Un gruppo di ricerca tedesco ha sviluppato una cella solare tandem che raggiunge il 24% di efficienza, misurata in base alla frazione di fotoni convertiti in elettricità (cioè elettroni). Questo stabilisce un nuovo record mondiale per la più alta efficienza raggiunta finora con questa combinazione di assorbitori organici e a base di perovskite.
La cella solare è stata sviluppata dal gruppo del professor Dr. Thomas Riedl presso l'Università di Wuppertal insieme a ricercatori dell'Istituto di Chimica Fisica dell'Università di Colonia e altri partner di progetto delle Università di Potsdam e Tubinga, nonché dell'Helmholtz-Zentrum Berlin e del Max-Planck-Institut für Eisenforschng di Düsseldorf. I risultati sono stati pubblicati di recente su Nature con il titolo "Perovskite/celle solari tandem organiche con interconnessione con ossido di indio".
Le tecnologie convenzionali delle celle solari sono prevalentemente basate sul silicio. Miglioramenti significativi nella loro efficienza – cioè più watt di potenza elettrica per watt di radiazione solare raccolta – difficilmente possono essere previsti. Ciò rende ancora più necessario sviluppare nuove tecnologie solari che possano dare un contributo decisivo alla transizione energetica.
Due di questi materiali assorbenti alternativi sono stati combinati in questo lavoro. Qui sono stati utilizzati semiconduttori organici, che sono composti a base di carbonio che possono condurre elettricità in determinate condizioni. Questi sono stati accoppiati con una perovskite, basata su un composto piombo-alogeno, con eccellenti proprietà semiconduttive. Entrambe queste tecnologie richiedono molto meno materiale ed energia per la loro produzione rispetto alle celle al silicio convenzionali, rendendo possibile rendere le celle solari ancora più sostenibili.
Poiché la luce solare è costituita da diversi componenti spettrali, cioè colori, le celle solari efficienti devono convertire la maggior parte possibile di questa luce solare in elettricità. Ciò può essere ottenuto con le cosiddette celle tandem, in cui diversi materiali semiconduttori sono combinati nella cella solare, ognuno dei quali assorbe diverse gamme dello spettro solare. Nel presente studio i semiconduttori organici sono stati utilizzati per le parti ultraviolette e visibili della luce, mentre la perovskite può assorbire efficacemente nel vicino infrarosso. Combinazioni simili di materiali sono già state esplorate in passato, ma ora il team di ricerca è riuscito ad aumentare significativamente le loro prestazioni.
All'inizio del progetto, le migliori celle tandem perovskite/organiche del mondo avevano un'efficienza di circa il 20%. Sotto la guida dell'Università di Wuppertal, i ricercatori di Colonia, insieme agli altri partner del progetto, sono stati in grado di aumentare questo valore a un 24% senza precedenti. "Per ottenere un'efficienza così elevata, le perdite alle interfacce tra i materiali all'interno delle celle solari dovevano essere ridotte al minimo", ha affermato la dott.ssa Selina Olthof dell'Istituto di chimica fisica dell'Università di Colonia. "Per risolvere questo problema, il gruppo di Wuppertal ha sviluppato una cosiddetta interconnessione che accoppia la sottocella organica e la sottocella di perovskite elettronicamente e otticamente".
Come interconnessione, un sottile strato di ossido di indio è stato integrato nella cella solare con uno spessore di soli 1,5 nanometri per mantenere le perdite il più basse possibile. I ricercatori di Colonia hanno svolto un ruolo chiave nella valutazione delle proprietà energetiche ed elettriche delle interfacce e dell'interconnessione al fine di identificare i processi di perdita e ottimizzare ulteriormente i componenti. Le simulazioni del gruppo di Wuppertal hanno dimostrato che le celle tandem con un'efficienza superiore al 30% potrebbero essere raggiunte in futuro con questo approccio.