L’azienda chimica giapponese Kaneka ha progettato una cella solare tandem con struttura cristallina di perovskite a due terminali (2T) utilizzando un wafer di silicio Czochralski (CZ) industriale dello spessore di 145 μm.
I ricercatori dell’azienda hanno costruito la cella con uno strato intermedio antiriflesso basato su quelle che chiamano “strutture a trama delicata” applicate sul lato anteriore del fondo. Secondo quanto riferito, ciò consente un significativo miglioramento degli effetti di confinamento della luce tipici dei dispositivi tandem perovskite-silicio.
“La tecnologia di gestione della luce è obbligatoria per utilizzare appieno l’ampia gamma dello spettro solare in una cella solare, in particolare per una struttura tandem a 2T, poiché le celle superiori e inferiori sono collegate elettricamente in serie e devono soddisfare i vincoli di corrispondenza della corrente, in base ai quali le rispettive correnti nel punto di funzionamento sono allineate in una certa misura”, hanno dichiarato. “A causa della grande differenza di indici di rifrazione tra la perovskite e i materiali di silicio cristallino (c-Si), lo strato intermedio ottimizzato, come mostrato, agisce come un rivestimento antiriflesso per sopprimere la perdita di riflessione della luce infrarossa che viene utilizzata nella cella inferiore”.
L’azienda ha controllato la morfologia della “struttura delicata” su entrambi i lati del wafer utilizzando l’incisione chimica. Attraverso la microscopia a forza atomica (AFM), ha confrontato le prestazioni dei due assorbitori con la struttura delicata con quelle di dispositivi simili privi della struttura. “Applicando la struttura delicata, la densità di fotocorrente della cella inferiore in silicio aumenta di oltre il 2% rispetto al riferimento”, ha spiegato l’azienda.
L’azienda ha fabbricato una cella superiore con un substrato in ossido di indio-stagno (ITO), uno strato di trasporto di elettroni in buckminsterfullerene (C60), uno strato di passivazione, l’assorbitore in perovskite, un monostrato autoassemblato, uno strato intermedio a base di ITO e ossido di silicio microcristallino (μc-SiOx). È stata poi fabbricata la cella inferiore con uno strato di silicio amorfo dopato con n (a-n:Si), diversi strati di silicio trattati con processi diversi e un contatto inferiore fatto di ITO e argento (Ag).
“Lo strato di passivazione è stato introdotto tra il C60 e lo strato di perovskite e gli spessori del wafer di c-Si e dello strato superiore di ITO sono stati ridotti in questo lavoro”, ha spiegato l’azienda. “Dopo aver rivestito lo strato di passivazione, il C60 è stato fatto evaporare termicamente in successione sul film di perovskite”.
Il dispositivo tandem ha raggiunto un’efficienza di conversione di potenza del 29,2%, una tensione a circuito aperto di 1,929 V, una densità di corrente di corto circuito di 19,5 mA cm-2 e un fattore di riempimento del 77,55%. Il risultato, confermato dal Fraunhofer ISE Callab, migliora l’efficienza del 28,3% che Kaneka aveva ottenuto in precedenza per un dispositivo con la stessa architettura, con le principali differenze nello strato di passivazione e nello spessore del wafer.
“Si tratta della più alta efficienza di conversione di potenza certificata di celle solari tandem in perovskite-silicio 2T con wafer CZ di cui siamo a conoscenza”, ha dichiarato l’azienda, precisando che sta attualmente valutando la possibilità di passare a una configurazione a quattro terminali (T4) per l’ulteriore sviluppo del dispositivo.
L’azienda ha presentato la nuova cella nel documento “High efficiency perovskite/heterojunction crystalline silicon solar cells tandem: towards industrial-sized cell and module“, pubblicato di recente sul Japanese Journal of Applied Physics.
In passato Kanela ha sviluppato quella che è tuttora la seconda cella solare più efficiente basata sul silicio cristallino: una cella solare al silicio cristallino con un’efficienza del 26,63%, dotata di tecnologia a eterogiunzione e a contatto posteriore.
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