Le celle solari CIGSe sono costituite da un sottile strato di calcopirite costituito da rame, indio, gallio e selenio e possono raggiungere alte efficienze. Poiché l'indio sta diventando scarso e costoso, è interessante ridurre lo strato CIGSe attivo, che tuttavia diminuisce l'efficienza abbastanza fortemente. Ora, gli scienziati dell'Helmholtz-Zentrum di Berlino hanno prodotto strati CIGSe ultrasottili di alta qualità e hanno aumentato la loro efficienza grazie a una serie di minuscole nanoparticelle tra il contatto posteriore e lo strato attivo.

Le nanoparticelle con dimensioni dell'ordine di una lunghezza d'onda interagiscono con la luce in modi specifici. Un giovane gruppo di investigatori all'Helmholtz-Zentrum di Berlino, guidato dalla professoressa Martina Schmid, sta indagando su come utilizzare disposizioni di tali nanoparticelle per migliorare le celle solari e altri dispositivi optoelettronici. Ora gli scienziati riferiscono in ACS Nano un notevole successo con le celle solari CIGSe ultrasottili.

I problemi si sommano sotto 1 micrometro

Le celle solari CIGSe hanno dimostrato elevate efficienze e sono dispositivi a film sottile consolidati con strati attivi di pochi micrometri di spessore. Ma poiché l'indio è un elemento raro, lo strato attivo dovrebbe essere il più sottile possibile. Questo riduce l'efficienza, poiché viene assorbita meno luce. E se lo strato attivo è più sottile di un micrometro, sorge un ulteriore problema:sempre più portatori di carica si incontrano e si ricombinano al contatto posteriore, perdersi".

Cella CIGSe ultrasottile con efficienze dell'11,1%

"Mi ci è voluto più di un anno per essere in grado di produrre strati ultrasottili di soli 0,46 micrometri o 460 nanometri che raggiungono comunque efficienze ragionevoli fino all'11,1%, Guanchao Yin racconta del suo progetto di dottorato. Ha quindi iniziato a indagare su come implementare le nanoparticelle tra i diversi strati della cella solare. Il suo supervisore Martina Schmid ne ha discusso con il Prof. Albert Polman, uno dei pionieri nel campo della nanofotonica, presso il Centro di Nanoottica, Amsterdam, con cui era già in contatto da tempo. Hanno proposto di produrre array di nanoparticelle dielettriche mediante tecnologie di nanoimprinting.

Nessun grande effetto delle nanoparticelle sulla parte superiore

In un primo passo, i colleghi di Amsterdam hanno implementato uno schema di nanoparticelle dielettriche di TiO2 sopra le celle solari ultrasottili di Yin; l'idea era che avrebbero agito come trappole luminose e avrebbero aumentato l'assorbimento nello strato CIGSe. Ma questo non ha aumentato l'efficienza tanto quanto dimostrato nelle celle solari a base di silicio. Yin ha quindi continuato i test e alla fine ha scoperto cosa funzionava meglio:un array di nanoparticelle non sopra ma sul contatto posteriore della cellula!

Nanoparticelle al contatto posteriore:l'efficienza aumenta al 12,3%

I colleghi di Amsterdam hanno prodotto una serie di nanoparticelle di SiO2, direttamente sul substrato di Molibdeno che corrisponde al contatto posteriore della cella solare. Sopra questo substrato strutturato è stato fatto crescere lo strato CIGSe ultrasottile da Yin, e successivamente tutti gli altri strati e contatti necessari per la cella solare. Con questa configurazione, l'efficienza è aumentata dall'11,1 % al 12,3 %, e la densità di corrente di cortocircuito delle celle CIGSe ultrasottili è aumentata di oltre 2 mA/cm2. Con ulteriori nanoparticelle antiriflesso nella parte anteriore le efficienze sono aumentate anche al 13,1%.

Intrappolamento della luce e prevenzione della perdita del vettore di carica

"Questo porta a un efficace intrappolamento della luce e non deteriora la cellula, " Spiega Yin. Ulteriori studi indicano che il nanoarray di nanoparticelle dielettriche di SiO2 sul lato posteriore potrebbe anche aumentare l'efficienza riducendo le possibilità di ricombinazione dei portatori di carica. "Questo lavoro è solo un inizio, ora abbiamo nuove idee per ulteriori progetti per migliorare l'assorbimento e ridurre la ricombinazione, aumentando così l'efficienza sfruttando i vantaggi ottici ed elettrici delle nanoparticelle, " dice Martina Schmid.