La cella solare più efficiente al mondo si affida ai pozzi quantici
(Rinnovabili.it) – L’efficienza di conversione del fotovoltaico senza concentratori sfiora il 40%. Il livello più alto mai raggiunto al mondo. Merito del National Renewable Energy Laboratory, uno dei centri di circa del Dipartimento statunitense dell’Energia. Qui un gruppo di scienziati ha messo a punto una cella solare in grado di trasformare in elettricità il 39,5% della luce incidente. Il segreto del successo sta nei materiali usati e nella tripla giunzione, approccio che integra in un’unica unità tre semiconduttori diversi con bandgap diversi.
In realtà per gli esperti del NREL, i record sono di casa. Gli scienziati avevano già raggiunto un risultato unico al mondo nel 2020 con una cella solare a sei giunzioni base di materiali III-V (chiamati così in virtù della loro posizione sulla tavola periodica). Il dispositivo mostrava allora una resa del 39,2% in condizioni standard e del 47,1% ad una concentrazione di 143 soli. Non solo. Sono anche i creatori dell’architettura metamorfica invertita per la tripla giunzione su cui oggi si basano molte delle celle solari III-V ad alta efficienza.
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Il nuovo lavoro ha alzato ulteriormente l’asticella e non solo nei confronti della resa. Uno dei problemi più grandi con questa tecnologia è il costo. I materiali III-V sono ancora troppo cari per un’applicazione su larga scala, motivo per cui questa tipologia fotovoltaica viene attualmente utilizzata soprattutto nel settore aerospaziale, per alimentare i satelliti.
Ma i ricercatori del NREL stanno lavorando per ridurre drasticamente le spese di produzione, fornendo modelli alternativi che rendano tali celle economiche per un’ampia varietà di applicazioni.
Tutta questione di equilibrio
E il primo passo è aumentare ulteriormente l’efficienza. Per la cella solare più efficiente al mondo gli scienziati hanno impiegato fosfuro di indio di gallio (GaInP) per la giunzione superiore; arseniuro di gallio (GaAs) con pozzi quantici per la parte centrale; arseniuro di indio di gallio (GaInAs) per quella inferiore.
Come sottolinea il ricercatore Ryan France “il GaAs è un materiale eccellente e generalmente utilizzato nelle celle multigiunzione III-V, ma non ha il gap di banda corretto per una cella a tre giunzioni. Il che significa che l’equilibrio delle fotocorrenti tra le tre celle non è ottimale”. Ecco perché il team ha inserito nello stato intermedio i pozzi quantici, elementi che confinano gli elettroni a specifici livelli di energia.
In questo modo hanno potuto estendere il bandgap del GaAs e aumentare la quantità di luce assorbita.problema France, scienziato senior e progettista di cellule. “Qui, abbiamo modificato il bandgap mantenendo un’eccellente qualità del materiale utilizzando pozzi quantistici, che abilitano questo dispositivo e potenzialmente altre applicazioni”. La ricerca appare nel numero di maggio della rivista Joule (testo in inglese).