Celle solari più economiche ed efficienti con il selenio

La tecnologia fotovoltaica è tra le soluzioni ormai più diffuse e sperimentate nel campo delle energie rinnovabili. Tuttavia, la ricerca è molto attiva per trovare soluzioni più economiche, versatili e a minor impatto visivo. Una nuova classe di celle solari si sta facendo spazio: le celle solari a film sottile, e in particolare quelle a base di tellurio di cadmio (CdTe) rappresentano una delle alternative più promettenti. E ora un gruppo di ricercatori della Oxford University e della Colorado State University hanno trovato il modo per aumentarne l’efficienza: aggiungere la giusta quantità di selenio al substrato assorbente.

Il pannelli “lunari”, sottili e più economici

Negli ultimi anni diversi studi hanno riscontrato un considerevole aumento delle efficienze dei pannelli solari a base di CdTe quando quando al substrato assorbente viene aggiunto il selenio (il cui nome deriva dal greco “selene” che, paradossalmente, vuol dire “Luna”).

Questo innalzamento delle efficienze correlato alla presenza del selenio ha rappresentato per lungo tempo un mistero. Certo è che la presenza del selenio induce un miglior assorbimento della luce a lunghezze d’onda più alte (più vicine alla zona dell’infrarosso) dove il sole emette maggiormente. Ma questo effetto in genere viene correlato anche un effetto indesiderato, la ricombinazione, che invece dovrebbe abbassare le efficienze delle celle. Ora gli autori dello studio su Nature Energy hanno finalmente trovato una spiegazione a questo fenomeno studiando per la prima volta le proprietà optoelettroniche di questo materiale.

Come funziona l’effetto fotovoltaico

Facciamo un passo indietro per capire come funzionano i pannelli fotovoltaici. Quando la luce (costituita da particelle chiamate fotoni) colpisce un pannello solare viene prodotta elettricità, che non è altro che un flusso di particelle subatomiche chiamate elettroni. Il processo che crea questa “energia” viene chiamato effetto fotovoltaico. In pratica quando un fotone colpisce la superficie della cella fotovoltaica, la sua energia viene trasferita agli elettroni presenti sul materiale fotoattivo che la costituisce i quali vengono “eccitati” e iniziano a fluire nel circuito producendo corrente elettrica.

In un materiale ideale, completamente liscio e privo di difetti, si ha il miglior flusso di elettroni possibile. Quando invece un materiale presenta delle “imperfezioni” gli elettroni hanno una maggiore probabilità di essere “intrappolati” in questi difetti e ciò si traduce in una minor flusso e quindi un abbassamento di elettricità prodotta.

La mappatura della selenio

Grazie all’uso di tecniche avanzate come la catodoluminescenza ad alta risoluzione (CL) e spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS), i ricercatori hanno ottenuto una mappa della distribuzione del selenio sulla superficie delle celle a base di tellurio di cadmio, scoprendo così che la presenza di questo elemento riduce le imperfezioni del materiale, che così aumenta la sua capacità di conduttore di elettroni.

La mappatura ha rivelato che le proprietà elettroniche del materiale variano proporzionalmente alla concentrazione del selenio nei diversi punti della superficie, la quale risulta essere molto più luminescente nelle zone dove l’elemento chimico è più presente (e quindi dove i difetti del materiale sono attenuati). I ricercatori hanno stabilito che la percentuale di selenio che garantisce le migliori prestazioni del pannello è del 10-11%.

Il fatto che l’efficienza di queste celle solari può essere aumentata senza enormi cambiamenti strutturali (che causerebbero un notevole innalzamento dei costi) ma semplicemente aumentando la quantità di selenio nel dispositivo o alterandone la distribuzione all’interno della cella, segna un bel punto a favore di queste nuove tecnologie fotovoltaiche.

Riferimenti: Understanding the role of selenium in defect passivation for highly efficient selenium-alloyed cadmium telluride solar cells, Nature energy