Un gruppo di scienziati guidati dalla Technical University of Denmark ha sviluppato una cella solare tandem basata su una cella superiore con un assorbitore al selenio (Se) e un dispositivo inferiore in silicio (Si).
La novità della ricerca consiste nell’integrare per la prima volta una cella di Se ad ampio bandgap energetico in un dispositivo fotovoltaico con una configurazione tandem. Questo semplice dispositivo tandem è unico nel suo genere perché si basa su materiali assorbenti a singolo elemento.
“Il limite di Shockley-Queisser per una cella solare tandem di questo tipo supera il 40% di efficienza”, ha dichiarato a pv magazine l’autore corrispondente della ricerca, Rasmus Nielsen. Pertanto, questa cella solare tandem ha il potenziale per aumentare l’efficienza di conversione di potenza delle celle solari al silicio a un costo molto basso, dato che il selenio deve essere lavorato a temperature inferiori a 200 C”.
La nuova cella, secondo i suoi creatori, è una potenziale alternativa alle celle solari tandem perovskite-silicio. I suoi vantaggi includono il fatto che il semiconduttore è inorganico, è composto da un solo elemento e ha un’ottima capacità di assorbire la luce, oltre ad avere una bassa tossicità ed essere abbondantemente presente sulla terra.
Utilizzando il software per la capacità delle celle solari SCAPS-1D, sviluppato dall’Università di Gand, i ricercatori hanno identificato una barriera di trasporto critica per questo tipo di celle tandem all’interfaccia tra lo strato di trasporto degli elettroni (ETL) e lo strato di ricombinazione, che secondo loro limita il flusso dei portatori di carica e riduce l’efficienza di conversione dell’energia della cella.
Gli scienziati hanno dimostrato che questo problema può essere risolto sostituendo l’ossido di zinco e magnesio (ZnMgO) con uno strato di biossido di titanio (TiO2) per il contatto di tipo n nella cella superiore al selenio.
“Le densità di corrente di cortocircuito integrate delle singole sottocelle mostrano che la cella superiore al selenio limita la corrente complessiva del dispositivo tandem”, hanno spiegato. “Applicando un bias inverso alla cella superiore utilizzando il terzo terminale accessibile, l’efficienza di raccolta migliora significativamente”.
Per la cella di silicio inferiore, gli scienziati hanno utilizzato un dispositivo TOPCon di tipo n personalizzato con uno strato di ricombinazione di ossido di indio-stagno (ITO) e un contatto metallico di argento (Ag) sul lato posteriore. Il dispositivo superiore è stato fabbricato direttamente sullo strato ITO, utilizzando un contatto di tipo n basato sull’ossido di zinco e magnesio (ZnMgO) o sul biossido di titanio (TiO2).
Gli scienziati hanno scoperto che il dispositivo tandem basato su ZnMgO raggiungeva una tensione a circuito aperto di 1,68 V, ma con una bassa efficienza. Le migliori prestazioni complessive sono state ottenute utilizzando il contatto TiO2 di tipo n, raggiungendo un’efficienza del 2,7%, 10 volte superiore a quella dello ZnMgO. Sono state analizzate a fondo le perdite ancora significative della cella superiore al selenio e sono state proposte strategie per migliorare ulteriormente la cella solare tandem.
“Sostituendo il materiale di trasporto elettron-selettivo, abbiamo ottenuto un promettente aumento di dieci volte dell’efficienza, pur compromettendo l’allineamento ideale delle bande all’eterogiunzione p-n”, hanno dichiarato i ricercatori. “Questo evidenzia l’importanza di ottimizzare le interfacce dell’eterostruttura, per le quali si dovrebbe prendere in considerazione l’inclusione di strati di modifica superficiale”.
I ricercatori hanno presentato il nuovo concetto di cella nello studio “Monolithic Selenium/Silicon Tandem Solar Cells”, pubblicato su PRX Energy.
In prospettiva, il gruppo di ricerca ha dichiarato di voler invertire la struttura del dispositivo, in modo da scambiare i contatti di tipo n e di tipo p delle celle superiori e inferiori. “Suggeriamo inoltre di sostituire lo strato di ITO con un altro strato di ricombinazione più compatibile con i film sottili di ZnMgO”, ha spiegato Nielsen. “Infine, si dovrebbero affrontare molte perdite di resistenza in serie”.
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