Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell’Energia del Colorado ha stabilito un nuovo record di efficienza delle celle solari: 39,5%. La cella solare a tripla giunzione è riuscita a stabilire questo record grazie ai miglioramenti apportati allo strato intermedio della cella, reso possibile grazie all’utilizzo di nuove tecniche per la costruzione di pozzi quantici. Il risultato è stato raggiunto in condizioni standard di illuminazione globale a 1 sole.
L’unità di misura 1 sole è semplicemente un modo standardizzato per misurare una quantità fissa di luce solare e, grazie alla nuova cella solare, quasi il 40% può ora essere convertito in elettricità.
La nuova cella solare
Sul mercato esistono diversi tipi di celle solari. Il tipo utilizzato in questo caso sono le celle solari tandem III-V a tripla giunzione. Le stesse utilizzate per i satelliti e i veicoli spaziali, ma che risultano avere un grande potenziale anche sulla Terra.
L’High-Efficiency Crystalline Photovoltaics (PV) che fa parte del Gruppo NREL, per la realizzazione della cella solare ha utilizzato centinaia di strati di materiali, ciascuno ottimizzato sulla base delle iterazioni tecnologiche sviluppate negli ultimi decenni e sviluppate su questa classe di prodotti.
La cella solare è composta da tre diversi materiali: la giunzione superiore è costituita da fosfuro di gallio e indio (GaInP), lo strato intermedio è costituito da arseniuro di gallio (GaAs), circondato dai pozzi quantici sopra menzionati, e lo strato inferiore è costituito da arseniuro di gallio e indio (GaInAs) con disallineamento reticolare.
Ogni giunzione si concentra su una particolare parte della gamma dello spettro solare, questo significa che viene persa e inutilizzata meno luce.
Il record precedente per le celle solari standard era del 39,2% e, sebbene l’efficienza sia quasi pari a questo nuovo record, quella cella era un’unità a sei giunzioni. Questa cella solare, che utilizza materiali simili, è stata in grado di aumentare l’efficienza di generazione sfruttando i progressi della ricerca sugli strati a pozzo quantico.
L’efficienza del pozzo quantico
Gli autori hanno notato che centinaia di strati di pozzi quantistici si trovano tra lo strato centrale e i materiali sopra e sotto di esso. Questi pozzi modificano il modo in cui gli elettroni, energizzati dai fotoni, vengono catturati e spostati attraverso la cella solare nel circuito dei pannelli. Durante l’esperimento, il numero di pozzi quantici è stato modificato tra 100 e 300, questo con lo scopo di ottenere le caratteristiche specifiche di corrente rispetto alla tensione che i ricercatori stavano cercando. I pozzi quantici hanno uno spessore da cinque a dieci nanometri, questo ha aumentato lo spessore cumulativo dello strato intermedio – di GaAs – da 850 nm a 2,5 mm.
La fisica che sta dietro ai pozzi quantici è piuttosto complessa, ma l’idea generale è che i materiali siano scelti e ottimizzati con cura e resi il più sottili possibile. Questo influisce sul bandgap, la quantità minima di energia necessaria per eccitare gli elettroni e far fluire la corrente.
Un elemento chiave è che il GaAs, pur essendo un materiale eccellente e generalmente utilizzato nelle celle multigiunzione III-V, non ha il bandgap corretto per una cella a tre giunzioni, questo significa che il bilanciamento delle fotocorrenti tra le tre celle non è ottimale
I ricercatori hanno quindi modificato il bandgap mantenendo un’eccellente qualità dei materiali grazie all’utilizzo dei pozzi quantici che rendono possibile questo tipo di soluzione e potenzialmente applicabile per altri utilizzi.
Sebbene questo tipo di tecnologia richieda diverso tempo per passare dal laboratorio a una produzione su scala, secondo i ricercatori, i potenziali miglioramento sono entusiasmanti.
Le sfide da superare
Sono diverse le sfide che deve superare questa nuova tecnologia, prima fra tutte i costi. Infatti, è stato calcolata che ha un costo pari a 10 dollari per watt generato. Le celle solari standard hanno un costo di 10 centesimi per watt.
In secondo luogo, rispetto alle celle solari in polisilicio, la loro produzione è molto lenta e, considerando un inevitabile futuro dominato dalle energie rinnovabili, se vogliamo scongiurare il cambiamento climatico, la disponibilità dei materiali per realizza le celle solari quantistiche è limitata.
I costi elevati fanno sì che queste celle vengano utilizzate principalmente in mercati costosi. Il mercato più comune, come detto precedentemente, è quello spaziale. La Stazione Spaziale Internazionale utilizza celle a tripla giunzione con un’efficienza superiore al 30%. Celle di questo tipo sono state utilizzate anche per le automobili a energia solare, che non sono ancora state immesse sul mercato.
