NREL: è record di efficienza per celle solari

Un gruppo di scienziati e ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) afferma, in un recente studio pubblicato su Nature Energy, di aver fabbricato una cella solare dall’efficienza prossima al 50%. È record di efficienza per le celle solari!

Effetto fotovoltaico e celle solari

Edmund Bequerel riporta l’effetto fotovoltaico per la prima volta nel 1839. Egli aveva notato che una luce incidente su un elettrodo di platino, ricoperto d’argento ed immerso in un elettrolita, produce una corrente elettrica. Albert Einstein pubblicò nel 1905 la teoria che descrive l’effetto fotoelettrico e ciò gli valse il Nobel per la fisica nel 1921.

Una radiazione elettromagnetica che investe un materiale può cedervi energia. Gli elettroni più esterni degli atomi del materiale, accettano questa energia e, se sufficiente, vengono allontanati dall’atomo. Questo genera una lacuna nell’atomo di origine. L’energia assorbita, che permette all’elettrone di passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, deve essere uguale o superiore alla banda proibita.

La prima cella solare al silicio, prodotta nel 1954, garantiva un’efficienza di conversione del 6%.

Una cella solare è costituita da livelli di materiale semiconduttore, come i solidi cristallini del IV gruppo della tavola periodica (Silicio o Germanio), oppure composti binari formati da elementi del III e del V gruppo della tavola periodica (Gallio o Arsenico).

Una cella solare è, di fatto, un generatore di corrente che tramite l’effetto fotovoltaico trasforma energia solare incidente in elettricità. Un buon modello matematico per l’analisi del funzionamento è quello del diodo ideale di Shockley.

Celle solari a sei giunzioni

Per costruire il dispositivo, i ricercatori del NREL hanno usato materiali III-V (cioè del 3° e del 5° gruppo della tavola periodica) progettando ciascuna delle sei giunzioni della cella (gli strati fotoattivi) per catturare la luce da una specifica sezione dello spettro solare.

Il dispositivo contiene 140 strati totali di materiali III-V per supportare le 6 giunzioni e ha uno spessore tre volte inferiore a quello di un capello.

Efficienza record per le celle solari

Il dispositivo progettato ha permesso di ottenere il record di efficienza (39,2%) sotto illuminazione solare diretta.

Le celle solari III-V sono molto efficienti ma a causa dell’elevato costo di realizzazione vengono usate per applicazioni particolari come l’alimentazione dei satelliti. Sulla Terra, per ridurre i costi, è necessario ridurre l’area attiva da produrre. Per fare ciò è necessario sfruttare un concentratore solare così da focalizzare la luce in un solo punto. Questo permette di ridurre le dimensioni, rispetto alla cella di silicio a piastra piatta, da 100 a 1000 volte. Concentrando la luce aumenta l’efficienza della cella.

In queste condizioni il dispositivo ha ottenuto un valore record di efficienza pari al 47,1%.

La barriera da superare

John F. Geisz, primo autore del lavoro pubblicato, afferma che il principale ostacolo da superare per oltrepassare il 50% di efficienza sono le barriere resistive interne alla cella che ostacolano il flusso di corrente.

Il NREL è costantemente al lavoro sul tema e, in futuro, faranno registrare nuovi valori record per l’efficienza delle celle solari.