Cu₂BaSn(S,Se)₄, il nuovo materiale solare per il fotovoltaico a film sottile
Arriva dal Messico e più precisamente dalla facoltà di Chimica dell’Universidad Autónoma de Querétaro l’ultimo progresso in campo di fotovoltaico a film sottile. Qui, infatti, un gruppo di ricercatori ha messo a punto una cella a base di un calcogenuro metallico che fa fare un balzo in avanti alle prestazioni del suo segmento. Si tratta di un nuovo materiale solare? Sì e no. Il semiconduttore in questione è il Cu₂BaSn(S,Se)₄, un calcogenuro misto di rame, bario, stagno, zolfo e selenio, che sta riscuotendo un’enorme attenzione come potenziale assorbitore fotovoltaico.
Il composto è abbondante, non tossico, dotato di eccezionali proprietà optoelettroniche e conduttività di tipo p. Caratteristiche che gli hanno fatto meritare un posto nella recente ricerca fotovoltaica. Nel 2016 è stata infatti realizzata la prima cella solare a base di Cu₂BaSn(S,Se)₄, grazie al lavoro di un gruppo di chimici della Duke University (Stati Uniti). L’unità – ampia 0,42 cm2 – mostrava allora un’efficienza di conversione di solo 1,6% ma offriva una strada alternativa a calcogenuri più conosciuti (ma più problematici) come il CdTe o il CZTSSe.
Da allora la tecnologia ha continuato a progredire, raggiungendo un’efficienza del 5% nel 2017 e del 6,17% nel 2022.
Dal 6,17% al 28% di efficienza in due anni e mezzo
Oggi il balzo in avanti. Il team dell’ateneo messicano è riuscito a toccare un’efficienza di conversione del 28%, quasi dodici punti in poco più di due anni. Come spiega la ricercatrice Latha Marasamy, una delle autrici del progresso, per centrare l’obiettivo è stato impiegato il software di simulazione SCAPS-1D.
“Il nostro viaggio è iniziato con lo sviluppo di un modello di base che rispecchia la struttura del dispositivo sperimentale”, scrive Marasamy. “Quindi abbiamo apportato miglioramenti strategici, come l’incorporazione di un rivestimento antiriflesso per ridurre al minimo la perdita di luce, la sostituzione del molibdeno con il nichel [come contatto posteriore] per facilitare il contatto ohmico e l’aggiunta di uno strato di ioduro di rame come campo superficiale posteriore per rafforzare il campo elettrico nella giunzione”.
I miglioramenti hanno alzato l’efficienza di conversione sino al 10% ma il team voleva di più.
Per alzare ulteriormente l’asticella, gli scienziati si sono concentrati sulla ricerca di strati di trasporto ottimali per la cella, simulando circa 780 configurazioni uniche. Alla fine il nuovo materiale solare ha trovato la sua architettura congeniale. “Affinando lo spessore e la densità dei portatori di ogni strato, abbiamo ottenuto una notevole efficienza di conversione del 28% con la configurazione AZO/ZMO/TiO2/Cu2 BaSn(S,Se)4 /CuI/Ni. Un risultato eccezionale che mostra il potenziale di questa tecnologia”.
La ricerca dal titolo “Boost efficiency with buffer and bottom stack optimization in Cu2BaSn(S,Se)4 solar cells by simulation”, è stata pubblicata su Journal of Alloys and Compounds (2024).