Ricercatori spagnoli sviluppano una cella solare che raggiungerà l’83% di efficienza

L’energia solare migliora da anni le sue prestazioni, ma presenta ancora ampio margine di miglioramento. Sebbene le installazioni attuali siano sempre più economiche ed efficienti, esiste un limite fisico che condiziona le prestazioni delle cellule solari convenzionali.

Ora, un gruppo di scienziati dell’Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO), situato a Castelldefels, Barcellona, ha presentato una soluzione che potrebbe aiutare a superare questo ostacolo. E la cosa più interessante è che non richiede lo sviluppo di un materiale semiconduttore completamente nuovo, bensì la modifica di uno dei componenti delle cellule solari per sfruttare al meglio l’energia che ricevono.

La chiave sta nel sostituire l’elettrodo trasparente convenzionale con uno strato estremamente sottile d’argento, in grado di condurre l’elettricità, far passare la luce e, allo stesso tempo, controllare il modo in cui parte della radiazione proveniente dall’interno della cella viene emessa.

Uno strato d’argento per superare il limite di efficienza dei pannelli solari

Per comprendere l’importanza di questo progresso è necessario parlare del noto limite di Shockley-Queisser, un riferimento della fisica che stabilisce che una cella solare convenzionale a un’unica giunzione ha un massimo teorico di efficienza vicino al 33% in condizioni standard di illuminazione solare.

Questo significa che, anche utilizzando materiali di alta qualità e riducendo al minimo i difetti di produzione, esiste una quantità significativa di energia che non può essere sfruttata. Una parte viene persa sotto forma di calore, mentre un’altra corrisponde a fotoni che non hanno energia sufficiente per generare elettricità.

Tuttavia c’è un terzo fenomeno che riduce anch’esso l’efficienza. Quando la luce solare raggiunge il semiconduttore, libera elettroni che possono generare una corrente elettrica. Tuttavia, alcuni di questi elettroni si ricombinano nuovamente e emettono fotoni che alla fine escogono dalla cella, portandosi via parte dell’energia.

Gli investigatori spagnoli hanno concentrato i loro sforzi proprio sulla riduzione di queste perdite, legate all’emissione di radiazioni e alle cosiddette perdite di Boltzmann. La loro proposta consiste nel modificare il modo in cui la luce può uscire dalla cella solare, sfruttando le proprietà ottiche di un film metallico.

Invece dell’ossido di indio e stagno tradizionale, noto come ITO, hanno utilizzato uno strato d’argento così sottile da permettere il passaggio di una buona parte della luce, ma che presenta anche proprietà riflettenti. In questo modo, limitano gli angoli attraverso cui può fuggire la radiazione emessa dall’interno.

Il risultato è una struttura che funziona parzialmente come una cavità ottica, contribuendo a migliorare l’efficienza nell’utilizzo dei fotoni. Negli esperimenti, il team ha osservato miglioramenti sia nella tensione che nella corrente elettrica, aspetto particolarmente rilevante poiché entrambi i parametri determinano la potenza che una cella solare può fornire.

Dal 33% al 43% di efficienza: cosa hanno realmente ottenuto

Sulla base di questi risultati, i modelli teorici indicano che, perfezionando la tecnologia, si potrebbero raggiungere efficienze vicine al 43%. Una cifra che rappresenterebbe un salto considerevole rispetto al limite classico delle celle a singola giunzione, anche se rimane ancora molto lavoro da svolgere per verificare fino a che punto possa arrivare questa proposta.

Il ricercatore Francisco Bernal Texca, primo autore dello studio, ritiene che questo lavoro apra una via di ricerca finora poco esplorata per superare il limite di Shockley-Queisser. Il vantaggio è che offre un’alternativa alle strategie abituali, incentrate principalmente sulla combinazione di diversi materiali semiconduttori.

Infatti, se questa tecnologia riuscirà a svilupparsi fino a diventare una soluzione commerciale, potrà aumentare la produzione di elettricità senza dover aumentare proporzionalmente la superficie occupata dai pannelli. Questo è particolarmente interessante per le installazioni sui tetti, dove lo spazio disponibile è solitamente limitato.

Una tecnologia che potrebbe completare le celle solari a perovskite

Il lavoro dell’ICFO arriva in un momento di intensa concorrenza per migliorare l’efficienza fotovoltaica. Una delle tecnologie che sta ricevendo maggiore attenzione è quella delle celle solari a tandem, che combinano diversi materiali per sfruttare diverse parti dello spettro solare.

Un esempio è il produttore cinese LONGi, che ha annunciato un’efficienza del 35,5% in una cella a tandem a base di perovskite e silicio. In questo caso, il principio è diverso da quello utilizzato dai ricercatori di Barcellona: invece di controllare la radiazione che escapa, vengono combinati materiali con diverse proprietà di assorbimento per sfruttare al meglio l’energia dei fotoni.

La perovskita permette di regolare le lunghezze d’onda che può assorbire, mentre il silicio si occupa di sfruttare un’altra parte dello spettro. Questa combinazione consente di superare il limite che affligge una cella convenzionale a singola giunzione.

La proposta dell’ICFO affronta un altro meccanismo di perdita, aprendo così la possibilità di studiare soluzioni complementari. Ciò non significa che entrambe le tecnologie possano essere combinate direttamente senza difficoltà, ma indica che esistono diversi percorsi per continuare ad aumentare l’efficienza dell’energia solare.

Vengono inoltre esplorate tecniche come la fissione singola, che mira a sfruttare fotoni ad alta energia per generare più di una eccitazione elettronica. Si tratta di strategie ancora sperimentali, ma dimostrano che il margine di miglioramento della tecnologia fotovoltaica rimane considerevole.

Più elettricità con la stessa superficie di pannelli solari

La conseguenza pratica dell’aumento dell’efficienza è piuttosto semplice: maggiore è l’energia che si può ottenere da una stessa superficie, minore sarà lo spazio necessario per raggiungere una determinata produzione di elettricità.

Ad esempio, in un confronto puramente teorico, una cella con un’efficienza del 43% potrebbe generare circa il 30% in più di elettricità per unità di superficie rispetto a una con un’efficienza del 33%, purché entrambe funzionino nelle stesse condizioni.

Questo avrebbe conseguenze per le installazioni di autoconsumo, le grandi centrali solari e anche per applicazioni in cui ogni metro quadrato è particolarmente prezioso. Dalle coperture industriali ai sistemi fotovoltaici integrati negli edifici, aumentare la produzione senza ampliare la superficie installata rappresenta un vantaggio evidente.

Tuttavia, esistono ancora importanti ostacoli. La nuova struttura dovrà dimostrare di poter essere prodotta su larga scala, di mantenere le sue prestazioni per anni e di offrire costi competitivi. Sarà inoltre necessario verificare se i miglioramenti osservati in laboratorio persistono quando il sistema viene trasferito a celle di dimensioni maggiori e, successivamente, a moduli completi.

L’uso dell’argento non è nemmeno un dettaglio trascurabile, visto che si tratta di un materiale relativamente costoso. Anche se gli strati utilizzati sono estremamente sottili, il loro consumo, la stabilità e il processo di produzione saranno fattori importanti per determinare la fattibilità commerciale.

Per ora si tratta di un progresso scientifico, non di una nuova generazione di pannelli solari pronti per essere installati sui tetti. Tuttavia, il lavoro dei ricercatori di Barcellona dimostra che ci sono ancora percorsi da esplorare per sfruttare meglio una fonte di energia che riceviamo gratuitamente ogni giorno.

E se alla fine si riuscisse a convertire una parte molto maggiore di quella luce in elettricità, l’energia solare potrebbe continuare a ridurre i propri costi senza necessità di occupare sempre più spazio.