Nuova prassi svizzera per la cattura “double face” di energia solare

Le celle solari bifacciali a film sottile basate sul seleniuro di rame, indio e gallio o CIGS sono in grado di raccogliere l’energia proveniente dalla nostra stella sia dal lato anteriore che da quello posteriore e quindi di produrre potenzialmente più elettricità rispetto alle loro controparti convenzionali.

Finora, tuttavia, la loro fabbricazione ha portato soltanto a modeste efficienze di conversione energetica.

Un team dell’EMPA ha sviluppato adesso un nuovo processo di produzione a bassa temperatura che ha permesso di ottenere efficienze record del 19,8 per cento per l’illuminazione anteriore e del 10,9 per cento per quella posteriore.

Inoltre, hanno anche prodotto la prima cella solare bifacciale perovskite-CIGS “in tandem”, come recentemente pubblicato sulla rivista “Nature Energy”, aprendo la possibilità di rendimenti energetici ancora più elevati in futuro.

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Obiettivo: la conquista del 70 per cento del mercato entro il 2030

L’idea è tanto diretta quanto semplice: se possiamo catturare sia la luce solare diretta che la sua parte riflessa attraverso la parte posteriore della cella fotovoltaica, ciò dovrebbe aumentare il rendimento di energia prodotto dalla cella stessa.

Le applicazioni potenziali sono, ad esempio, il fotovoltaico integrato negli edifici, l’agrivoltaico (l’uso simultaneo di aree di terreno per la produzione di energia fotovoltaica e per l’agricoltura) e i moduli solari installati verticalmente o ad alta inclinazione su terreni ad alta quota, molto diffusi in Svizzera.

Ecco che cos’è la cella solare bifacciale.

Secondo la “International Technology Roadmap of Photovoltaics”, le celle solari bifacciali potrebbero conquistare una quota di mercato pari al 70 per cento del mercato fotovoltaico complessivo entro il 2030.

Sebbene le celle solari bifacciali basate su wafer di silicio siano già presenti sul mercato, le celle solari a film sottile sono rimaste finora indietro.

Ciò è dovuto, almeno in parte, all’efficienza piuttosto bassa delle celle solari bifacciali a film sottile CIGS, causata da un problema critico: affinché una cella solare bifacciale possa raccogliere la luce solare riflessa sul lato posteriore, è necessario un contatto elettrico otticamente trasparente.

Questo si ottiene utilizzando un Ossido Conduttivo Trasparente (TCO) che sostituisce il contatto posteriore opaco delle celle solari convenzionali, cioè monofacciali, realizzate in molibdeno.

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Quella formazione di ossido dannosa dal contatto gallio-ossigeno

Ed è qui che iniziano i problemi: le celle solari CIGS ad alta efficienza sono generalmente prodotte con un processo di deposizione ad alta temperatura, cioè superiore a 550 gradi.

A queste temperature, tuttavia, si verifica una reazione chimica tra il gallio (dello strato CIGS) e l’ossigeno del contatto posteriore trasparente, generando un ossido.

Lo strato di interfaccia di ossido di gallio che ne risulta blocca il flusso di corrente generato dalla luce solare, riducendo così l’efficienza di conversione energetica della cella.

I valori più alti raggiunti finora in una singola cella sono il 9,0 per cento per il lato anteriore e il 7,1 per cento per il lato posteriore.

“È davvero difficile ottenere una buona efficienza di conversione energetica per le celle solari con contatti conduttori trasparenti sia anteriori che posteriori”, spiega Ayodhya Nath Tiwari, che dirige il laboratorio Thin Film and Photovoltaics dell’EMPA.

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La chiave: l’argento per abbassare il punto di fusione a 350 gradi

Per questo motivo, il dottorando Shih-Chi Yang del gruppo di Romain Carron nel laboratorio del professor Tiwari ha sviluppato un nuovo processo di deposizione a bassa temperatura che dovrebbe produrre una quantità molto minore di ossido di gallio, idealmente nulla.

Hanno utilizzato una piccola quantità di argento come una sorta di ingrediente segreto per abbassare il punto di fusione della lega CIGS e ottenere strati assorbenti con buone proprietà elettroniche a soli 350 gradi di temperatura di deposizione.

Ed è certo, quando hanno analizzato la struttura multistrato con la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione, con l’aiuto dell’ex postdoc di Tiwari, Tzu-Ying Lin, attualmente alla National Tsing Hua University di Taiwan, il team non è riuscito a rilevare alcun ossido di gallio all’interfaccia.

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Un ambizioso rendimento energetico superiore al 33 per cento?

Tutto ciò si riflette anche in un’efficienza di conversione energetica drasticamente migliorata: la cella ha prodotto valori del 19,8 per cento per l’illuminazione anteriore e del 10,9 per cento per l’illuminazione posteriore, certificati in modo indipendente dall’Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare (ISE) di Friburgo in Germania, nella stessa cella su un substrato di vetro.

Inoltre, l’équipe del Laboratorio Federale di Prova dei Materiali e di Ricerca è riuscito a fabbricare, per la prima volta, una cella solare CIGS bifacciale su un substrato polimerico flessibile, che amplia lo spettro delle potenziali applicazioni grazie alla sua leggerezza e flessibilità.

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Prossimo step degli scienziati la cella “tandem” CIGS-perovskite

Infine, i ricercatori hanno combinato due tecnologie fotovoltaiche – CIGS e celle solari di perovskite – per produrre una cella bifacciale “tandem”.

Secondo Ayodhya Nath Tiwari, la tecnologia CIGS bifacciale ha il potenziale per produrre efficienze di conversione energetica superiori al 33 per cento, aprendo così ulteriori opportunità per le celle solari a film sottile in futuro.

Il professor Tiwari sta cercando di stabilire una collaborazione con laboratori e aziende chiave in Europa per accelerare lo sviluppo della tecnologia e la sua producibilità industriale su scala più ampia.

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