Nuovo record mondiale per le celle solari CIGS

Il record è il risultato di una collaborazione tra la società First Solar European Technology Center (precedentemente nota come Evolar) e i ricercatori nel campo delle celle solari dell’Università di Uppsala.

“Le misurazioni che abbiamo effettuato noi stessi per questa cella solare e per altre celle solari prodotte di recente rientrano nel margine di errore per la misurazione indipendente. Questa misurazione verrà utilizzata anche per una calibrazione interna dei nostri metodi di misurazione”, afferma Marika Edoff, Professore di tecnologia delle celle solari presso l’Università di Uppsala, responsabile dello studio.

Il precedente record mondiale era del 23,35% (Solar Frontier, Giappone), preceduto dal 22,9% (ZSW, Germania). L’Università di Uppsala ha detenuto il record in precedenza, la prima volta negli anni ’90 nella collaborazione di ricerca Euro-CIS.

“Un tempo detenevamo anche il record per un prototipo collegato in serie. Anche se è passato molto tempo dall’ultima volta che detenevamo il record delle celle, spesso siamo rimasti appena dietro ai migliori risultati e ovviamente ci sono molti aspetti rilevanti da considerare , come il potenziale per trasformarsi in un processo su larga scala, dove siamo sempre stati in prima linea”, afferma Edoff.

Le celle solari stanno aumentando rapidamente in tutto il mondo e, secondo l’Agenzia internazionale per l’energia (IEA), l’energia solare rappresentava poco più del 6% dell’elettricità in tutto il mondo nel 2022. I migliori moduli solari in silicio cristallino, che è il materiale più utilizzato nelle celle solari, attualmente convertono più del 22% della luce solare in energia elettrica e le moderne celle solari sono a basso costo e stabili a lungo termine.

Uno degli obiettivi della ricerca sulle celle solari è raggiungere un’efficienza superiore al 30% con costi di produzione ragionevoli. Molto spesso l’attenzione si concentra sulle celle solari tandem, in quanto più efficienti, ma finora sono state troppo costose per un uso su larga scala.

Il record mondiale del 23,64% è stato misurato dall’istituto indipendente Fraunhofer ISE in Germania. Il documento accademico presenta un’analisi materiale ed elettrica approfondita della cella solare, nonché un confronto con i precedenti record per lo stesso tipo di cella solare di altri istituti di ricerca.

Le proprietà più importanti di una cella solare sono la capacità di assorbire la luce e la capacità di trasportare energia a un carico elettrico. Affinché ciò avvenga, il materiale deve essere in grado di assorbire una porzione ottimale di luce solare evitando di sprecare questa energia convertendola in calore all’interno della cella solare.

Le celle solari CIGS sono costituite da una lastra di vetro realizzata con il normale vetro di una finestra, rivestita con diversi strati, ciascuno dei quali ha un compito specifico. Il materiale che assorbe la luce solare è costituito da rame, indio, gallio e seleniuro (da cui l’acronimo CIGS), con aggiunte di argento e sodio. Questo strato è posto nella cella solare vera e propria, tra un contatto posteriore di molibdeno metallico e un contatto frontale trasparente. Per rendere la cella solare il più efficiente possibile nella separazione degli elettroni, lo strato CIGS viene trattato con fluoruro di rubidio. L’equilibrio tra i due metalli alcalini, sodio e rubidio, e la composizione dello strato CIGS sono fondamentali per l’efficienza di conversione, ovvero la quota dell’intero spettro solare che viene convertita in energia elettrica nella cella solare.

Quando gli istituti di misurazione conducono i loro test, misurano l’efficienza delle celle solari utilizzando luce filtrata che imita il sole sia nell’intensità che nello spettro. Durante la misurazione la cella solare viene mantenuta a una temperatura controllata e gli istituti indipendenti si scambiano regolarmente celle solari di calibrazione. Per essere registrato come record mondiale è necessaria una misurazione indipendente, che in questo caso è stata effettuata dall’istituto di misurazione Fraunhofer ISE.

“Il nostro studio dimostra che la tecnologia CIGS a film sottile è un’alternativa competitiva come cella solare autonoma. La tecnologia ha anche proprietà che possono funzionare in altri contesti, come la cella inferiore di una cella solare tandem”, afferma Edoff.

Sono stati utilizzati diversi metodi di misurazione avanzati per comprendere ulteriormente la correlazione tra l’efficienza e la struttura della cella solare: il materiale della cella solare è stato caratterizzato mediante nano-XRF (spettroscopia di fluorescenza a raggi X) presso l’impianto MAX IV di Lund, dove un è stata effettuata un’attenta analisi compositiva. La microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ad alta risoluzione è stata utilizzata per studiare le sezioni trasversali della cella solare, sia la composizione in funzione della profondità, sia il modo in cui sono costruiti i grani cristallini, nonché le interfacce tra gli strati. Utilizzando la fotoluminescenza, lo spettro della luce emessa dalla cella solare dopo l’eccitazione da parte di un laser è stato studiato come mezzo per comprendere quanto bene la cella solare si prende cura degli elettroni internamente. Una cella solare che brilla intensamente ha una percentuale inferiore di perdite di calore interne rispetto a una cella solare che brilla debolmente. Infine, sono stati utilizzati metodi di misurazione elettrica per analizzare il drogaggio del materiale CIGS.

“Il fatto che ora deteniamo il record mondiale significa molto sia per l’Università di Uppsala che per il First Solar European Technology Center. Per la tecnologia CIGS, nota per l’elevata affidabilità, un record mondiale significa anche che potrebbe offrire una valida alternativa per le nuove applicazioni, ad esempio, nelle celle solari tandem. Questo è importante per i nostri colleghi ricercatori in tutto il mondo. Ci auguriamo che le analisi del materiale e delle proprietà elettriche forniscano una base per ulteriori miglioramenti nelle prestazioni,” conclude Edoff.