Celle fotovoltaiche, nuova tecnica costruttiva migliora efficienza dell’80%

C’è un gran fermento nella ricerca sui pannelli fotovoltaici. L’ultima notizia viene dagli Stati Uniti, dove un team di scienziati guidati da Jun Xu, dell’Oak Ridge National Laboratory, è riuscito ad aumentare la conversione da luce a energia elettrica dell’80% creando una cella solare basata su una innovativa struttura tridimensionale di nano-coni.

La nuova tecnica ha praticamente superato i problemi del trasporto delle cariche elettriche generate dall’interazione dei fotoni col materiale. Queste cariche – elettroni negativi e lacune (di carica ideale positiva) – vengono in genere intrappolati dai difetti del materiale o della sua interfaccia con le connessioni elettriche sottostanti, degradando le performance generali della cella.

“Per risolvere il problema delle cariche intrappolate, che riduce l’efficienza di conversione, abbiamo creato una cella solare basata su nano-coni, inventandoci la tecnica per creare questo tipo di cella e dimostrando che essa migliora l’efficienza di generazione delle cariche elettriche,” ha detto Xu, un membro della divisione di Scienze Chimiche del laboratorio di Oak Ridge.

La nuova struttura consiste in nano-coni di tipo n circondati da un semiconduttore di tipo p. La matrice di tipo p è fatta di tellurite di cadmio policristallina e serve come collettore primario di fotoni e conduttore di lacune.

Con questo nuovo approccio, Xu e colleghi sono riusciti ad ottenere un fattore di conversione luce-elettricità del 3,2%, rispetto all’1,8% ottenuto dallo stesso materiale con una metodologia costruttiva normale.

“Abbiamo progettato una struttura tridimensionale che fornisce una distribuzione di campo elettrico intrinseca, e questo promuove un efficiente trasporto di cariche elettriche e un’alta efficienza nel convertire luce solare in elettricità,” ha detto Xu.

I punti chiave delle nuove celle fotovoltaiche sono una distribuzione del campo elettrico uniforme e la realizzazione dei nanoconi con metodi proprietari che – a detta del gruppo di ricerca – sono a buon mercato. Inoltre, con questa tecnica si minimizzano i difetti nei semiconduttori, cosa che migliora ulteriormente la conversione da fotoni ad elettroni.

Un ulteriore aspetto positivo della nuova cella creata all’Oak Ridge è che potrà tollerare maggiormente difetti nei materiali, a tutto vantaggio del costo di produzione dei semiconduttori.

I semiconduttori sono la base della tecnologia costruttiva delle celle fotovoltaiche (ma anche dei normali circuiti elettronici), e servono per costruire i fotodiodi. I semiconduttori (se non puri) sono “drogati” volutamente con impurità. Quelli drogati sono di due tipi, il tipo p che conduce cariche elettriche positive (lacune) e il tipo n, che conduce elettroni. Quando due semiconduttori di tipo diverso vengono uniti si crea una giunzione di tipo p-n, che permette la generazione di una corrente per mezzo dell’assorbimento dei fotoni.

“Il concetto importate che sta dietro a questa nuova cella è che la forma a nano-coni della giunzione tra i semiconduttori crea un elevato campo elettrico, che riduce la dispersione delle cariche e aumentando l’efficienza di conversione rispetto ad una cella con giunzioni ‘piatte’ con gli stessi materiali,” ha precisato Xu.