Una cella solare organica dell’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) ha aumentato la propria efficienza di circa lo 0,85% riducendo la luce emessa ad angoli ampi. Il risultato sperimentale è modesto; la proiezione proposta dal team, invece, suggerisce che questa strategia potrebbe portare teoricamente l’efficienza delle celle a giunzione singola verso il 43%, oltre il limite di Shockley-Queisser, fissato al 33,16%.
L’idea non consiste nel catturare più luce usando una nuova combinazione di materiali, bensì nel controllare meglio quella che la cella restituisce all’esterno. Per farlo, i ricercatori hanno sostituito il consueto elettrodo frontale di ossido di indio e stagno con un sottile strato d’argento e hanno configurato il dispositivo come una cavità ottica. La struttura lascia entrare la radiazione solare e limita parte dell’emissione ad angoli ampi.
Il lavoro è stato pubblicato su Energy & Environmental Science. La differenza tra il piccolo miglioramento misurato e il potenziale teorico è fondamentale: lo studio dimostra sperimentalmente un metodo per ridurre una perdita specifica, ma non presenta un pannello commerciale con un’efficienza vicina al 43%.
Una perdita diversa dal calore
In una cella fotovoltaica, non tutta l’energia assorbita viene convertita in elettricità. Una parte si dissipa sotto forma di calore e un’altra va persa quando il materiale emette nuovamente luce. Il team dell’ICFO si è concentrato su questa seconda via, nota come perdita di Boltzmann, che limita la tensione e l’efficienza raggiungibili dal dispositivo.
Il problema è legato alla differenza tra gli angoli da cui arriva la luce solare e quelli in cui una cella può emettere fotoni. La radiazione in ingresso occupa un intervallo angolare relativamente ristretto; l’emissione, uno molto più ampio. Secondo quanto spiega pv magazine Global, questa disparità aumenta l’entropia associata all’emissione e riduce il rendimento massimo possibile.
La ricerca dell’ICFO ha cercato di restringere il cono di emissione per avvicinarlo a quello di assorbimento. Il team non intende impedire alla cella di assorbire la luce solare: l’obiettivo è mantenere questo ingresso e, al contempo, ridurre la quantità di fotoni che fuoriescono ad angoli ampi. L’approccio si differenzia dai tentativi più consueti di migliorare l’efficienza, incentrati sulle perdite termiche o sui materiali in grado di assorbire diverse parti dello spettro.
Argento e cavità ottica in una cella organica
Il dispositivo studiato era una cella solare organica invertita basata su una miscela PM6, secondo pv magazine Global. Al posto dell’elettrodo frontale di ossido di indio e stagno, i ricercatori hanno inserito un sottile strato d’argento. In combinazione con un altro elettrodo d’argento sul retro e con strati intermedi, forma una cavità ottica.
L’argento frontale svolge due funzioni: conduce l’elettricità e riflette con forza la luce che tenta di uscire ad angoli ampi. Allo stesso tempo, la configurazione mantiene un’elevata trasmissione nella direzione della luce solare incidente. Il design, quindi, non è semplicemente uno specchio che blocca la radiazione: mira a distinguere tra la luce che entra e quella emessa dal dispositivo.
Engadget descrive il risultato come una cella che consente ancora alla luce solare di entrare, ma ne emette meno ad angoli aperti. L’efficienza è aumentata di circa lo 0,85%. Questo dato si riferisce all’esperimento descritto e non va confuso con il 43%, che è una stima di ciò che si potrebbe ottenere restringendo ulteriormente il cono di emissione.
Francisco Bernal Texca, primo autore dello studio, ha spiegato in un comunicato dell’ICFO: «Se il cono di emissione può essere ristretto per adattarsi maggiormente al cono di assorbimento della luce solare in ingresso, come dimostra esattamente il nostro lavoro sperimentale, le celle solari potranno, in linea di principio, avvicinarsi a efficienze prossime al 43%».
Se il cono di emissione può essere ristretto per adattarsi maggiormente al cono di assorbimento della luce solare in ingresso, come dimostra esattamente il nostro lavoro sperimentale, le celle solari potranno, in linea di principio, avvicinarsi a efficienze prossime al 43%.
— Dr. Francisco Bernal Texca, primo autore dello studio
Dal limite teorico ai pannelli attuali
Il 33,16% è il limite teorico di Shockley-Queisser citato per una cella solare a giunzione singola. Non corrisponde all’efficienza dei pannelli installati oggi: Engadget colloca il rendimento abituale dei pannelli per uso domestico tra il 20% e il 23%. La proiezione dell’ICFO suggerisce che il controllo dell’emissione potrebbe aprire una strada per superare quel limite teorico convenzionale, non che i pannelli domestici raggiungeranno subito quella cifra.
Il potenziale ambito di applicazione va oltre la cella organica dell’esperimento. Engadget osserva che il principio dovrebbe essere applicabile a diverse categorie di celle fotovoltaiche, mentre pv magazine Global ritiene che la cavità potrebbe essere integrata in dispositivi solari con una struttura relativamente semplice, senza aumentare significativamente la complessità di fabbricazione. L’estensione ad altre tecnologie, tuttavia, è una possibilità prospettata dai ricercatori, non un risultato dimostrato per ogni tipo di cella.
Se una tecnologia di questo tipo venisse trasferita a prodotti commerciali, ottenere più elettricità per unità di superficie potrebbe ridurre la quantità di materiali e di terreno necessaria per una determinata capacità installata, secondo pv magazine Global. Engadget indica anche possibili vantaggi per i pannelli solari per uso domestico, compresi i sistemi da balcone collegabili alla presa, la cui diffusione sta crescendo negli Stati Uniti. Nessuno di questi effetti è stato misurato nell’esperimento dell’ICFO.
Una strada diversa dai record di efficienza
Il nuovo approccio si inserisce in un contesto in cui altri gruppi lavorano su diverse fonti di perdita. A luglio, secondo Engadget, l’azienda cinese LONGi ha presentato una cella solare con un’efficienza del 35,5% e ha dichiarato che la cella fotovoltaica utilizzata potrebbe raggiungere teoricamente il 43%. TechRadar descrive quel risultato come una cella di perovskite sovrapposta a una cella convenzionale al silicio. Sono valori riferiti a dispositivi e metodi diversi, non misurazioni confrontabili della stessa configurazione.
La strategia di LONGi è legata alle celle tandem: sovrapporre materiali con diverse bande proibite consente di catturare differenti intervalli energetici della luce. Il lavoro dell’ICFO, invece, mira a limitare l’emissione di fotoni e a ridurre le perdite di Boltzmann. TechRadar menziona anche la fissione di singoletto, un metodo che può dividere i fotoni ad alta energia; il risultato citato in quel caso è una resa quantica del 130%, non un’efficienza di conversione solare del 130%.
Queste distinzioni sono importanti perché i valori di efficienza dipendono dalla tecnologia e dal materiale utilizzati. Nel caso dell’ICFO, il dato osservato è stato il miglioramento di circa lo 0,85% in una cella organica; il 43% descrive il potenziale teorico dell’idea. Il passo successivo per trasformare questa promessa in un miglioramento utile per i pannelli sarebbe trasferire e sviluppare il metodo in altre configurazioni, una possibilità indicata dalle fonti, non un prodotto già disponibile.
Per ora, il risultato consiste nella dimostrazione che è possibile restringere sperimentalmente l’emissione con una cavità ottica basata su elettrodi d’argento. I pannelli commerciali, che solitamente raggiungono un rendimento tra il 20% e il 23%, restano lontani dalla proiezione del 43%.
Fonti: Engadget, ICFO, pv magazine Global, TechRadar
