Le celle solari bifacciali a film sottile in rame indio gallio diseleniuro (CIGS) sono in grado di catturare l’energia solare sia sul lato anteriore che su quello posteriore e quindi di produrre potenzialmente più elettricità solare rispetto alle loro controparti convenzionali. Finora, tuttavia, nella loro produzione sono state raggiunte solo modeste efficienze di conversione energetica. Un team dell’Empa ha sviluppato un nuovo processo di produzione a bassa temperatura che raggiunge un’efficienza record del 19,8% per l’illuminazione frontale e del 10,9% per la retroilluminazione. Inoltre, ha prodotto la prima cella solare bifacciale perovskite-CIGS in tandem, come recentemente pubblicato sulla rivista "Nature Energy", aprendo la strada a rendimenti energetici ancora più elevati in futuro.
L’idea è semplice come sembra: se posso raccogliere la luce solare e anche la sua componente riflessa sul retro della mia cella solare, questo dovrebbe aumentare il rendimento energetico della cella. Le applicazioni potenziali sono, ad esempio, il fotovoltaico integrato negli edifici, l’agrivoltaico - l’uso simultaneo di aree per la produzione di energia fotovoltaica e l’agricoltura - e i moduli solari installati verticalmente o in forte pendenza su terreni ad alta quota. È nata la cella solare bifacciale. Secondo l’International Technology Roadmap of Photovoltaics, le celle solari bifacciali potrebbero conquistare una quota del 70% del mercato fotovoltaico totale entro il 2030.
Sebbene le celle solari bifacciali basate su wafer siano già presenti sul mercato, le celle solari a film sottile sono rimaste indietro fino ad ora. Ciò è dovuto, almeno in parte, all’efficienza piuttosto bassa delle celle solari bifacciali a film sottile CIGS, a causa di un problema critico: affinché una cella solare bifacciale possa raccogliere la luce solare riflessa dal retro, è necessario un contatto elettrico otticamente trasparente. A questo scopo, al posto del contatto posteriore opaco delle celle solari convenzionali, cioè monofacciali, viene utilizzato un ossido conduttivo trasparente (TCO).
Ed è qui che iniziano i problemi: le celle solari CIGS ad alta efficienza sono solitamente prodotte con un processo di deposizione ad alta temperatura, cioè superiore a 550 gradi. A queste temperature, si verifica una reazione chimica tra il gallio (nello strato CIGS) e l’ossigeno nel contatto posteriore trasparente - un ossido. Lo strato di interfaccia di ossido di gallio che ne risulta blocca il flusso di corrente generato dalla luce solare, riducendo così l’efficienza di conversione energetica della cella. I valori più alti raggiunti finora in una singola cella sono il 9,0% per il lato anteriore e il 7,1% per il lato posteriore. È molto difficile ottenere una buona efficienza di conversione energetica per le celle solari con contatti conduttivi trasparenti sul fronte e sul retro", spiega Ayodhya N. Tiwari, che dirige il Thin Film and Photovoltaics Laboratory dell’Empa.
Per questo motivo, il dottorando Shih-Chi Yang, del gruppo di Romain Carron nel laboratorio di Ayodhya N. Tiwari, ha sviluppato un nuovo processo di deposizione a bassa temperatura che dovrebbe produrre una quantità molto minore di ossido di gallio, se non addirittura nulla. Hanno utilizzato una piccola quantità di argento come una sorta di ingrediente segreto per abbassare il punto di fusione della lega CIGS e ottenere strati assorbenti con buone proprietà elettroniche a una temperatura di deposizione di soli 353 gradi. Analizzando la struttura multistrato con la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione, con l’aiuto dell’ex post-doc di Tiwari, Tzu-Ying Lin, attualmente alla National Tsing Hua University di Taiwan, il team non è riuscito a rilevare alcun ossido di gallio all’interfaccia.
Anche l’efficienza di conversione dell’energia è migliorata notevolmente: la cella ha raggiunto valori del 19,8% per l’illuminazione frontale e del 10,9% per l’illuminazione posteriore, certificati in modo indipendente dall’Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare (ISE) di Friburgo/Germania - nella stessa cella su un substrato di vetro. Inoltre, il team è riuscito a fabbricare, per la prima volta, una cella solare CIGS bifacciale su un substrato polimerico flessibile che, grazie alla sua leggerezza e flessibilità, amplia lo spettro delle potenziali applicazioni. Infine, i ricercatori hanno combinato due tecnologie fotovoltaiche - CIGS e celle solari di perovskite - per produrre una cella bifacciale "tandem". Secondo Ayodhya N. Tiwari, la tecnologia CIGS bifacciale ha il potenziale per produrre efficienze di conversione energetica superiori al 33%, aprendo nuove possibilità per le celle solari a film sottile in futuro. Ayodhya N. Tiwari sta attualmente cercando di stabilire una collaborazione con laboratori e aziende chiave in Europa per accelerare lo sviluppo della tecnologia e la sua produzione industriale su larga scala.
