, la concentrazione di doping di accettori e donatori superficiali, la velocità termica di elettroni e lacune, la densità della lega, Ricombinazione Auger per elettroni e lacune, ricombinazione diretta da banda a banda, e quanti fotoni con una specifica lunghezza d'onda vengono assorbiti e riflessi da ogni strato in base alle sue proprietà dielettriche.

Tenendo conto di tutti questi fattori, le simulazioni hanno mostrato che il design a 3 giunzioni potrebbe raggiungere un'efficienza del 51,8% con un'illuminazione a 100 soli, un grande miglioramento rispetto all'attuale migliore efficienza del 43,5% con un'illuminazione a 418 soli. Tutte e tre le sottocelle nel nuovo design avevano un'efficienza quantica esterna massima dell'80% e assorbivano la luce da un'ampia gamma dello spettro.

"Le celle solari multigiunzione sono testate con un numero diverso di soli perché sono spesso utilizzate nei sistemi fotovoltaici a concentrazione, che ci consentono di ridurre le dimensioni o il numero di celle necessarie, " Ha spiegato Leite. "Queste strategie tollerano l'uso di materiali semiconduttori più costosi, che altrimenti sarebbe proibitivo in termini di costi. I risultati possono certamente essere confrontati tra loro, purché le fonti di illuminazione siano ben calibrate."

I ricercatori hanno anche costruito una cella solare a prova di principio con un design equivalente, che hanno fabbricato su un substrato di fosfuro di indio (InP). La cella solare non è stata ottimizzata, quindi la sua efficienza era lontana dalla previsione teorica, ma i risultati hanno comunque dimostrato la capacità di realizzare sperimentalmente il progetto. Gli scienziati prevedono che, con ulteriori miglioramenti, questa cella solare a 3 giunzioni equivalente potrebbe avere un'efficienza pratica di circa il 20% sotto l'illuminazione di 1 sole.

"[La cella solare fabbricata] presenta una scarsa corrispondenza di corrente ma dimostra la nostra capacità di coltivare composti semiconduttori di alta qualità con una densità di difetti estremamente bassa e una stechiometria molto vicina a quanto richiesto per il design ottimizzato, " Ha detto Leite. "Il design ottimizzato per il bandgap è formato dalla stessa classe di leghe, e ha una grande partita attuale. Così, dopo l'ottimizzazione dei rivestimenti antiriflesso e di altri parametri di progettazione, le simulazioni indicano che si può raggiungere più del 50% sotto la luce solare concentrata."

Oltre a un rivestimento antiriflesso ottimizzato, alcuni degli altri miglioramenti possono comportare l'aggiunta di strati di superficie posteriore e finestra per ridurre la perdita e l'ispessimento delle due sottocelle inferiori per assorbire più completamente la luce a lunghezza d'onda lunga.

"Sono molto entusiasta dei nostri risultati iniziali relativi a un design ottimizzato per il bandgap, " Ha detto Leite. "Nel prossimo futuro ho intenzione di lavorare sull'integrazione del design ottimizzato nel modello a cristallo singolo al fine di fabbricare un primo solare monolitico (1.93 eV)InAlAs/(1.39 eV) InGaAsP/(0.94 eV)InGaAs cellula. Contemporaneamente, stiamo esaminando opzioni di rivestimento antiriflesso per la sottocella superiore InAlAs, che richiederà un materiale privo di ossigeno o la combinazione di un ossido e un solfuro come strato protettivo."

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