Il Nuovo Record di Efficienza per le Celle Solari Tandem

Le celle solari multi-giunzione (MJ) sono quella tipologia di celle fotovoltaiche con giunzioni P/N multiple costruite con differenti materiali semiconduttori. Ogni giunzione produce una corrente elettrica in risposta a differenti lunghezze d’onda della luce, e, più in specifico, della luce solare. L’utilizzo di materiali semiconduttori multipli permette l’assorbimento di un più ampio intervallo di lunghezze d’onda, migliorando, così, l’efficienza di conversione da luce solare a elettricità. La struttura più semplice di questa tecnologia è la tandem, dove sono presenti due assorbitori.

Un team internazionale di ricerca ha raggiunto un nuovo record di efficienza con le celle solari tandem. Il nuovo valore è 14 %, che supera il precedente record del 12.4 %, detenuto per diciassette anni da NREL, Stati Uniti. Il nuovo gruppo di lavoro è formato da varie università, tra cui la TU Ilmenau, Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), il California Institute of Technology e il Fraunhofer ISE. Capo progetto è il professor Matthias May, ricercatore dell’Istituto di Tecnologia Solare. Utilizzando un nuovo processo foto-elettrochimico, May ha potuto modificare alcune delle superfici dei semiconduttori in modo da farli funzionare meglio nella dissociazione dell’acqua, raggiungendo migliori performance. La componente fondamentale sono, naturalmente, le celle solari tandem caratterizzate da semiconduttori III-V.

M. May

Il professor May ha spiegato che “abbiamo elettronicamente e chimicamente reso passivi in situ gli strati di fosfato di alluminio e indio, accoppiandoli in modo efficiente allo strato catalizzatore per la produzione di idrogeno. Così facendo, siamo stati capaci di controllare la composizione della superficie in scala sub-nanometrica”. All’inizio i campioni duravano pochi secondi prima che l’output d potenza collassasse. Dopo anni di ottimizzazioni, i campioni rimangono stabili per circa 40 ore. In futuro si punterà a una stabilità a lungo termine con il goal di circa 1000 ore. Il professor Hannappel ha detto “le previsioni indicano che la generazione di idrogeno dalla luce solare con semiconduttori ad alta efficienza potrebbe diventare economicamente competitiva alle fonti fossili con livelli di efficienza del 15 % o più. Questo corrisponderebbe a un prezzo dell’idrogeno di circa quattro dollari per chilogrammo”. Il professor Lewerenz, invece, dice che “ci siamo quasi. Se riusciamo a ridurre le perdite di carica alle interfacce, potremmo essere in grado di stoccare chimicamente più del 17 % dell’energia solare incidente sotto forma di idrogeno utilizzando i sistemi tecnologici a semiconduttori”.

L’energia solare è più che disponibile sulla superficie terrestre, ma, purtroppo, non in modo costante e non dappertutto. Una delle più interessanti soluzioni per lo stoccaggio di questa energia è la fotosintesi artificiale. Questo è esattamente quello che le foglie fanno durante la normale fotosintesi, convertire la luce solare in energia chimica, ma può avvenire anche con i sistemi artificiali basati sui semiconduttori. Questi ultimi usano la potenza elettrica generata grazie alla luce solare nei semiconduttori per separare l’acqua in ossigeno e idrogeno. L’idrogeno ha una densità energetica molto alta and potrebbe essere utilizzato in tanti modi. In più dalla combustione dell’idrogeno non si genera anidride carbonica, pericolosa per il surriscaldamento globale, ma solo acqua. Finora, l’industria dell’idrogeno solare non ha, però, gran successo per i costi molto elevati.

Informazioni più dettagliate riguardo tale tecnologia possono essere trovate sull’articolo scientifico di May, M. M. et al. intitolato Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure.