I ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno creato una cella solare con un’efficienza record del 39,5%. Questa è la cella solare più efficiente al mondo.
“La nuova cella è più efficiente e ha un design più semplice che può essere utile per una grande varietà di nuove applicazioni, come applicazioni ad alta area vincolata o applicazioni spaziali a bassa radiazione”, ha affermato Myles Steiner, specialista senior in High-Efficiency di NREL Gruppo Fotovoltaico Cristallino (PV) e principale ricercatore del progetto. Ha lavorato insieme ai colleghi di NREL Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young e Alan Kibbler.
I dettagli dello sviluppo sono delineati nel documento “Celle solari a tripla giunzione con efficienza al 39,5% terrestre e 34,2% spaziale abilitate da spessi superlattici quantici”, che appare nel numero di maggio della rivista Joule.
Gli scienziati di NREL avevano precedentemente stabilito un record nel 2020 con una cella solare a sei giunzioni efficiente del 39,2% che utilizza materiali III-V.
Molte delle migliori celle solari recenti sono state basate sull’architettura a multigiunzione metamorfica invertita (IMM) inventata presso NREL. Questa cella solare IMM a tripla giunzione recentemente migliorata è stata ora aggiunta al grafico dell’efficienza delle migliori celle di ricerca. Il grafico, che mostra il successo delle celle solari sperimentali, include il precedente record IMM a tre giunzioni del 37,9% stabilito nel 2013 dalla Sharp Corporation of Japan.
Il miglioramento dell’efficienza ha seguito la ricerca sulle celle solari “quantum well”, che utilizzano molti strati molto sottili per modificare le proprietà delle celle solari. Gli scienziati hanno sviluppato una cella solare quantistica con prestazioni senza precedenti e l’hanno implementata in un dispositivo con tre giunzioni con diversi bandgap, in cui ogni giunzione è sintonizzata per catturare e utilizzare una fetta diversa dello spettro solare.
I materiali III-V, così chiamati per via del punto in cui cadono sulla tavola periodica, coprono un’ampia gamma di bandgap di energia che consentono loro di indirizzare diverse parti dello spettro solare. La giunzione superiore è costituita da fosfuro di indio di gallio (GaInP), la parte centrale di arseniuro di gallio (GaAs) con pozzi quantici e la parte inferiore di arseniuro di indio di gallio (GaInAs) non corrispondente al reticolo. Ogni materiale è stato altamente ottimizzato nel corso di decenni di ricerca.
“Un elemento chiave è che mentre il GaAs è un materiale eccellente e generalmente utilizzato nelle celle multigiunzione III-V, non ha il gap di banda corretto per una cella a tre giunzioni, il che significa che l’equilibrio delle fotocorrenti tra le tre celle non è ottimale ”, ha affermato France, scienziato senior e progettista di cellule. “Qui, abbiamo modificato il bandgap mantenendo un’eccellente qualità del materiale utilizzando pozzi quantistici, che abilitano questo dispositivo e potenzialmente altre applicazioni”.
Gli scienziati hanno utilizzato pozzi quantici nello strato intermedio per estendere il gap di banda della cellula GaAs e aumentare la quantità di luce che la cellula può assorbire. È importante sottolineare che hanno sviluppato dispositivi per pozzi quantistici otticamente spessi senza grandi perdite di tensione. Hanno anche imparato come ricotturare la cella superiore GaInP durante il processo di crescita al fine di migliorarne le prestazioni e come ridurre al minimo la densità di dislocazione del threading in GaInAs non corrispondenti al reticolo, discusso in pubblicazioni separate. Complessivamente, questi tre materiali informano il nuovo design delle celle.
Le celle III-V sono note per la loro elevata efficienza, ma il processo di produzione è stato sempre costoso. Finora, le celle III-V sono state utilizzate per alimentare applicazioni come satelliti spaziali, veicoli aerei senza pilota e altre applicazioni di nicchia. I ricercatori di NREL hanno lavorato per ridurre drasticamente i costi di produzione delle celle III-V e fornire modelli di celle alternative, che renderanno queste celle più economiche per una varietà di nuove applicazioni.
La nuova cella III-V è stata anche testata per l’efficienza nelle applicazioni spaziali, in particolare per i satelliti per comunicazioni, che sono alimentati da celle solari e per i quali l’elevata efficienza delle celle è fondamentale, ed è arrivata al 34,2%. L’attuale design della cella è adatto per ambienti a basse radiazioni, applicazioni a radiazioni più elevate possono essere consentite da un ulteriore sviluppo.
NREL è il principale laboratorio nazionale del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per la ricerca e lo sviluppo delle energie rinnovabili e dell’efficienza energetica. NREL è gestito per il Dipartimento dell’Energia da Alliance for Sustainable Energy LLC.
